基于PFC2D的排土场边坡稳定性研究①

贺 超，崔松军，王 亮，许永权，邹 平，王飞飞

（1．北方矿业有限责任公司，北京100053；2．长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙410012）

排土场的稳定性直接影响着矿山的正常生产活动［1－2］。近年来，排土场稳定性研究逐渐受到矿山企业和学者的重视［3－7］。但目前针对排土场可能发生的灾害机理与产生过程研究尚不明晰［8］，排土场边坡破坏机理与灾害形成过程方面的研究亦不多，根据生产需要，行业亟需开展该方面的研究工作以便更好地指导矿山排土场灾害防治工作。目前，离散元方法在矿山领域得到广泛应用［9－10］。为了揭示排土场边坡破坏机理与灾害形成过程，本文以现场调查结果为基础，采用离散元PFC2D建立排土场边坡模型，得到了刚果（金）卡莫亚铜钴矿1＃排土场边坡在自然状态与含水状态下的位移变化情况。研究结果可为同类型排土场安全稳定性分析提供参考。

1 排土场概况

1．1 地层与构造

卡莫亚铜钴矿区位于赞比亚-刚果（金）铜矿带（又称“中非铜钴成矿带”）的北西段，属非洲中部卢菲利弧形构造带外部褶皱推覆带的一部分，区域地层构造展布以北西向为主。

1．2 工程地质情况

矿区地表90%以上被第四系松散堆积物所覆盖。

1）第四系人工堆积和残坡堆积。人工堆积物主要为矿区内的工程和采矿废弃尾矿堆积物，结构松散、岩层稳定性差；在地下水和其他外来因素作用下，极易形成滑动和坍塌。第四系残坡积堆积物的岩性和成分与山坡上的基岩岩性和残坡积发育程度相关，一般堆积物无规则，结构松散，岩层稳定性差，在降水和其他外来因素作用下极易滑动和坍塌。

2）第四系分布区。该层分布广泛、稳定，一般不易产生不良工程地质问题，较适宜作为一般性建筑物的基础。

3）基岩分布区。基岩为白云岩类为主的碳酸盐岩，局部夹有软弱夹层和构造破碎带。1＃排土场布置在主矿体附近，主矿体内岩石风化强烈，风化带深；构造破碎带和软弱层发育，岩石工程地质力学条件极劣。

1．3 排土场现状

1＃排土场场址为刚果（金）卡莫亚铜钴矿南Ⅱ矿体和东Ⅱ矿体露天境界中部山沟，主要承担南Ⅱ矿体和东Ⅱ矿体露天境界采出的废石排弃任务。排土场占地面积约60万平方米，堆置标高1 415．00～1 515．00 m，最高堆高100 m，分层堆置，设计总库容大于3 000万立方米。废石采用自卸汽车运输，推土机辅助作业方式。排废采用逆排工艺，分别从东、西两侧往中间推进排土。单台阶高20 m，安全平台宽20 m，台阶边坡为1∶1．5，最终边坡角小于22°。

目前排土场主要堆放的是南Ⅱ采场剥离废石，以及1 445 m平台的少量东Ⅱ采场剥离废石，已形成了1 515 m、1 495 m、1 475 m、1 445 m等几个排土平台。目前1 515 m平台（目前最高）正处于排废作业，其余平台未作业。从排土场踏勘结果看，排土场整体稳定。

1．4 岩土体力学参数

经室内试验得到排土场岩土体力学参数见表1。

表1 排土场边坡岩土体力学参数

2 数值模拟

2．1 颗粒流细观参数确定

对强风化岩石和中风化岩石单轴压缩试验和直接拉伸试验进行数值模拟，对5种岩石进行直接剪切试验，得出细观参数见表2。

表2 颗粒细观参数

2．2 排土场边坡模型建立

对卡莫亚铜钴矿1＃排土场优化后的边坡剖面数值分析模型进行建模，根据卡莫亚排土场边坡地质情况，在排土场现状图中对排土场选出5个代表剖面，分别为1-1、2-2、3-3、4-4、5-5剖面，分布在排土场四周，排土场剖面上部为排土场的散体物料，下部为基岩体。剖面位置如图1所示。

图1 排土场边坡稳定性分析剖面位置

由于PFC软件内部程序语言及命令较适合于建立室内试验尺寸大小及形状的模型，对于边坡剖面这种大型及复杂边界形状模型，单纯使用软件自带的命令流和编程语言进行建模较为困难、繁琐，工作量大，花费时间长。随着计算机软件发展，PFC建模能够借助AutoCAD软件的帮助，在AutoCAD中完成模型边界的绘制，再将其导入到PFC中，根据绘制好的图形，生成相应的模型及单元［11－12］。建立的1-1边坡模型如图2所示。

图2 剖面1-1边坡模型

2．3 结果分析

采用PFC2D数值分析方法对优化后的卡莫亚1＃排土场稳定性状态进行研究，依据数值模拟计算结果分析目前矿区排土场边坡剖面稳定性，以及模拟研究排土场体内的应力、位移的分布状态。5个剖面在自然状态和含水状态下的总位移分别如图3和图4所示。

由图3可知，排土场边坡发生移动，边坡坡顶明显出现下沉，坡底出现挤压变形，具有加速增大的趋势，说明坡底出现一定程度的滑动，边坡处于不稳定状态，并有可能发生滑坡灾害，需要采取措施防范灾害发生。

图3 自然状态下的边坡位移云图

剖面1-1和2-2边坡位移发生机理一致，均在排土场坡顶发生较大变形，坡脚处产生的位移相对较小，主要是因为剖面1-1与2-2处的基底层内部的倾角逆向排土场整体边坡角，有利于排土场整体的稳定性。

剖面3-3、4-4与5-5边坡位移发生机理一致，在坡脚均产生了较大位移，不利于排土场的整体稳定性，边坡易发生滑坡、垮塌，在强降雨条件下易发生泥石流灾害。可见排土场基底层设计对排土场稳定性有一定影响。

由图4可知，含水条件下，即降雨时，5个剖面的排土场边坡产生较大位移，边坡滑动模式为“圆弧型滑动”。

图4 含水状态下的边坡位移云图

对比图4与图3可知，含水状态下排土场边坡变形量大于自然状态，主要是水分弱化了排土场强度，导致其易发生变形。含水状态下，剖面3-3与4-4中的边坡变形具有分层现象，不同岩层变形差异较大，主要原因是不同岩层渗透系数有差异，不同岩体受水的影响程度亦不同。

图4中，5个剖面在坡脚分别产生40 m、30 m、70 m、55 m和70 m滑移。排土场边坡坡顶下沉量较大，坡底挤压变形较为明显，说明坡体处于滑动状态，继续发展可能会发生滑坡。

3 结 论

依托卡莫亚铜钴矿1＃排土场边坡，采用离散元PFC2D数值分析软件建立了排土场边坡模型，并对排土场边坡进行了稳定性数值模拟研究。得到了排土场边坡在自然与含水状态下的颗粒位移变化云图：

1）自然状态下，排土场剖面1-1和2-2均为稳定状态；剖面3-3、4-4和5-5稳定性较差，由于岩层关系，边坡容易顺着岩层发生滑坡。

2）含水状态下，5个边坡剖面均不稳定。可以看出含水状态下边坡强度较小，降水时易发生滑坡灾害。

3）排土场整体破坏滑面形状为近圆弧型，因此边坡滑动模式为“圆弧型滑动”。