基于PFC的尾矿库滑坡运动规律分析

(华北科技学院 北京 101601)

基于PFC的尾矿库滑坡运动规律分析

张红

(华北科技学院北京101601)

为保证尾矿坝的持续稳定运行，本文运用PFC颗粒流软件结合强度折减法模拟尾矿库滑坡过程，分析滑坡过程中微观粒子的运行规律，将尾矿库微观粒子滑坡运动过程分为三个阶段，并确定尾矿库薄弱位置，为进一步提升尾矿坝本质安全水平提供理论支撑。

颗粒流；强度折减法；尾矿坝；运动规律

一、引言

尾矿库是指筑坝拦截谷口或围地构成的用以贮存金属非金属矿山进行矿石选别后排除的尾矿的场所[1]。据统计，历年来发生的尾矿库事故中尾矿库溃坝事故约占事故总数的60%以上是尾矿库事故发生的主要原因[2]。加强尾矿库安全管理水平，提升尾矿库本质安全，对遏制尾矿库事故具有重要意义。本文运用PFC软件结合强度折减法模拟尾矿库滑坡过程，分析滑坡过程中微观粒子的运行规律，确定尾矿库薄弱位置，为进一步提升尾矿坝本质安全水平提供理论支撑。

二、尾矿库滑坡演示

PFC是将研究对象分解成为微观粒子集合体，从微观方面研究粒子之间的运动关系[3-4]。由于PFC微观参数与宏观参数之间并没有明显数量级关系[5]，因此需通过模拟双轴压缩调整微观参数。以我国北方某尾矿库为例进行滑坡模拟。该尾矿库位于我国西北部，属二等尾矿库，尾矿坝四级台阶宽度5m，坝顶标高650m，汇水面积1.23km2。

尾矿库模型如图1所示，微观参数如表1所示。

图1 尾矿库模型图

运用强度折减法对尾矿坝抗剪强度参数及内聚力进行折减，运行时步设置为15000次，以坝体裂隙达到稳定作为判断尾矿库平衡条件，折减过程中粒子位移变化如图2所示。

(a)

(b)

(c)

图4 尾矿坝滑坡阶段裂隙数量与时间对比图

经分析，尾矿坝位移变化规律分三个阶段：①薄弱位置位移趋势线集中。当折减系数较小时，尾矿的抗剪强度较高，整个坝坡基本处于弹性状态。逐渐增加折减系数，则尾矿的抗剪强度逐渐降低，坝坡中相对薄弱位置弹性范围降低，逐渐出现局部应力集中，位移趋势聚集。本项目坝体薄弱位置位于尾矿坝坝顶至第二阶坝体位置处，如图3(a)；②初步形成滑动位移面。折减系数继续，尾矿的抗剪强度进一步减小，坝坡的塑性区进一步增大，坝体裂隙逐渐贯通，薄弱位置应力值加大并逐渐开始显现出滑动趋势，位移线呈现连续性。折减系数为1.25时项目边坡出现滑动位移趋势，如图3(b)；③坝体滑动。当折减系数增加到某一数值时，塑性区形成连通的区域，尾矿沿该剪切面发生不收敛的塑性剪切变形，坝体裂隙滑动面裂隙几乎全部贯通，应力分布于滑动趋势面周围并逐渐形成清晰滑动面，最终造成尾矿坝滑动，如图3(c)。

尾矿库滑坡阶段裂隙数量与时间对比图如图4所示。尾矿库产生滑坡后，尾矿坝体裂隙在40s左右达到稳定，表明该坝体冲击时间40s，根据该时间段位移显示数据可知冲击位移为53m。

三、结论

本文运用PFC软件结合强度折减法模拟尾矿库滑坡过程，分析滑坡过程中微观粒子的运行规律，确定尾矿库薄弱位置，得出如下结论：

1、运用PFC软件结合强度折减法进行尾矿库滑坡模拟，分析微观粒子位移变化规律并将尾矿坝位移变化规律分三个阶段。

2、首次将坝体裂隙稳定作为判定衡量尾矿库运算平衡的方法，并通过与实际时间进行对比，确定坝体滑坡冲击时间及冲击位移。

[1]谢旭阳,王云海,张兴凯,等.我国尾矿库数据库的建立[J].中国安全生产科学技术,2008,4(2):53-56.

[2]杨丽红,李全明, 程五一,等.国内外尾矿坝事故主要危险因素的分析研究[J].中国安全生产科学技术,2008,4(5):28-31.

[3]ITASCA Consulting Group. PFC2D(Particle Flow Code in 2 Dimensions)User' s Guide[M]. USA: Itasca Consulting Group, Minneapolis, Minnesota 55401, 2002.

[4]史旦达, 邓益兵, 刘文白等.颗粒离散元法及在砂土力学特性模拟中的应用[M].北京:人民交通出版社,2016.

[5]石崇,徐卫亚.颗粒流(PFC2D/3D)数值模拟技巧与实践[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

华北科技学院科技基金项目(编号3142017041)

张红(1988.09-)，女，硕士研究生，华北科技学院，研究方向岩土工程-尾矿库边坡稳定。