一種尾礦庫在地震作用下穩定性的分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種尾礦庫在地震作用下穩定性的分析方法，其特征在于使用PFC3D對基巖、初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分進行模擬，為表現巖石連續特性基巖顆粒使用接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond)，其余四部分為松散體主要使用接觸連接,在地震動峰值加速度分別為0.1g、0.2g、0.4g、0.6g的震動波作用下，模擬了20s內尾礦庫內顆粒運動變形及其邊坡滑落情況，其包括如下步驟：實地調查整理尾礦庫參數，使用PFC3D建立地應力初始模型，設定初始條件，施加地震波，得到尾礦庫的穩定性，本發明適用于尾礦庫在地震情況下的動力分析。
【專利說明】一種尾礦庫在地震作用下穩定性的分析方法
【技術領域】
[0001]本發勒費及尾礦庫穩定性分析，特別是涉及使用PFC3D對尾礦庫在地震作用下進行的穩定性分析。
【背景技術】
[0002]我國礦山行業每年產生尾礦約6億噸，保有尾礦庫12000?15000座，居世界之最。尾礦庫是一種具有高勢能的人造泥石流危險源，一旦發生滑坡、潰壩等事故，后果不堪設想。特別是在地震等動力作用下，由于初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂中有相當部分是松散顆粒組成的，在震動過程中不承受拉力，位移較大，甚至使尾礦庫邊坡出現滑坡現象。因此，積極開展尾礦庫壩體內部動力穩定性研究，提高工程實踐活動的科學性，對于保障庫區人民群眾生命財產安全，促進礦山行業平穩、連接康、可持續發展具有重要意義。
[0003]PFC3D是Itasca公司2008年發布的一款高端產品，特別適合于復雜機理性問題研究。它是利用顯式差分算法和離散元理論開發的微/細觀力學程序，它是從介質的基本粒子結構的角度考慮介質的基本力學特性，并認為給定介質在不同應力條件下的基本特性主要取決于粒子之間接觸狀態的變化，適用研究粒狀集合體的破裂和破裂發展問題、以及顆粒的流動等大位移直問題。在巖土體工程中可以用來研究結構開裂、堆石材料特性和穩定性、礦山崩落開采、邊坡解體、爆破沖擊等一系列傳統數值方法難以解決的問題。
[0004]I顆粒流的基本理論
顆粒流理論是通過離散單元法來模擬圓形顆粒介質的運動及顆粒間的相互作用，允許離散的顆粒單元發生平移和旋轉，可以彼此分離并且在計算過程中重新構成新的接觸。顆粒流方法中顆粒單元的直徑可以是一定的，也可按高斯分布規律分布，可以通過調整顆粒單元直徑調節孔隙率。它以牛頓第二定律和力-位移定律為基礎，對模型顆粒進行循環計算，采用顯式時步循環運算規則。根據牛頓第二定律確定每個顆粒由于接觸力或體積力引起的顆粒運動(位置和速度)，力-位移定律是根據2個實體(顆粒與顆粒或顆粒與墻體)的相對運動，計算彼此的接觸力。
[0005]顆粒流理論基于以下假設:
1)顆粒單元為剛性體；
2)接觸發生在很小的范圍內，即點接觸；
3)接觸特性為柔性接觸，接觸處允許有一定的“重疊”量；
4)“重疊”量的大小與接觸力有關，與顆粒大小相比，“重疊”量很小；
5)接觸處有特殊的連接強度；
6)顆粒單元為圓盤形.顆粒流理論的接觸本構模型包括接觸剛度模型、庫侖滑塊模型和連接模型。其中，接觸剛度模型分為
線彈性模型和非線形Hertz-Mindlin模型；連接模型分為接觸連接模型和并行連接模型，接觸連接模型僅能傳遞作用力，并行連接模型可以承受作用力和力矩。
[0006]離散體和連續體主要的區別在于，離散體之間可以承受壓力，但基本不承受拉力，也不能承受力矩；連續體可以承受壓力、拉力和力矩。使用PFC3D中接觸連接模型和并行連接模型可以滿足對連續體和非連續體混合共存條件下的模擬，只是參數設置不同，所以采用表現為連續體的基巖顆粒使用接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond),表現為松散體的初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂四部分主要使用接觸連接。
[0007]2.PFC3D模型構建流程
尾礦庫的模型建立使用通常的PFC3D的建模步驟，根據PFC3D用戶手冊PROBLEMSOLVING WITH PFC3d中的介紹，巖土問題數值分析的一般步驟如圖1所示。
[0008]對于任意建模過程，具體來說包括:顆粒的生成、邊界條件和初始條件的設置、選擇接觸模型和材料屬性、加載，解算和模型修改、結果分析。國內對于PFC3D建模研究不多，建立尾礦庫模型的顆粒流實際模型步驟，如圖2所示。
【發明內容】
[0009]使用PFC3D對基巖、初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分進行模擬，為表現巖石連續特性基巖顆粒使用接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond),其余四部分為松散體主要使用接觸連接。在地震動峰值加速度分別為0.lg、0.2g、0.4g、0.6g的震動波作用下，模擬了 20s內尾礦庫內顆粒運動變形及其邊坡滑落情況。
[0010]1.構建了特定參數條件下的尾礦庫模型。
[0011]表1各層力學參數取值
【權利要求】
1.一種尾礦庫在地震作用下穩定性的分析方法，差藍遼述U吏用PFC3D對基巖、初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂部分進行模擬，為表現巖石連續特性基巖顆粒使用接觸連接(Contact-Bond)和平行連接(Parallel-Bond),其余四部分為松散體主要使用接觸連接，在地震動峰值加速度分別為0.lg、0.2g、0.4g、0.6g的震動波作用下，模擬了 20s內尾礦庫內顆粒運動變形及其邊坡滑落情況；其包蕾勿70步:實地調查整理尾礦庫參數，使用PFC3D建立地應力初始模型，設定初始條件，施加地震波，得到尾礦庫的穩定性，基發巡適用于尾礦庫在地震情況下的動力分析。
2.根據權利要求1所述的尾礦庫，其特征在于，其組成為基巖、初期壩、尾粘土、尾粉土、尾粉砂，并使用PFC3D在特定參數下進行建模。
3.根據權利要求2所述的特定參數，其特征在于，參數包括:密度、最小粒徑、最大粒徑、接觸模量、法向剛度、切向剛度、摩擦系數、粘結法向強度、粘結切向強度、內鎖應力、孔隙率、阻尼。
4.根據權利要求2所述的基巖特定參數，其特征在于，編號為I的基巖對應于權利要求3 的參數值分別是 2700、0.2,0.4、4el0、8el0、4el0、0.5、3e8、3e8、le3、0.1、0.3，編號為 3 的基巖對應于權利要求3的參數值分別是2700,0.25,0.45、4el0、8el0、4el0、0.5、3e8、3e8、le2、0.15、0.3。
5.根據權利要求2所述的初期壩特定參數，其特征在于，對應于權利要求3的參數值分別是 2100,0.11,0.22、7e6、l.4e7、7e6、0.4、1.5e5、l.5e5、le3、0.15,0.21。
6.根據權利要求2所述的尾粘土特定參數，其特征在于，對應于權利要求3的參數值分別是 1850.0,0.094,0.1880,9.1e6、l.82e7、9.1e6、0.12、5e4、5e4、le3、0.05,0.15。
7.根據權利要求2所述的尾粉土特定參數，其特征在于，對應于權利要求3的參數值分別是 2050,0.097,0.1940,3.9e6、7.8e6、3.9e6、0.3、1.10e5、l.10e5、le3、0.1、0.17。
8.根據權利要求1所述的地震動，其特征在于，imm浪]0.1g、0.2g、0.4g、0.6g，頻率為5Hz，震動時間為20s, 1-1Os為加速度增加階段，10_15s為峰值階段，15-20s為加速度減小階段，使用FISH函數構造正弦波速度時間曲線且作用在基巖顆粒上進行地震模擬。
9.根據權利要求1所述的穩定性的分析，其特征在于，以震動時間T和震動加速度a作為尾礦庫振動穩定性的控制參數，以尾礦庫內顆粒位移矢量作為判斷穩定性的參數。
【文檔編號】G06F17/50GK103530465SQ201310490213
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】赫飛, 趙東洋, 崔鐵軍, 吳迪 申請人:遼寧工程技術大學