一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法
【專利摘要】一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法，屬采礦安全工程【技術(shù)領(lǐng)域】。采用PFC3D建模，按照以下步驟進(jìn)行：（1）顆粒半徑的確定，（2）模型邊界的確定，（3）平行不整合的構(gòu)建，（4）邊坡模型構(gòu)建，（5）地震的施加，（6）模擬結(jié)果分析，模擬過程中露天礦邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形和露天礦邊坡內(nèi)顆粒位移矢量。本發(fā)明可用于在不同地震加速度情況下，邊坡內(nèi)各部分巖體變形和穩(wěn)定性的確定。
【專利說明】一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及采礦安全工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]露天礦邊坡有著其自身特點(diǎn)使其與一般自然形成邊坡有一定的區(qū)別。露天礦邊坡自由面原本在自然狀態(tài)下是在地表以下的，但是由于人工開采使其暴露于外界環(huán)境中，自由面上不會形成殘積土層，且由于采動作用一般以碎石堆積為主；自然邊坡常因造山運(yùn)動而形成，依附山體，邊坡構(gòu)造面向地下延伸方向常有斷層存在，而露天礦邊坡為人工開采，自由面并不延伸至地表下，邊坡下基巖仍是完整的(依原地質(zhì)條件而定)；自然邊坡往往較高，如汶川5.12大地震觸發(fā)了大量的邊坡崩滑，但露天礦邊坡一般只有IOOm至300m比自然邊坡小得多；自然邊坡多數(shù)處于山區(qū)，失穩(wěn)造成損失較小，露天礦邊坡在人機(jī)作業(yè)范圍內(nèi)，一旦失穩(wěn)后果嚴(yán)重。所以應(yīng)針對露天礦邊坡的自由面附近存在碎石，不同巖層接觸面的平行不整合，及復(fù)雜巖體構(gòu)造進(jìn)行有針對性的研究，保證人機(jī)安全。
[0003]目前對于邊坡在地震情況下的穩(wěn)定性研究較少，對露天礦邊坡地震研究鮮見。實(shí)際上,邊坡自由面一定深度內(nèi)由于采動以形成非連續(xù)介質(zhì)；原地質(zhì)條件也可能是破碎巖體；不同巖層接觸面可能存在平行不整合，考慮到這些因素使用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行這種模擬并不妥當(dāng)。
[0004]PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimensions)是 Itasca 公司 2008 年發(fā)布的一款高端產(chǎn)品，特別適合于復(fù)雜機(jī)理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發(fā)的微/細(xì)觀力學(xué)程序，它是從介質(zhì)的基本粒子結(jié)構(gòu)的角度考慮介質(zhì)的基本力學(xué)特性，并認(rèn)為給定介質(zhì)在不同應(yīng)力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態(tài)的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發(fā)展問題、以及顆粒的流動等大位移直問題。在巖土體工程中可以用來研究結(jié)構(gòu)開裂、堆石材料特性和穩(wěn)定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統(tǒng)數(shù)值方法難以解決的問題。
[0005]顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運(yùn)動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發(fā)生平移和旋轉(zhuǎn)，可以彼此分離并且在計(jì)算過程中重新構(gòu)成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規(guī)律分布，可以通過調(diào)整顆粒單元直徑調(diào)節(jié)孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎(chǔ)，對模型顆粒進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，采用顯式時步循環(huán)運(yùn)算規(guī)則。根據(jù)牛頓第二定律確定每個顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運(yùn)動(位置和速度)，力-位移定律是根據(jù)2個實(shí)體(顆粒與顆?；蝾w粒與墻體)的相對運(yùn)動，計(jì)算彼此的接觸力。
[0006]顆粒流理論基于以下假設(shè):
1)顆粒單元為剛性體；
2)接觸發(fā)生在很小的范圍內(nèi)，即點(diǎn)接觸；
3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；4)“重疊”量的大小與接觸力有關(guān)，與顆粒大小相比，“重疊”量很小；
5)接觸處有特殊的連接強(qiáng)度；
6)顆粒單元為圓盤形.顆粒流理論的接觸本構(gòu)模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。
[0007]離散體和連續(xù)體主要的區(qū)別在于，離散體之間可以承受壓力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；連續(xù)體可以承受壓力、拉力和力矩。使用PFC3D中接觸連接模型和并行連接模型可以滿足對連續(xù)體和非連續(xù)體混合共存條件下的模擬，只是參數(shù)設(shè)置不同，采用不同的接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond)對顆粒進(jìn)行設(shè)置，以模擬砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、砂巖層、煤層、泥巖和砂質(zhì)頁巖不同的拉、壓、剪的性質(zhì)。
[0008]邊坡的模型建立使用通常的PFC3D的建模步驟，根據(jù)PFC3D用戶手冊PROBLEMSOLVING WITH PFC3d中的介紹，巖土問題數(shù)值分析的一般步驟如圖1所示。
[0009]對于任意建模過程，具體來說包括:顆粒的生成、邊界條件和初始條件的設(shè)置、選擇接觸模型和材料屬性、加載，解算和模型修改、結(jié)果分析。國內(nèi)對于PFC3D建模研究不多，建立尾礦庫模型的顆粒流實(shí)際模型步驟，如圖2所示。
[0010]上述研究，并不適應(yīng)露天礦邊坡的特點(diǎn)，而且基本上是通過基于連續(xù)性介質(zhì)條件對邊坡破壞的研究。但實(shí)際上,邊坡自由面一定深度內(nèi)由于采動以形成非連續(xù)介質(zhì)；原地質(zhì)條件也可能是破碎巖體； 不同巖層接觸面可能存在平行不整合，考慮到這些因素使用連續(xù)介質(zhì)理論進(jìn)行這種模擬并不妥當(dāng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對上述問題，本發(fā)明提供一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法，使用PFC3D對傾角約為-15°的砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、砂巖層、煤層及基巖由泥巖和砂質(zhì)頁巖組成的剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；為表現(xiàn)上述不同巖體的拉、壓、剪的性質(zhì)，采用不同的接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond)對顆粒進(jìn)行設(shè)置；同時為表示不同巖層接觸面的平行不整合現(xiàn)象對該面附近顆粒進(jìn)行FISH函數(shù)刪減，從而達(dá)到模擬平行不整合的效果；使用構(gòu)建后模型在地震動峰值加速度分別為0.lg、0.2g、0.4g、0.6g的震動波作用下，模擬了 20s內(nèi)邊坡內(nèi)顆粒運(yùn)動變形及其邊坡滑落情況；在不同地震加速度情況下，邊坡內(nèi)各部分巖體變形和穩(wěn)定性的確定。
[0012]一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法，采用PFC3D建模，按照以下步驟進(jìn)行:
(1)顆粒半徑的確定，將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.8^1.2m的正太分布；煤層顆粒(ball)半徑設(shè)為0.5~lm的正太分布；
(2)模型邊界的確定，考慮到泥巖和砂質(zhì)頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自燃對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面；
(3)平行不整合的構(gòu)建，使用顆粒流的PFC3D進(jìn)行模擬，使用FISH語言，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的不同巖層剖面接觸線的實(shí)際線形對模型接觸面進(jìn)行修正；將實(shí)際線形根據(jù)模型建立的坐標(biāo)系擬合成函數(shù)曲線，遍歷規(guī)定范圍內(nèi)的顆粒(ball)，判斷ball的坐標(biāo)；如果對下層巖體進(jìn)行處理，那么在該曲線下的ball保留，曲線上的巖體進(jìn)行刪除，從而形成平行不整合效果;
(4)邊坡模型構(gòu)建，為了更好的顯示在震動過程中模型內(nèi)部顆粒的運(yùn)動情況，對模型在豎直方向和水平方向進(jìn)行標(biāo)記，水平方向標(biāo)記開始于y=50m，寬度5m，間隔27m，標(biāo)號Hf H4 ；豎直方向標(biāo)記開始于x=-190m,寬度5m,間隔40m, Zl~Z7 ；
(5)地震的施加，假設(shè)基巖及地面以下的巖體是隨著地層一起震動的，是上覆巖層的震動原因，所以將震動波施加于基巖及地面以下的巖體，巖體范圍Ie[-3IObUOOw*1^e[-27wsJ37ws];地震震動波的峰值加速度分別為 0.1g,0.2g、0.4g、
0.6g，頻率為5Hz，震動時間為20s，1-1Os為加速度增加階段，10_15s為峰值階段，15_20s為加速度減小階段；
(6)模擬結(jié)果分析，確定模擬過程中露天礦邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形和露天礦邊坡內(nèi)顆粒位
移矢量。
[0013]由于PFC3D建模的特殊性，結(jié)合實(shí)際觀測邊坡(砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖)自由面裂縫間隔一般在0.Sm到1.2m之間，故將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.8^1.2m的正太分布。煤層根據(jù)實(shí)際調(diào)查的節(jié)理裂隙等特點(diǎn)將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.5~lm的正太分布?？紤]到泥巖和砂質(zhì)頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自然對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面。
[0014]在X方向排列鉆孔巖心取樣發(fā)現(xiàn)砂巖層與砂質(zhì)泥巖層、砂質(zhì)泥巖層與砂巖層之間的接觸面深度大體是線性的，傾角約為-15°，但局部存在平行不整合現(xiàn)象。如基于連續(xù)性介質(zhì)理論軟件模擬，對這種平行不整合的構(gòu)造面實(shí)現(xiàn)比較困難。使用顆粒流的PFC3D進(jìn)行模擬，可以使用FISH語言，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的不同巖層剖面接觸線的實(shí)際線形對模型接觸面進(jìn)行修正。將實(shí)際線形根據(jù)模型建立的坐標(biāo)系擬合成函數(shù)曲線，遍歷規(guī)定范圍內(nèi)的顆粒(ball)，判斷ball的坐標(biāo)。如果對下層巖體進(jìn)行處理，那么在該曲線下的ball保留，曲線上的巖體進(jìn)行刪除，從而形成平行不整合效果，如圖3所示。
[0015]整個模型長(X方向)337m、高(z方向)207m，考慮到主要研究的是邊坡剖面，且只在豎直(z方向)受重力作用及顆粒直徑等因素，確定模型寬(y方向)為2.5m。模型示意如圖4所示。
[0016]為了更好的顯示在震動過程中模型內(nèi)部顆粒的運(yùn)動情況，對模型在豎直方向和水平方向進(jìn)行標(biāo)記，水平方向標(biāo)記開始于y=50m，寬度5m，間隔27m，標(biāo)號Hf H4 ;豎直方向標(biāo)記開始于x=-190m,寬度5m,間隔40m, Zl~Z7，如圖5所示。
[0017]PFC3D可以方便地對墻體施加任意方向的位移和速度，而不能對墻體直接施加加速度，對于地震振動問題一般通過定義墻體或顆粒沿指定方向隨時間變化的速度來解決。根據(jù)PFC3D用戶手冊給出的例子，模擬框架結(jié)構(gòu)的地震震動，是將速度施加在地面顆粒上的。鑒于此，使用FISH函數(shù)構(gòu)造正弦波速度時間曲線且作用在基巖顆粒上進(jìn)行地震模擬。同時考慮到實(shí)際情況，假設(shè)基巖及地面以下的巖體是隨著地層一起震動的，是上覆巖層的震動原因，所以將震動波施加于基巖及地面以下的巖體，巖體范圍
[0018]地震震動波的峰值加速度分別為0.lg、0.2g、0.4g、0.6g，頻率為5Hz，震動時間為20s, 1-1Os為加速度增加`階段，10-15s為峰值階段，15_20s為加速度減小階段，邊坡各部分巖土層的阻尼如表I所示，a=0.2g的地震波時程曲線如圖6所示。
[0019]本發(fā)明使用PFC3D對傾角約為-15°的砂巖層、砂質(zhì)泥巖層、砂巖層、煤層及基巖由泥巖和砂質(zhì)頁巖組成的剖面地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。為表現(xiàn)上述不同巖體的拉、壓、剪的性質(zhì)，采用不同的接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond)對顆粒進(jìn)行設(shè)置。同時為表示不同巖層接觸面的平行不整合現(xiàn)象對該面附近顆粒進(jìn)行FISH函數(shù)刪減，從而達(dá)到模擬平行不整合的效果。本發(fā)明可用于在不同地震加速度情況下，邊坡內(nèi)各部分巖體變形和穩(wěn)定性的確定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1巖土數(shù)值分析的推薦步驟，
圖2顆粒流實(shí)際模型建立的流程圖，
圖3砂質(zhì)泥巖層與砂巖層的接觸面，
圖4模型示意圖，
圖5模型標(biāo)記圖，
圖6地震波的時程曲線，
圖7邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，在模擬過程中由于一些顆粒飛出研究區(qū)域，且為了節(jié)省篇幅，對各種條件下生成的圖像進(jìn)行了處理并合并為一圖，圖中所有子圖的位移度量尺度相同，箭頭的方向表示位移的方向，箭頭的長短表示位移的大小Al。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1
海州露天煤礦，位于阜新車站東南3km處，在阜新市區(qū)南部太平區(qū)境內(nèi)。全礦占地26.82 km2，其中，采場6km2，排土場及排矸廠14.8km2，工業(yè)廣場3.84km2，住宅及生活設(shè)施2.18km2。露天煤田最大范圍為西端最大邊界為W9+50 m，東端最大邊界為E29+50，東西長
3.9km ;南端最大邊界為S5+00m，北端最大邊界為N13+00m，南北寬1.8km。地表海拔標(biāo)高為+165?+200m，平均+175m。地勢東南高，西北低。露天礦設(shè)計(jì)開采深度為350 m。
[0022]某邊坡水平(X方向)長271m,高(z方向)157m,地質(zhì)條件復(fù)雜,從上到下斜向分布著砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、煤層、泥巖和砂質(zhì)頁巖，傾角約為-15°。由于PFC3D建模的特殊性，結(jié)合實(shí)際觀測邊坡(砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖)自由面裂縫間隔一般在0.Sm到1.2m之間，故將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.8?1.2m的正太分布。煤層根據(jù)實(shí)際調(diào)查的節(jié)理裂隙等特點(diǎn)將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.5?lm的正太分布?？紤]到泥巖和砂質(zhì)頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自然對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面。相關(guān)參數(shù)如表I所示。
[0023]表I物理力學(xué)參數(shù)
【權(quán)利要求】
1.一種露天礦邊坡在地震中穩(wěn)定性的分析方法，采用PFC3D建模，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行: (1)顆粒半徑的確定，將顆粒(ball)半徑設(shè)為0.8^1.2m的正太分布；煤層顆粒(ball)半徑設(shè)為0.5~lm的正太分布； (2)模型邊界的確定，考慮到泥巖和砂質(zhì)頁巖在礦場地平面以下，且在煤層以下，煤的自燃對這兩層巖體的影響較小，所以模型的下邊界定為煤層與泥巖的交界面； (3)平行不整合的構(gòu)建，使用顆粒流的PFC3D進(jìn)行模擬，使用FISH語言，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的不同巖層剖面接觸線的實(shí)際線形對模型接觸面進(jìn)行修正；將實(shí)際線形根據(jù)模型建立的坐標(biāo)系擬合成函數(shù)曲線，遍歷規(guī)定范圍內(nèi)的顆粒(ball)，判斷ball的坐標(biāo)；如果對下層巖體進(jìn)行處理，那么在該曲線下的ball保留，曲線上的巖體進(jìn)行刪除，從而形成平行不整合效果; (4)邊坡模型構(gòu)建，為了更好的顯示在震動過程中模型內(nèi)部顆粒的運(yùn)動情況，對模型在豎直方向和水平方向進(jìn)行標(biāo)記，水平方向標(biāo)記開始于y=50m，寬度5m，間隔27m，標(biāo)號Hf H4 ；豎直方向標(biāo)記開始于x=-190m,寬度5m,間隔40m, Zl~Z7 ； (5)地震的施加，假設(shè)基巖及地面以下的巖體是隨著地層一起震動的，是上覆巖層的震動原因，所以將震動波施加于基巖及地面以下的巖體，巖體范圍X[-310mJ00ral,jr?Ξ[ -27--,37?ι?];地震震動波的峰值加速度分別為 0.lg、0.2g、0.4g、.0.6g，頻率為5Hz，震動時間為 20s，1-1Os為加速度增加階段，10_15s為峰值階段，15_20s為加速度減小階段； (6)模擬結(jié)果分析，確定模擬過程中露天礦邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形和露天礦邊坡內(nèi)顆粒位移矢量。
【文檔編號】G01V1/30GK103728664SQ201310726545
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】周玉祥, 李瑩瑩, 崔鐵軍, 宋子嶺, 周玉民, 趙曉亮, 周揚(yáng), 羅根華 申請人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)