CN103530465A

CN103530465A - 一种尾矿库在地震作用下稳定性的分析方法

Info

Publication number: CN103530465A
Application number: CN201310490213.2A
Authority: CN
Inventors: 赫飞; 赵东洋; 崔铁军; 吴迪
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明公开了一种尾矿库在地震作用下稳定性的分析方法，其特征在于使用PFC3D对基岩、初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分进行模拟，为表现岩石连续特性基岩颗粒使用接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)，其余四部分为松散体主要使用接触连接,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内尾矿库内颗粒运动变形及其边坡滑落情况，其包括如下步骤：实地调查整理尾矿库参数，使用PFC3D建立地应力初始模型，设定初始条件，施加地震波，得到尾矿库的稳定性，本发明适用于尾矿库在地震情况下的动力分析。

Description

一种尾矿库在地震作用下稳定性的分析方法

技术领域

本发明涉及 尾矿库稳定性分析，特别是涉及使用PFC3D对尾矿库在地震作用下进行的稳定性分析。

背景技术

我国矿山行业每年产生尾矿约６亿吨，保有尾矿库12000～15000座，居世界之最。尾矿库是一种具有高势能的人造泥石流危险源，一旦发生滑坡、溃坝等事故，后果不堪设想。特别是在地震等动力作用下，由于初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂中有相当部分是松散颗粒组成的，在震动过程中不承受拉力，位移较大，甚至使尾矿库边坡出现滑坡现象。因此，积极开展尾矿库坝体内部动力稳定性研究，提高工程实践活动的科学性，对于保障库区人民群众生命财产安全，促进矿山行业平稳、连接康、可持续发展具有重要意义。

PFC3D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。

1 颗粒流的基本理论

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，所以采用表现为连续体的基岩颗粒使用接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)，表现为松散体的初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂四部分主要使用接触连接。

2. PFC3D模型构建流程

尾矿库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。

发明内容

使用PFC3D对基岩、初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分进行模拟，为表现岩石连续特性基岩颗粒使用接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)，其余四部分为松散体主要使用接触连接。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内尾矿库内颗粒运动变形及其边坡滑落情况。

1. 构建了特定参数条件下的尾矿库模型。

表1各层力学参数取值

编号	成分	密度	最小粒径	最大粒径	接触模量	法向刚度	切向刚度	摩擦系数	粘结法向强度	粘结切向强度	内锁应力	孔隙率	阻尼
														6	尾粉砂	2020	0.1	0.2	1.0e7	2.0e7	1.0e7	0.4				0.16	0.19
5	尾粉土	2050	0.097	0.1940	3.9e6	7.8e6	3.9e6	0.3	1.10e5	1.10e5	1e3	0.1	0.17
														4	尾粘土	1850.0	0.094	0.1880	9.1e6	1.82e7	9.1e6	0.12	5e4	5e4	1e3	0.05	0.15
3	基岩	2700	0.25	0.45	4e10	8e10	4e10	0.5	3e8	3e8	1e2	0.15	0.3
														2	初期坝	2100	0.11	0.22	7e6	1.4e7	7e6	0.4	1.5e5	1.5e5	1e3	0.15	0.21
1	基岩	2700	0.2	0.4	4e10	8e10	4e10	0.5	3e8	3e8	1e3	0.1	0.3

2.地震过程施加

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。

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，尾矿库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5所示。

以震动时间T和震动加速度a作为尾矿库振动稳定性的控制参数，以尾矿库内颗粒位移矢量作为判断稳定性的参数。该方法证明了滑落部分都集中在初期坝承受土压力的部分。

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尾矿库模型图。

图4模型标记图。

图5地震波的时程曲线。

图6尾矿库内部结构变形。

图7尾矿库内颗粒位移矢量。

具体实施方式

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出尾矿或工业废渣的场所。尾矿是矿山选矿生产中通过对矿石的破碎、磨细、分选，是有用矿物提取之后剩余的排弃物，一般以矿浆状态排出。

西辛庄尾矿库位于山西省吕梁市孝义市，该尾矿库于1992年投入使用，是山谷型尾矿库，采用上游式筑坝法修筑，初期坝采用岩石风化料和块碎石组合堆砌而成，为透水坝，坝基建于弱透水的碎石混粘性土和微透水的基岩之上。目前，该库西辛庄主坝区坝顶堆积标高已达194.0m，总坝高85.5m，西辛庄尾矿库设计最终堆积坝坝顶标高为280m，最终总坝高171.5m。该尾矿库设计总库容约2亿m³，汇水面积约3km²。

模型中心(0,0,0)点为坝体最高点与竖直向下86m，即与水平基岩的交点。在尾矿坝的左、右和下方延伸，初期坝坝角向左延伸50m(相对中心-270m)，基岩向下延伸10m(-10m)，从堆积坝最高点向右延伸100m。初期坝坝高20m，坝顶宽度为20m，内外坡度分别为1：2.0和1：1.8，坝顶高度为86m，模型总长370m，考虑到计算速度及研究要求模型宽为20m。依据钻孔资料及合理概化得到尾矿坝边坡剖面，对各层材料赋予相应的参数，如表1所示，模型如图3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，水平方向标记间隔20m，H1~H4；竖直方向标记间隔40m，Z1~Z8，如图4所示。

模拟尾矿库内部结构变形结果如图6所示。尾矿库内颗粒位移矢量如图7所示。

图6的对比参考图为图4，图4为震动前的尾矿库内部标记图。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。当a=0.1g时，T=8s时Z4开始位移；T=14s时Z5开始位移；T=20s时Z6开始位移。这说明随着震动的持续进行，颗粒的位移是从坡底向坡顶发展的，当a=0.2g、0.4g、0.6g时出现了相同的现象。

进一步从图的横向看，最先开始的出现结构破坏性位移（标记颗粒开始不连续，向外扩散，定义为结构破坏性位移，同下）的不是初期坝，而是被初期坝挡住的尾粉砂部分颗粒。随着震动时间的发展初期坝开始破坏，最后才引起了尾粉砂边坡的整体下滑破坏。从图的纵向看随着加速度的增加，破坏顺序也是初期坝背侧尾粉砂部分到初期坝到尾粉砂边坡的整体下滑。

在各加速度影响下，计算到20s时尾矿库发生位移的颗粒都集中在初期坝承受土压力的部分，即图3中黄线区域内的部分（下文称为“下滑区”）。图6中随着震动时间增加，初期坝背侧边坡Z3对应位置先出现了凹陷，Z2~Z3范围内边坡趋近水平，由于惯性和重力的作用使初期坝承受了来自背侧更多颗粒产生的更大土压力。初期坝随后开始破坏性变形，这导致了其背侧更大范围内的尾粉砂区域颗粒的位移，进而再次加大对初期坝的土压力。初期坝的变形过程是加速的，开始于出现凹陷，停止于下滑区完全破坏。所以造成了上述尾矿库破坏过程的顺序。

但是震动不会使尾矿库完全破坏（在不考虑水和渗流的情况下），震动过程中除初期坝破坏外，主要产生位移颗粒部分为图3中下滑区。在实验的时间和加速度范围内没有产生破坏性的结构位移，如图7所示为T=20s时各加速度下的颗粒位移情况。

图7中标示了最大位移，该位移是指的是由于颗粒沿边坡滚落产生的，所以数值较大。这里给出各图的最大位移是为了对比位移矢量的大小，各图中最长的位移矢量即为该值。从图中可以看出无论是在哪种状态下，大位移矢量基本集中在图3的下滑区，这也证明了上述关于尾矿库在地震作用下除初期坝破坏外，主要的结构性破坏发生在初期坝承受土压力区域（下滑区）的结论，及尾矿库破坏过程的结论是正确的。

Claims

1.一种尾矿库在地震作用下稳定性的分析方法， 其特征在于， 使用PFC3D对基岩、初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分进行模拟，为表现岩石连续特性基岩颗粒使用接触连接(Contact-Bond)和平行连接(Parallel-Bond)，其余四部分为松散体主要使用接触连接,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内尾矿库内颗粒运动变形及其边坡滑落情况; 其包括如下步骤： 实地调查整理尾矿库参数，使用PFC3D建立地应力初始模型，设定初始条件，施加地震波，得到尾矿库的稳定性， 本发明 适用于尾矿库在地震情况下的动力分析。

2. 根据权利要求1所述的尾矿库，其特征在于， 其组成为基岩、初期坝、尾粘土、尾粉土、尾粉砂，并使用PFC3D在特定参数下进行建模。

3. 根据权利要求2所述的特定参数，其特征在于， 参数包括：密度、最小粒径、最大粒径、接触模量、法向刚度、切向刚度、摩擦系数、粘结法向强度、粘结切向强度、内锁应力、孔隙率、阻尼。

4. 根据权利要求2所述的基岩特定参数，其特征在于， 编号为1的基岩对应于权利要求3的参数值分别是2700、0.2、0.4、4e10、8e10、4e10、0.5、3e8、3e8、1e3、0.1、0.3，编号为3的基岩对应于权利要求3的参数值分别是2700、0.25、0.45、4e10、8e10、4e10、0.5、3e8、3e8、1e2、0.15、0.3。

5. 根据权利要求2所述的初期坝特定参数，其特征在于， 对应于权利要求3的参数值分别是2100、0.11、0.22、7e6、1.4e7、7e6、0.4、1.5e5、1.5e5、1e3、0.15、0.21。

6. 根据权利要求2所述的尾粘土特定参数，其特征在于， 对应于权利要求3的参数值分别是1850.0、0.094、0.1880、9.1e6、1.82e7、9.1e6、0.12、5e4、5e4、1e3、0.05、0.15。

7. 根据权利要求2所述的尾粉土特定参数，其特征在于， 对应于权利要求3的参数值分别是2050、0.097、0.1940、3.9e6、7.8e6、3.9e6、0.3、1.10e5、1.10e5、1e3、0.1、0.17。

8. 根据权利要求1所述的地震动，其特征在于， 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，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。

9. 根据权利要求1所述的稳定性的分析，其特征在于， 以震动时间T和震动加速度a作为尾矿库振动稳定性的控制参数，以尾矿库内颗粒位移矢量作为判断稳定性的参数。