拉拉铜矿排土场稳定性的RFPA数值模拟

陈星明，张乐健，王 丽

（1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳 621010；3.凉山矿山股份有限公司拉拉公司，四川 凉山 615141）

露天矿山在开采矿石过程中会产生大量剥离表土和废石，形成了巨大的排土场［1］。由于是裸露式露天堆放，占地面积特别大，带来很多安全问题和环境问题。一是排土场废石在很长时间内无法泥化或土化，无法自然恢复生态，如果不治理 则是一个长期的水土流失源；二是排土场边坡稳定性较差，汛期经常发生滑坡、泥石流等崩滑流地质灾害，对附近生产生活设施及相应的构筑物等造成威胁，影响矿山安全生产。因此，对排土场实施矿山地质环境治理恢和工程稳定性研究及其治理复有着非常重要的意义［2］。

拉拉铜矿排土场经过建矿50多年来的排土，已形成了单台阶的高边坡排土场。目前堆置高度达到了近300m，堆置的边坡角达到50多度，其总堆置高度和最终边坡角大大大于排土场设计规范要求的堆置高度和岩土自然安息角，并且排土场下部区域是河流，存在严重的滑坡（或甚至泥石流）潜在危险。矿山排土场已成为该矿山一个巨大的危险源，在生产过程中常发生失稳现象，对其进行工程稳定性研究具有重要的实际意义。

目前，在计算机和计算方法不断发展的背景下，以有限元为代表的数值分析方法在20世纪70年代已逐步在岩土工程中推广应用，并发展成为一种强有力的计算分析工具，可以得出边坡应力、位移，并且能够模拟边坡的渐进破坏过程，同时提供应力、应变和位移等力与变形的信息［3］。本文通过应用RFPA（Realistic Failure Process Analysis，真实破坏过程分析）软件对拉拉铜矿现有排土场和按相关规范设计的规范排土场进行工程稳定性数值模拟计算。模拟结果表明，拉拉铜矿高陡排土场的稳定性不容乐观，有待进行相关的工程治理。

1 RFPA功能简介

RFPA（真实破坏过程分析系统）是将细观力学方法与数值计算方法有机地结合起来，通过考虑非均匀性特点研究岩石、混凝土等准脆性材料的非线性力学行为，是一种运用连续介质力学方法解决非连续介质力学力学问题的新型数值分析方法，为岩石、混凝土等准脆性材料的非线性力学响应和破坏过程的分析的分析与模拟提供了非常有用的和方便的工具［4］。RFPA系统的基本思路［5］是：①将岩石、混凝土等准脆性介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型；②假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律，由此建立细观与宏观介质力学性能的联系；③引入适当的基元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应变状态；④引入适当的基元破坏准则（相变准则）和损伤规律，分析基元的力学性质演化即相变状态；⑤相变基元的力学性质随演化的发展是不可逆的；⑥基元相变前后均为线弹性体。

RFPA软件系统具有以下功能：①模拟岩石、混凝土等准脆性介质的破裂过程，特别适宜于研究由局部破坏过程引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响；②模拟岩石、混凝土等准脆性介质破裂过程的声发射规律，从而研究岩石、混凝土等准脆性介质破裂过程的声发射频度与震级关系以及岩石失稳破坏的前兆特征；③通过嵌入的Weibull分布、正态分布等各种统计分布函数，考虑材料力学参数（强度、弹模等）的非均匀性分布特征，从而可以从本质上研究岩石、混凝土等准脆性介质变形的非线性特征；④可以考虑微观缺陷，也可以考虑节理、裂隙等宏观缺陷；⑤可以模拟加载引起的破裂过程，也可以模拟自重引起的破坏过程。

本文进行排土场稳定性的RFPA模拟计算，把经过压实的排土场考虑为一种均匀性较差的岩土体，不考虑其中的节理和裂隙。

2 排土场稳定性RFPA模拟计算

本节进行RFPA试验以模拟拉拉铜矿现有排土场和规范排土场的工程稳定性。假设拉拉铜矿排土场堆置高度为250m，坡面角为50°（单台阶）；根据《有色金属矿山排土场设计规范》［6］将此堆置高度的排土场设计成多台阶排土场，假设为6个台阶，最下一台阶高度为25m，其余各台阶高度为45m，台阶坡面角为42°，最终边坡角为38°。试验中，两排土场岩体的力学参数取值一致，根据王丽［7］所进行的研究，取宏观抗压强度为4.37MPa，弹性模型为0.6GPa，抗压强度和弹性模量的均质度取1.5（由于排土场是岩土压实而成，因此其均质度较低）。试验中均采用平面应变模型，采用RFPA-2D工程版软件，试验中考虑岩体自重条件下的排土场的受力与位移情况，为加速排土场破坏试验过程，在竖直方向加小载荷扰动，加载量为0.005MPa/步，加载总步数50步。两排土场的基本条件及单元划分如图1所示。

观察加载到第50步时，两排土场坡底和边坡面的应力状况和位移情况。图2为加载到第50步时两排土场坡底各单元的应力状态图，图3为加载到第50步时两排土场坡底各单元的位移图；图4为加载到第50步时边坡面各单元状态图，图5为加载到第50步时边坡面各单元的位移图；图6为加载到第50步时两排土场单元破坏状况，图6中暗颜色表示单元已破坏。

图1 两排土场的基本情况及单元划分

图2 两排土场坡底各单元应力分布状态图

图3 两排土场坡底各单元位移图

图4 两排土场边坡面各单元应力状态图

图5 两排土场边坡面各单元位移图

图6 两排土场单元破坏云图

当加载到第50步（即在顶部加载0.25MPa）时，坡底各单元的受力和位移明显不同，表1和表2为此时坡底各单元中最大受力和最大位移情况，可以看出与现有排土场相比，设计的规范排土场单元受力明显低于现有排土场，各单元发生的位移也显著低于现有排土场。

表1 坡底单元最大应力值的分布

表2 坡底单元最大位移值

可以看出，当加载到第50步（即在顶部加载0.25MPa）时，现有排土场和规范排土场的坡面各单元的受力尽管相差不大，但两者之间发生的位移明显不同，表3和表4为两排土场坡面单元中最大的应力分布值和最大位移位移值。

表3 坡面单元最大应力值的分布

表4 坡面单元最大位移值

可以看出，现有排土场坡面的单元破坏比较严重，而规范排土场的单元破坏较小，说明现有排土场目前是不稳定的，与矿山实际情况（现有排土场经常发生滑坡）是一致的，而规范排土场的稳定性较好。

3 结论

本文通过PFPA系统数值模拟了拉拉铜矿现有高陡排土场与按规范设计的规范排土场之间的安全稳定性，试验结果表明，拉拉铜矿现有排土场的稳定性较差，存在一定的安全隐患，矿山方可以将现有排土场治理成多台阶排土方式的规范排土场，这样可以增加排土场的安全稳定性。

同时，通过数值模拟表明，应用RFPA系统可以进行排土场的稳定性研究，可以研究排土场的应力与位移之间的变化情况以及其破坏情况。

［1］陈晓青.金属矿床露天开采［M］.北京：冶金工业出版社，2010.

［2］潘建平，黄润秋，许强.攀枝花露天矿排土场边坡稳定性的三维数值模拟研究［J］.成都理工大学学报，2002，29（3）：329-333.

［3］王东，曹兰柱，翟栋.露天矿高陡边坡稳定性数值模拟［J］.金属矿山，2009（增刊）：120-124.

［4］唐春安，王述红，傅宇方.岩石破裂过程数值模拟［M］.北京：科学出版社，2003.

［5］王丽.拉拉铜矿高陡排土场的稳定性研究［D］.绵阳：西南科技大学，2012.