賀 超，崔松軍，王 亮，許永權(quán)，鄒 平，王飛飛

（1．北方礦業(yè)有限責(zé)任公司，北京100053；2．長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410012）

排土場(chǎng)的穩(wěn)定性直接影響著礦山的正常生產(chǎn)活動(dòng)［1－2］。近年來，排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究逐漸受到礦山企業(yè)和學(xué)者的重視［3－7］。但目前針對(duì)排土場(chǎng)可能發(fā)生的災(zāi)害機(jī)理與產(chǎn)生過程研究尚不明晰［8］，排土場(chǎng)邊坡破壞機(jī)理與災(zāi)害形成過程方面的研究亦不多，根據(jù)生產(chǎn)需要，行業(yè)亟需開展該方面的研究工作以便更好地指導(dǎo)礦山排土場(chǎng)災(zāi)害防治工作。目前，離散元方法在礦山領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［9－10］。為了揭示排土場(chǎng)邊坡破壞機(jī)理與災(zāi)害形成過程，本文以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，采用離散元PFC2D建立排土場(chǎng)邊坡模型，得到了剛果（金）卡莫亞銅鈷礦1＃排土場(chǎng)邊坡在自然狀態(tài)與含水狀態(tài)下的位移變化情況。研究結(jié)果可為同類型排土場(chǎng)安全穩(wěn)定性分析提供參考。

1 排土場(chǎng)概況

1．1 地層與構(gòu)造

卡莫亞銅鈷礦區(qū)位于贊比亞-剛果（金）銅礦帶（又稱“中非銅鈷成礦帶”）的北西段，屬非洲中部盧菲利弧形構(gòu)造帶外部褶皺推覆帶的一部分，區(qū)域地層構(gòu)造展布以北西向?yàn)橹鳌?/p>

1．2 工程地質(zhì)情況

礦區(qū)地表90%以上被第四系松散堆積物所覆蓋。

1）第四系人工堆積和殘坡堆積。人工堆積物主要為礦區(qū)內(nèi)的工程和采礦廢棄尾礦堆積物，結(jié)構(gòu)松散、巖層穩(wěn)定性差；在地下水和其他外來因素作用下，極易形成滑動(dòng)和坍塌。第四系殘坡積堆積物的巖性和成分與山坡上的基巖巖性和殘坡積發(fā)育程度相關(guān)，一般堆積物無規(guī)則，結(jié)構(gòu)松散，巖層穩(wěn)定性差，在降水和其他外來因素作用下極易滑動(dòng)和坍塌。

2）第四系分布區(qū)。該層分布廣泛、穩(wěn)定，一般不易產(chǎn)生不良工程地質(zhì)問題，較適宜作為一般性建筑物的基礎(chǔ)。

3）基巖分布區(qū)。基巖為白云巖類為主的碳酸鹽巖，局部夾有軟弱夾層和構(gòu)造破碎帶。1＃排土場(chǎng)布置在主礦體附近，主礦體內(nèi)巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，風(fēng)化帶深；構(gòu)造破碎帶和軟弱層發(fā)育，巖石工程地質(zhì)力學(xué)條件極劣。

1．3 排土場(chǎng)現(xiàn)狀

1＃排土場(chǎng)場(chǎng)址為剛果（金）卡莫亞銅鈷礦南Ⅱ礦體和東Ⅱ礦體露天境界中部山溝，主要承擔(dān)南Ⅱ礦體和東Ⅱ礦體露天境界采出的廢石排棄任務(wù)。排土場(chǎng)占地面積約60萬平方米，堆置標(biāo)高1 415．00～1 515．00 m，最高堆高100 m，分層堆置，設(shè)計(jì)總庫容大于3 000萬立方米。廢石采用自卸汽車運(yùn)輸，推土機(jī)輔助作業(yè)方式。排廢采用逆排工藝，分別從東、西兩側(cè)往中間推進(jìn)排土。單臺(tái)階高20 m，安全平臺(tái)寬20 m，臺(tái)階邊坡為1∶1．5，最終邊坡角小于22°。

目前排土場(chǎng)主要堆放的是南Ⅱ采場(chǎng)剝離廢石，以及1 445 m平臺(tái)的少量東Ⅱ采場(chǎng)剝離廢石，已形成了1 515 m、1 495 m、1 475 m、1 445 m等幾個(gè)排土平臺(tái)。目前1 515 m平臺(tái)（目前最高）正處于排廢作業(yè)，其余平臺(tái)未作業(yè)。從排土場(chǎng)踏勘結(jié)果看，排土場(chǎng)整體穩(wěn)定。

1．4 巖土體力學(xué)參數(shù)

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)得到排土場(chǎng)巖土體力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 排土場(chǎng)邊坡巖土體力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬

2．1 顆粒流細(xì)觀參數(shù)確定

對(duì)強(qiáng)風(fēng)化巖石和中風(fēng)化巖石單軸壓縮試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)5種巖石進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，得出細(xì)觀參數(shù)見表2。

表2 顆粒細(xì)觀參數(shù)

2．2 排土場(chǎng)邊坡模型建立

對(duì)卡莫亞銅鈷礦1＃排土場(chǎng)優(yōu)化后的邊坡剖面數(shù)值分析模型進(jìn)行建模，根據(jù)卡莫亞排土場(chǎng)邊坡地質(zhì)情況，在排土場(chǎng)現(xiàn)狀圖中對(duì)排土場(chǎng)選出5個(gè)代表剖面，分別為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5剖面，分布在排土場(chǎng)四周，排土場(chǎng)剖面上部為排土場(chǎng)的散體物料，下部為基巖體。剖面位置如圖1所示。

圖1 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析剖面位置

由于PFC軟件內(nèi)部程序語言及命令較適合于建立室內(nèi)試驗(yàn)尺寸大小及形狀的模型，對(duì)于邊坡剖面這種大型及復(fù)雜邊界形狀模型，單純使用軟件自帶的命令流和編程語言進(jìn)行建模較為困難、繁瑣，工作量大，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)軟件發(fā)展，PFC建模能夠借助AutoCAD軟件的幫助，在AutoCAD中完成模型邊界的繪制，再將其導(dǎo)入到PFC中，根據(jù)繪制好的圖形，生成相應(yīng)的模型及單元［11－12］。建立的1-1邊坡模型如圖2所示。

圖2 剖面1-1邊坡模型

2．3 結(jié)果分析

采用PFC2D數(shù)值分析方法對(duì)優(yōu)化后的卡莫亞1＃排土場(chǎng)穩(wěn)定性狀態(tài)進(jìn)行研究，依據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析目前礦區(qū)排土場(chǎng)邊坡剖面穩(wěn)定性，以及模擬研究排土場(chǎng)體內(nèi)的應(yīng)力、位移的分布狀態(tài)。5個(gè)剖面在自然狀態(tài)和含水狀態(tài)下的總位移分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，排土場(chǎng)邊坡發(fā)生移動(dòng)，邊坡坡頂明顯出現(xiàn)下沉，坡底出現(xiàn)擠壓變形，具有加速增大的趨勢(shì)，說明坡底出現(xiàn)一定程度的滑動(dòng)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并有可能發(fā)生滑坡災(zāi)害，需要采取措施防范災(zāi)害發(fā)生。

圖3 自然狀態(tài)下的邊坡位移云圖

剖面1-1和2-2邊坡位移發(fā)生機(jī)理一致，均在排土場(chǎng)坡頂發(fā)生較大變形，坡腳處產(chǎn)生的位移相對(duì)較小，主要是因?yàn)槠拭?-1與2-2處的基底層內(nèi)部的傾角逆向排土場(chǎng)整體邊坡角，有利于排土場(chǎng)整體的穩(wěn)定性。

剖面3-3、4-4與5-5邊坡位移發(fā)生機(jī)理一致，在坡腳均產(chǎn)生了較大位移，不利于排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定性，邊坡易發(fā)生滑坡、垮塌，在強(qiáng)降雨條件下易發(fā)生泥石流災(zāi)害?？梢娕磐翀?chǎng)基底層設(shè)計(jì)對(duì)排土場(chǎng)穩(wěn)定性有一定影響。

由圖4可知，含水條件下，即降雨時(shí)，5個(gè)剖面的排土場(chǎng)邊坡產(chǎn)生較大位移，邊坡滑動(dòng)模式為“圓弧型滑動(dòng)”。

圖4 含水狀態(tài)下的邊坡位移云圖

對(duì)比圖4與圖3可知，含水狀態(tài)下排土場(chǎng)邊坡變形量大于自然狀態(tài)，主要是水分弱化了排土場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致其易發(fā)生變形。含水狀態(tài)下，剖面3-3與4-4中的邊坡變形具有分層現(xiàn)象，不同巖層變形差異較大，主要原因是不同巖層滲透系數(shù)有差異，不同巖體受水的影響程度亦不同。

圖4中，5個(gè)剖面在坡腳分別產(chǎn)生40 m、30 m、70 m、55 m和70 m滑移。排土場(chǎng)邊坡坡頂下沉量較大，坡底擠壓變形較為明顯，說明坡體處于滑動(dòng)狀態(tài)，繼續(xù)發(fā)展可能會(huì)發(fā)生滑坡。

3 結(jié) 論

依托卡莫亞銅鈷礦1＃排土場(chǎng)邊坡，采用離散元PFC2D數(shù)值分析軟件建立了排土場(chǎng)邊坡模型，并對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究。得到了排土場(chǎng)邊坡在自然與含水狀態(tài)下的顆粒位移變化云圖：

1）自然狀態(tài)下，排土場(chǎng)剖面1-1和2-2均為穩(wěn)定狀態(tài)；剖面3-3、4-4和5-5穩(wěn)定性較差，由于巖層關(guān)系，邊坡容易順著巖層發(fā)生滑坡。

2）含水狀態(tài)下，5個(gè)邊坡剖面均不穩(wěn)定。可以看出含水狀態(tài)下邊坡強(qiáng)度較小，降水時(shí)易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

3）排土場(chǎng)整體破壞滑面形狀為近圓弧型，因此邊坡滑動(dòng)模式為“圓弧型滑動(dòng)”。