石宝铁矿露天边坡稳定性的颗粒流数值模拟

2021-12-17蒲章鹏许洪亮张建勇周颜军叶洪涛

现代矿业 2021年11期

蒲章鹏许洪亮张建勇周颜军于振叶洪涛王振

（1.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司；2.河北省绿色智能矿山工程设计技术创新中心；3.东北大学资源与土木工程学院）

随着露天边坡不断加高加陡，针对露天边坡稳定性开展分析研究已变得越来越重要［1］。边坡稳定性分析的方法较多，以有限元法、离散元法为代表的数值分析方法被广泛使用［2-4］。其中，理想颗粒离散元能够模拟岩土体破坏演化过程，进而研究其破坏的细观机制，更直观地判断模型最容易破坏的部位，具有更广的适用性，实现了边坡局部破坏特征及边坡整体稳定性分析的研究［5-10］。

为研究露天边坡破坏的细观机制，本项目以石宝铁矿为研究对象，首先进行了岩石类型的室内物理力学试验，并构建了符合石宝铁矿露天边坡力学性质的颗粒模型，对边坡从变形到破坏失稳全过程进行模拟，得出边坡破坏过程的应力—应变曲线，研究结论为露天矿山边坡稳定性分析提供可靠依据。

1 工程概况

石宝铁矿位于内蒙古自治区达尔罕茂明安联合旗石宝镇，矿山生产规模为120万t/a，采用露天开采方式，公路—汽车开拓运输方案。矿山1 620 m以上台阶高度为10 m；1 620 m以下台阶高度为12 m，终了境界靠帮时，2个台阶一并段。矿山共形成2个相互独立的露天采场，分别为中东采场和西采场。本研究主要针对中东采场西南边坡稳定性进行分析。

中东采场西南边坡目前出露岩性较为简单，以片岩和磁铁石英岩为主。矿体为稳定层状，走向近南北，矿层倾向为145°～180°，倾角为40°～70°。中东采场的西南边坡整体受褶皱构造影响略小，地表节理产状整体相近，水文地质条件简单。中东采场西南边坡最低开采标高为1 440 m，最高开采标高为1 680 m，共20个台阶。终了时台阶坡面角为65°，安全平台兼清扫平台宽度为12 m，最终边坡角为46°。中东采场西南边坡及主要岩石类型见图1，主要岩石物理力学指标见表1。

2 颗粒流模型细观参数确定

颗粒流模型参数的选取需要依照原位试验及室内试验的结果，本次模拟的中东采场西南边坡岩石类型主要为片岩和磁铁石英岩，对这2种岩石的单轴压缩试验和直接剪切试验进行数值模拟，得到了片岩和磁铁石英岩模型的微观参数见表2。

本次模拟将颗粒半径统一设定为0.5 mm，颗粒密度参考岩石的实际密度，单位为kg/m3。颗粒与颗粒间采用的接触模型为平行黏结模型。

3 边坡数值模型

根据上述数值模型微观参数构建数值模型。数值模型主要由3个墙体构成，上面为自由面。在边坡区域内生成指定孔隙率的密实颗粒；然后，通过编制Fish函数使颗粒得到均匀的初始应力，并对片岩组颗粒与磁铁石英岩组颗粒赋上表2中的微观参数，删除多余的墙体，运行一定的步数使其在重力作用下平衡。在边坡内部设置监测颗粒，监测颗粒位置处的应力。通过采用颗粒流程序对边坡滑坡发生、发展的全过程进行仿真模拟（在1.2倍重力场下进行）。在模拟过程中，对边坡模型坡面上的颗粒进行位移和应力监测，测点布置由高到低进行设置。应力监测中拉应力为正值，压应力为负值。生成边坡初始模型与监测颗粒位置如图2所示。

注：①～⑤为颗粒编号，同时表示颗粒位置。

4 露天边坡模拟结果及稳定性分析

4.1 位移监测结果

采用颗粒流程序对露天边坡发生破坏的全过程进行数值模拟，模型共运行500 000步，选择步骤分别为30 000步、100 000步、200 000步、300 000步、400 000步、500 000步的6次结果作为典型过程来分析，如图3～图8所示。

颗粒在重力作用下向下运动，当30 000步时，1 596和1 572 m台阶的坡顶及坡脚处出现微小的裂隙，随着微裂缝的发生，坡面上裂缝逐渐扩大。在100 000步时，微裂缝加大，在剪应力大于颗粒间的强度时，局部边坡发生剪切破坏，1 596 m台阶边坡顶部岩石开始向下快速滑落，此时，1 572 m台阶因受重压而变形，1 572 m台阶坡脚发生破坏。在200 000步时，破坏的落石沿坡向下滚动，落在1 572 m台阶及1 548 m台阶上，致使1 572 m台阶及1 548 m台阶受到的重力过大，相继破坏，落石堆积在1 524 m台阶上，各台阶剪切带自上而下贯通，最终形成圆弧形滑裂面。在300 000步时，坡顶位置1 660 m台阶发生破坏，由于1 596 m台阶坡脚发生破坏，上部1 620 m台阶岩石受重力而产生滑动，边坡进入加速滑动状态。在400 000步时，上部台阶因受重压而明显变形，边坡进入急剧变形阶段，剪切带自上而贯通，最终形成滑裂面，上部台阶基本破坏。在500 000步时，可以看到坡面上部台阶已经全部破坏，破坏的碎石堆积在1 524 m台阶上。

颗粒位移基本发生在坡面的台阶上，其中坡面颗粒位移最大值为83.15 47 m。边坡内部颗粒并没有发生位移，边坡的坡脚处颗粒也没有发生位移，说明露天边坡总体基本保持稳定。

4.2 应力监测结果

应力监测结果如图9～图13所示，可以看出，各个应力监测颗粒的数值都为负，说明在监测颗粒单位范围内的颗粒在X方向上的正应力为压应力。

从监测颗粒应力变化来看，监测颗粒⑤所受到的影响并不明显。因为颗粒⑤处于坡脚处，且坡脚并未发生较大的颗粒位移，其应力并没有发生很明显的变化。随着坡面台阶的破坏，所受到的压应力逐渐减小。从监测颗粒②的应力变化图可以看出，300 000～400 000步时应力出现较大范围的波动，说明在这期间监测颗粒②附近的颗粒发生破坏。从图5和图6也看出坡顶颗粒发生了破坏。颗粒破坏最先发生在监测颗粒③附近，故监测颗粒③的应力在时步较小时就发生了突然下降，随后由于上部坡顶破坏，破坏的颗粒滚落导致监测颗粒在300 000步时发生较大的应力波动。400 000～500 000步期间应力发生严重波动，说明该监测颗粒附近发生了破坏，从图6和图7中可以看出，在400 000～500 000步时，1 524 m台阶发生破坏。