一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法

摘要

一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法，属采矿安全工程技术领域。采用PFC3D建模，按照以下步骤进行：（1）颗粒半径的确定，（2）模型边界的确定，（3）平行不整合的构建，（4）边坡模型构建，（5）地震的施加，（6）模拟结果分析，模拟过程中露天矿边坡内部结构变形和露天矿边坡内颗粒位移矢量。本发明可用于在不同地震加速度情况下，边坡内各部分岩体变形和稳定性的确定。

说明书

技术领域

    本发明涉及采矿安全工程技术领域，特别涉及一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法。

背景技术

露天矿边坡有着其自身特点使其与一般自然形成边坡有一定的区别。露天矿边坡自由面原本在自然状态下是在地表以下的，但是由于人工开采使其暴露于外界环境中，自由面上不会形成残积土层，且由于采动作用一般以碎石堆积为主；自然边坡常因造山运动而形成，依附山体，边坡构造面向地下延伸方向常有断层存在，而露天矿边坡为人工开采，自由面并不延伸至地表下，边坡下基岩仍是完整的(依原地质条件而定)；自然边坡往往较高，如汶川5.12大地震触发了大量的边坡崩滑，但露天矿边坡一般只有100m至300m比自然边坡小得多；自然边坡多数处于山区，失稳造成损失较小，露天矿边坡在人机作业范围内，一旦失稳后果严重。所以应针对露天矿边坡的自由面附近存在碎石，不同岩层接触面的平行不整合，及复杂岩体构造进行有针对性的研究，保证人机安全。

目前对于边坡在地震情况下的稳定性研究较少，对露天矿边坡地震研究鲜见。实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；不同岩层接触面可能存在平行不整合，考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。

PFC3D(Particle Flow Code in 3 Dimensions)是Itasca公司2008年发布的一款高端产品，特别适合于复杂机理性问题研究。它是利用显式差分算法和离散元理论开发的微/细观力学程序，它是从介质的基本粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性，并认为给定介质在不同应力条件下的基本特性主要取决于粒子之间接触状态的变化，适用研究粒状集合体的破裂和破裂发展问题、以及颗粒的流动等大位移问题。在岩土体工程中可以用来研究结构开裂、堆石材料特性和稳定性、矿山崩落开采、边坡解体、爆破冲击等一系列传统数值方法难以解决的问题。

    颗粒流理论是通过离散单元法来模拟圆形颗粒介质的运动及颗粒间的相互作用，允许离散的颗粒单元发生平移和旋转，可以彼此分离并且在计算过程中重新构成新的接触。颗粒流方法中颗粒单元的直径可以是一定的，也可按高斯分布规律分布,可以通过调整颗粒单元直径调节孔隙率。它以牛顿第二定律和力-位移定律为基础，对模型颗粒进行循环计算,采用显式时步循环运算规则。根据牛顿第二定律确定每个颗粒由于接触力或体积力引起的颗粒运动(位置和速度)，力-位移定律是根据2个实体(颗粒与颗粒或颗粒与墙体)的相对运动，计算彼此的接触力。

颗粒流理论基于以下假设:

1)颗粒单元为刚性体;

2)接触发生在很小的范围内,即点接触;

3)接触特性为柔性接触,接触处允许有一定的“重叠”量;

4)“重叠”量的大小与接触力有关,与颗粒大小相比,“重叠”量很小;

5)接触处有特殊的连接强度;

6)颗粒单元为圆盘形.

颗粒流理论的接触本构模型包括接触刚度模型、库仑滑块模型和连接模型。其中，接触刚度模型分为线弹性模型和非线形Hertz-Mindlin模型；连接模型分为接触连接模型和并行连接模型，接触连接模型仅能传递作用力,并行连接模型可以承受作用力和力矩。

离散体和连续体主要的区别在于，离散体之间可以承受压力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；连续体可以承受压力、拉力和力矩。使用PFC3D中接触连接模型和并行连接模型可以满足对连续体和非连续体混合共存条件下的模拟，只是参数设置不同，采用不同的接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)对颗粒进行设置，以模拟砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、煤层、泥岩和砂质页岩不同的拉、压、剪的性质。

边坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步骤，根据PFC3D用户手册PROBLEM SOLVING WITH PFC^3D中的介绍，岩土问题数值分析的一般步骤如图1所示。

对于任意建模过程，具体来说包括：颗粒的生成、边界条件和初始条件的设置、选择接触模型和材料属性、加载，解算和模型修改、结果分析。国内对于PFC3D建模研究不多，建立尾矿库模型的颗粒流实际模型步骤，如图2所示。

上述研究，并不适应露天矿边坡的特点，而且基本上是通过基于连续性介质条件对边坡破坏的研究。但实际上，边坡自由面一定深度内由于采动以形成非连续介质；原地质条件也可能是破碎岩体；不同岩层接触面可能存在平行不整合，考虑到这些因素使用连续介质理论进行这种模拟并不妥当。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法，使用PFC3D对倾角约为-15°的砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、煤层及基岩由泥岩和砂质页岩组成的剖面地质结构进行建模；为表现上述不同岩体的拉、压、剪的性质，采用不同的接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)对颗粒进行设置；同时为表示不同岩层接触面的平行不整合现象对该面附近颗粒进行FISH函数删减，从而达到模拟平行不整合的效果；使用构建后模型在地震动峰值加速度分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.6g的震动波作用下，模拟了20s内边坡内颗粒运动变形及其边坡滑落情况；在不同地震加速度情况下，边坡内各部分岩体变形和稳定性的确定。

一种露天矿边坡在地震中稳定性的分析方法，采用PFC3D建模，按照以下步骤进行：

（1）颗粒半径的确定，将颗粒(ball)半径设为0.8~1.2m的正太分布；煤层颗粒(ball)半径设为0.5~1m的正太分布；

（2）模型边界的确定，考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自燃对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面；

（3）平行不整合的构建，使用颗粒流的PFC3D进行模拟，使用FISH语言，根据地质调查的不同岩层剖面接触线的实际线形对模型接触面进行修正；将实际线形根据模型建立的坐标系拟合成函数曲线，遍历规定范围内的颗粒(ball)，判断ball的坐标；如果对下层岩体进行处理，那么在该曲线下的ball保留，曲线上的岩体进行删除，从而形成平行不整合效果；

（4）边坡模型构建，为了更好的显示在震动过程中模型内部颗粒的运动情况，对模型在竖直方向和水平方向进行标记，水平方向标记开始于y=50m，宽度5m，间隔27m，标号H1~H4；竖直方向标记开始于x=-190m，宽度5m，间隔40m，Z1~Z7；

（5）地震的施加，假设基岩及地面以下的岩体是随着地层一起震动的，是上覆岩层的震动原因，所以将震动波施加于基岩及地面以下的岩体，岩体范围                                                ；地震震动波的峰值加速度分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.6g，频率为5Hz，震动时间为20s,1-10s为加速度增加阶段，10-15s为峰值阶段，15-20s为加速度减小阶段；

（6）模拟结果分析，确定模拟过程中露天矿边坡内部结构变形和露天矿边坡内颗粒位移矢量。

由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8~1.2m的正太分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5~1m的正太分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自然对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。

在x方向排列钻孔岩心取样发现砂岩层与砂质泥岩层、砂质泥岩层与砂岩层之间的接触面深度大体是线性的，倾角约为-15°，但局部存在平行不整合现象。如基于连续性介质理论软件模拟，对这种平行不整合的构造面实现比较困难。使用颗粒流的PFC3D进行模拟，可以使用FISH语言，根据地质调查的不同岩层剖面接触线的实际线形对模型接触面进行修正。将实际线形根据模型建立的坐标系拟合成函数曲线，遍历规定范围内的颗粒(ball)，判断ball的坐标。如果对下层岩体进行处理，那么在该曲线下的ball保留，曲线上的岩体进行删除，从而形成平行不整合效果，如图3所示。

整个模型长(x方向)337m、高(z方向)207m，考虑到主要研究的是边坡剖面，且只在竖直(z方向)受重力作用及颗粒直径等因素，确定模型宽(y方向)为2.5m。模型示意如图4所示。

为了更好的显示在震动过程中模型内部颗粒的运动情况，对模型在竖直方向和水平方向进行标记，水平方向标记开始于y=50m，宽度5m，间隔27m，标号H1~H4；竖直方向标记开始于x=-190m，宽度5m，间隔40m，Z1~Z7，如图5所示。

PFC3D可以方便地对墙体施加任意方向的位移和速度，而不能对墙体直接施加加速度，对于地震振动问题一般通过定义墙体或颗粒沿指定方向随时间变化的速度来解决。根据PFC3D用户手册给出的例子，模拟框架结构的地震震动，是将速度施加在地面颗粒上的。鉴于此，使用FISH函数构造正弦波速度时间曲线且作用在基岩颗粒上进行地震模拟。同时考虑到实际情况，假设基岩及地面以下的岩体是随着地层一起震动的，是上覆岩层的震动原因，所以将震动波施加于基岩及地面以下的岩体，岩体范围。

地震震动波的峰值加速度分别为0.1g、0.2g、0.4g、0.6g，频率为5Hz，震动时间为20s,1-10s为加速度增加阶段，10-15s为峰值阶段，15-20s为加速度减小阶段，边坡各部分岩土层的阻尼如表1所示，a=0.2g的地震波时程曲线如图6所示。

本发明使用PFC3D对倾角约为-15°的砂岩层、砂质泥岩层、砂岩层、煤层及基岩由泥岩和砂质页岩组成的剖面地质结构进行建模。为表现上述不同岩体的拉、压、剪的性质，采用不同的接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)对颗粒进行设置。同时为表示不同岩层接触面的平行不整合现象对该面附近颗粒进行FISH函数删减，从而达到模拟平行不整合的效果。本发明可用于在不同地震加速度情况下，边坡内各部分岩体变形和稳定性的确定。

附图说明

图1 岩土数值分析的推荐步骤 ，

图2 颗粒流实际模型建立的流程图，

图3 砂质泥岩层与砂岩层的接触面，

图4 模型示意图，

图5 模型标记图，

图6 地震波的时程曲线，

图7 边坡内部结构变形，在模拟过程中由于一些颗粒飞出研究区域，且为了节省篇幅，对各种条件下生成的图像进行了处理并合并为一图，图中所有子图的位移度量尺度相同，箭头的方向表示位移的方向，箭头的长短表示位移的大小/m。

具体实施方式

实施例1

海州露天煤矿，位于阜新车站东南3km处，在阜新市区南部太平区境内。全矿占地 26.82 km²，其中，采场6km²，排土场及排矸厂14.8km²，工业广场3.84km²，住宅及生活设施2.18km²。露天煤田最大范围为西端最大边界为W9+50 m，东端最大边界为E29+50，东西长3.9km；南端最大边界为S5+00m，北端最大边界为N13+00m，南北宽1.8km。地表海拔标高为+165~+200m，平均+175m。地势东南高，西北低。露天矿设计开采深度为350 m。

某边坡水平(x方向)长271m，高(z方向)157m，地质条件复杂，从上到下斜向分布着砂岩、砂质泥岩、砂岩、煤层、泥岩和砂质页岩，倾角约为-15°。由于PFC3D建模的特殊性，结合实际观测边坡(砂岩、砂质泥岩、砂岩)自由面裂缝间隔一般在0.8m到1.2m之间，故将颗粒(ball)半径设为0.8~1.2m的正太分布。煤层根据实际调查的节理裂隙等特点将颗粒(ball)半径设为0.5~1m的正太分布。考虑到泥岩和砂质页岩在矿场地平面以下，且在煤层以下，煤的自然对这两层岩体的影响较小，所以模型的下边界定为煤层与泥岩的交界面。相关参数如表1所示。

表 1物理力学参数

模拟过程中露天矿边坡内部结构变形结果如图7所示。露天矿边坡内颗粒位移矢量如图8所示。

图7的对比参考图为图5，图5为震动前的边坡内部标记图。图7横向子图为加速度相同时间不同的对比图；纵向为时间相同加速度不同的对比图。由于地震时间为20s，所以取T=8s、14s、20s的结构变形图为代表作为分析对比对象。

标记线H1~H4的变形不大，说明在不同条件下的地震作用对边坡结构的竖直方向变形影响较小，小变形主要集中在H2和H1上。H2产生变形的状态主要是T=14s和T=20s，说明14s前砂岩和砂质泥岩靠近边坡区域的岩体已经松动产生了位移。H1产生变形的状态主要是T=20s，说明20s前下层砂岩和煤层靠近边坡的区域已发生破坏。H3和H4在震动过程中始终没有发生大变形，说明对于坡顶而言在该地震波作用20s内是安全的，坡顶砂岩是稳定的。地质勘查也验证了坡顶砂岩层的完整性及强度较高的事实。

标记线Z1~Z7中，Z1~Z4变形较大。Z1线在模拟过程中当a=0.6g、T=20g等情况下，位移严重，内部链接结构完全破坏。这是由于该部分横跨基岩的主震动区和上覆岩层的从震动区，直接接受震动冲击；另一方面，由于靠近边坡自由面，上覆岩层对该区域的颗粒约束较小，从而造成当震动加速度过大和时间较长时，内部结构彻底被震动破坏，形成空隙现象。这个区域在地震过后会进行自然沉降，也可能形成永久性空隙，遇外力作用可能塌陷，应予以重视。

Z2和Z3穿越了两个岩层构造面，在整个模拟过程中变形明显。这样的变形一方面是由于边坡下层砂岩和砂质泥岩在边坡自由面的一定范围内是松散的，在震动作用下向坡脚方向移动造成的，使Z2和Z3上部结构破碎并向坡脚移动，如T=20s，a=0.1g。另一方面由于砂质泥岩与上下两层砂岩、煤层与砂岩接触面存在平行不整合，导致层之间颗粒的连接力较弱，凹凸起伏的接触面也会产生应力集中较容易破坏，如T=20s,a=0.2g中的Z2。最终形成了Z2和Z3标记在煤中基本不变，在砂岩和砂质泥岩中项坡脚倾斜的现象。

Z5~Z7在震动过程中，除Z5在岩层接触面处略有错动变形外，其余变化可略。原因在上层整体性和强度较高砂岩作用下，下层岩体受到了较大约束，下层岩体由于震动产生的局部颗粒位移无法向上发展，颗粒位移空间较小，所以使在上层砂岩下的Z5~Z7变形较小。

当T=20s时，a=0.2g和a=0.6g两种情况对比发现，Z2在a变大后变形减小了，这是由于在震动过程中出现了坡脚空隙区的原因。由于颗粒位移过大，产生了连续的空隙区域，而整个坡脚的区域范围变化很小，颗粒在震动提供的速度作用下向外围扩散，对空隙区周围的颗粒进行挤压。这样使Z1结构彻底破坏，同时使Z2、Z3、H4结构有复原的趋势。当燃这样的现象只有当震动加速度和振动时间在一定范围内时才会出现。

除了表示沿边坡自由面滚落的表征岩块的颗粒外，在整个过程中位移矢量主要集中在下层砂岩和砂质泥岩靠近自由面的区域。这个结果验证了图7中对标记线变形的论述及原因分析。由于边坡坡面附近岩体结构松散，颗粒越靠近自由面位移矢量越大；由于不同岩层接触面的平行不整合导致接触面附近颗粒的位移矢量比较大；当出现坡脚空隙区时，空隙区周围一定范围内颗粒的位移矢量较大且向四周扩散。