拉拉銅礦排土場(chǎng)穩(wěn)定性的RFPA數(shù)值模擬

陳星明，張樂(lè)健，王 麗

（1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2.非煤礦山安全技術(shù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；3.涼山礦山股份有限公司拉拉公司，四川 涼山 615141）

露天礦山在開(kāi)采礦石過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量剝離表土和廢石，形成了巨大的排土場(chǎng)［1］。由于是裸露式露天堆放，占地面積特別大，帶來(lái)很多安全問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。一是排土場(chǎng)廢石在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)無(wú)法泥化或土化，無(wú)法自然恢復(fù)生態(tài)，如果不治理 則是一個(gè)長(zhǎng)期的水土流失源；二是排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性較差，汛期經(jīng)常發(fā)生滑坡、泥石流等崩滑流地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)附近生產(chǎn)生活設(shè)施及相應(yīng)的構(gòu)筑物等造成威脅，影響礦山安全生產(chǎn)。因此，對(duì)排土場(chǎng)實(shí)施礦山地質(zhì)環(huán)境治理恢和工程穩(wěn)定性研究及其治理復(fù)有著非常重要的意義［2］。

拉拉銅礦排土場(chǎng)經(jīng)過(guò)建礦50多年來(lái)的排土，已形成了單臺(tái)階的高邊坡排土場(chǎng)。目前堆置高度達(dá)到了近300m，堆置的邊坡角達(dá)到50多度，其總堆置高度和最終邊坡角大大大于排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的堆置高度和巖土自然安息角，并且排土場(chǎng)下部區(qū)域是河流，存在嚴(yán)重的滑坡（或甚至泥石流）潛在危險(xiǎn)。礦山排土場(chǎng)已成為該礦山一個(gè)巨大的危險(xiǎn)源，在生產(chǎn)過(guò)程中常發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行工程穩(wěn)定性研究具有重要的實(shí)際意義。

目前，在計(jì)算機(jī)和計(jì)算方法不斷發(fā)展的背景下，以有限元為代表的數(shù)值分析方法在20世紀(jì)70年代已逐步在巖土工程中推廣應(yīng)用，并發(fā)展成為一種強(qiáng)有力的計(jì)算分析工具，可以得出邊坡應(yīng)力、位移，并且能夠模擬邊坡的漸進(jìn)破壞過(guò)程，同時(shí)提供應(yīng)力、應(yīng)變和位移等力與變形的信息［3］。本文通過(guò)應(yīng)用RFPA（Realistic Failure Process Analysis，真實(shí)破壞過(guò)程分析）軟件對(duì)拉拉銅礦現(xiàn)有排土場(chǎng)和按相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)的規(guī)范排土場(chǎng)進(jìn)行工程穩(wěn)定性數(shù)值模擬計(jì)算。模擬結(jié)果表明，拉拉銅礦高陡排土場(chǎng)的穩(wěn)定性不容樂(lè)觀，有待進(jìn)行相關(guān)的工程治理。

1 RFPA功能簡(jiǎn)介

RFPA（真實(shí)破壞過(guò)程分析系統(tǒng)）是將細(xì)觀力學(xué)方法與數(shù)值計(jì)算方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，通過(guò)考慮非均勻性特點(diǎn)研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性材料的非線性力學(xué)行為，是一種運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法解決非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)力學(xué)問(wèn)題的新型數(shù)值分析方法，為巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性材料的非線性力學(xué)響應(yīng)和破壞過(guò)程的分析的分析與模擬提供了非常有用的和方便的工具［4］。RFPA系統(tǒng)的基本思路［5］是：①將巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)模型離散化成由細(xì)觀基元組成的數(shù)值模型；②假定離散化后的細(xì)觀基元的力學(xué)性質(zhì)服從某種統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，由此建立細(xì)觀與宏觀介質(zhì)力學(xué)性能的聯(lián)系；③引入適當(dāng)?shù)幕€彈性應(yīng)力、應(yīng)變求解方法，分析模型的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)；④引入適當(dāng)?shù)幕茐臏?zhǔn)則（相變準(zhǔn)則）和損傷規(guī)律，分析基元的力學(xué)性質(zhì)演化即相變狀態(tài)；⑤相變基元的力學(xué)性質(zhì)隨演化的發(fā)展是不可逆的；⑥基元相變前后均為線彈性體。

RFPA軟件系統(tǒng)具有以下功能：①模擬巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)的破裂過(guò)程，特別適宜于研究由局部破壞過(guò)程引起的應(yīng)力重新分布對(duì)進(jìn)一步變形和破壞過(guò)程的影響；②模擬巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)破裂過(guò)程的聲發(fā)射規(guī)律，從而研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)破裂過(guò)程的聲發(fā)射頻度與震級(jí)關(guān)系以及巖石失穩(wěn)破壞的前兆特征；③通過(guò)嵌入的Weibull分布、正態(tài)分布等各種統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，考慮材料力學(xué)參數(shù)（強(qiáng)度、彈模等）的非均勻性分布特征，從而可以從本質(zhì)上研究巖石、混凝土等準(zhǔn)脆性介質(zhì)變形的非線性特征；④可以考慮微觀缺陷，也可以考慮節(jié)理、裂隙等宏觀缺陷；⑤可以模擬加載引起的破裂過(guò)程，也可以模擬自重引起的破壞過(guò)程。

本文進(jìn)行排土場(chǎng)穩(wěn)定性的RFPA模擬計(jì)算，把經(jīng)過(guò)壓實(shí)的排土場(chǎng)考慮為一種均勻性較差的巖土體，不考慮其中的節(jié)理和裂隙。

2 排土場(chǎng)穩(wěn)定性RFPA模擬計(jì)算

本節(jié)進(jìn)行RFPA試驗(yàn)以模擬拉拉銅礦現(xiàn)有排土場(chǎng)和規(guī)范排土場(chǎng)的工程穩(wěn)定性。假設(shè)拉拉銅礦排土場(chǎng)堆置高度為250m，坡面角為50°（單臺(tái)階）；根據(jù)《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］將此堆置高度的排土場(chǎng)設(shè)計(jì)成多臺(tái)階排土場(chǎng)，假設(shè)為6個(gè)臺(tái)階，最下一臺(tái)階高度為25m，其余各臺(tái)階高度為45m，臺(tái)階坡面角為42°，最終邊坡角為38°。試驗(yàn)中，兩排土場(chǎng)巖體的力學(xué)參數(shù)取值一致，根據(jù)王麗［7］所進(jìn)行的研究，取宏觀抗壓強(qiáng)度為4.37MPa，彈性模型為0.6GPa，抗壓強(qiáng)度和彈性模量的均質(zhì)度取1.5（由于排土場(chǎng)是巖土壓實(shí)而成，因此其均質(zhì)度較低）。試驗(yàn)中均采用平面應(yīng)變模型，采用RFPA-2D工程版軟件，試驗(yàn)中考慮巖體自重條件下的排土場(chǎng)的受力與位移情況，為加速排土場(chǎng)破壞試驗(yàn)過(guò)程，在豎直方向加小載荷擾動(dòng)，加載量為0.005MPa/步，加載總步數(shù)50步。兩排土場(chǎng)的基本條件及單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

觀察加載到第50步時(shí)，兩排土場(chǎng)坡底和邊坡面的應(yīng)力狀況和位移情況。圖2為加載到第50步時(shí)兩排土場(chǎng)坡底各單元的應(yīng)力狀態(tài)圖，圖3為加載到第50步時(shí)兩排土場(chǎng)坡底各單元的位移圖；圖4為加載到第50步時(shí)邊坡面各單元狀態(tài)圖，圖5為加載到第50步時(shí)邊坡面各單元的位移圖；圖6為加載到第50步時(shí)兩排土場(chǎng)單元破壞狀況，圖6中暗顏色表示單元已破壞。

圖1 兩排土場(chǎng)的基本情況及單元?jiǎng)澐?/p>

圖2 兩排土場(chǎng)坡底各單元應(yīng)力分布狀態(tài)圖

圖3 兩排土場(chǎng)坡底各單元位移圖

圖4 兩排土場(chǎng)邊坡面各單元應(yīng)力狀態(tài)圖

圖5 兩排土場(chǎng)邊坡面各單元位移圖

圖6 兩排土場(chǎng)單元破壞云圖

當(dāng)加載到第50步（即在頂部加載0.25MPa）時(shí)，坡底各單元的受力和位移明顯不同，表1和表2為此時(shí)坡底各單元中最大受力和最大位移情況，可以看出與現(xiàn)有排土場(chǎng)相比，設(shè)計(jì)的規(guī)范排土場(chǎng)單元受力明顯低于現(xiàn)有排土場(chǎng)，各單元發(fā)生的位移也顯著低于現(xiàn)有排土場(chǎng)。

表1 坡底單元最大應(yīng)力值的分布

表2 坡底單元最大位移值

可以看出，當(dāng)加載到第50步（即在頂部加載0.25MPa）時(shí)，現(xiàn)有排土場(chǎng)和規(guī)范排土場(chǎng)的坡面各單元的受力盡管相差不大，但兩者之間發(fā)生的位移明顯不同，表3和表4為兩排土場(chǎng)坡面單元中最大的應(yīng)力分布值和最大位移位移值。

表3 坡面單元最大應(yīng)力值的分布

表4 坡面單元最大位移值

可以看出，現(xiàn)有排土場(chǎng)坡面的單元破壞比較嚴(yán)重，而規(guī)范排土場(chǎng)的單元破壞較小，說(shuō)明現(xiàn)有排土場(chǎng)目前是不穩(wěn)定的，與礦山實(shí)際情況（現(xiàn)有排土場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生滑坡）是一致的，而規(guī)范排土場(chǎng)的穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

本文通過(guò)PFPA系統(tǒng)數(shù)值模擬了拉拉銅礦現(xiàn)有高陡排土場(chǎng)與按規(guī)范設(shè)計(jì)的規(guī)范排土場(chǎng)之間的安全穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果表明，拉拉銅礦現(xiàn)有排土場(chǎng)的穩(wěn)定性較差，存在一定的安全隱患，礦山方可以將現(xiàn)有排土場(chǎng)治理成多臺(tái)階排土方式的規(guī)范排土場(chǎng)，這樣可以增加排土場(chǎng)的安全穩(wěn)定性。

同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬表明，應(yīng)用RFPA系統(tǒng)可以進(jìn)行排土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究，可以研究排土場(chǎng)的應(yīng)力與位移之間的變化情況以及其破壞情況。

［1］陳曉青.金屬礦床露天開(kāi)采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］潘建平，黃潤(rùn)秋，許強(qiáng).攀枝花露天礦排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的三維數(shù)值模擬研究［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29（3）：329-333.

［3］王東，曹蘭柱，翟棟.露天礦高陡邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬［J］.金屬礦山，2009（增刊）：120-124.

［4］唐春安，王述紅，傅宇方.巖石破裂過(guò)程數(shù)值模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［5］王麗.拉拉銅礦高陡排土場(chǎng)的穩(wěn)定性研究［D］.綿陽(yáng)：西南科技大學(xué)，2012.