一種分析爆破作用下臺階邊坡穩(wěn)定性的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于露天礦開采技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分析爆破作用下臺階邊坡穩(wěn)定性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]露天礦的臺階邊坡在爆破振動的反復(fù)作用下將出現(xiàn)材料性能的劣化，進(jìn)而引起邊坡的失穩(wěn)破壞。目前，分析邊坡穩(wěn)定性的方法主要包括極限平衡法及數(shù)值模擬法等兩大類。
[0003]極限平衡法基于剛塑性假設(shè)及一致性運動的假設(shè)，采用單一自由度來表征滑坡體的整體穩(wěn)定性狀態(tài)，因此無法刻畫邊坡的非一致性運動對其穩(wěn)定性的影響。此外，極限平衡法是一種靜態(tài)穩(wěn)定性分析方法，動態(tài)問題需要采用擬靜力法等效后方能進(jìn)行分析，因此無法準(zhǔn)確反映爆破振動對邊坡材料性能的劣化效應(yīng)。
[0004]數(shù)值模擬法包括基于連續(xù)介質(zhì)的方法及基于非連續(xù)介質(zhì)的方法等兩類，與極限平衡法相比，數(shù)值模擬法可以實現(xiàn)爆破對邊坡穩(wěn)定性影響的全過程動態(tài)分析?；谶B續(xù)介質(zhì)的數(shù)值模擬方法包括有限元法、有限體積法、有限差分法等，此類方法通過在微元上引入損傷或塑性本構(gòu)，實現(xiàn)了邊坡?lián)p傷演化及塑性滑移過程的精確模擬，但卻無法準(zhǔn)確刻畫邊坡失穩(wěn)過程中裂紋的擴(kuò)展貫通過程及滑移過程中的碰撞解體過程。基于非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值模擬方法包括塊體離散元法、顆粒離散元法及DDA等，此類方法在模擬離散塊體間的接觸碰撞方面具有明顯優(yōu)勢，但卻無法準(zhǔn)確刻畫材料的連續(xù)變形及塑性、損傷狀態(tài)。
[0005]目前，無論極限平衡法或數(shù)值模擬法，均采用安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。在極限平衡法中，安全系數(shù)的實質(zhì)是抗滑力與下滑力的比值；在數(shù)值模擬法中，安全系數(shù)的實質(zhì)是當(dāng)前材料參數(shù)與弱化后材料參數(shù)的比值。上述兩種方法中的安全系數(shù)均是一種系統(tǒng)宏觀穩(wěn)定性的等效描述，無法準(zhǔn)確反映坡體內(nèi)部的損傷破裂程度。
[0006]由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及演化性，爆破作用下地質(zhì)體的材料參數(shù)將會不斷演化。然而，無論極限平衡法或數(shù)值模擬法，均采用固定的材料參數(shù)進(jìn)行分析計算，沒有借助監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行材料參數(shù)的動態(tài)反演分析及修正。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種分析爆破作用下臺階邊坡穩(wěn)定性的方法，以達(dá)到將監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合，準(zhǔn)確分析露天礦爆破開采對周邊臺階邊坡穩(wěn)定性影響程度的目的。
[0008]—種分析爆破作用下臺階邊坡穩(wěn)定性的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1、對現(xiàn)場臺階邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對現(xiàn)場的臺階邊坡進(jìn)行取樣；
[0010]步驟2、在現(xiàn)場臺階邊坡的斜坡表面或平臺中部安裝振動監(jiān)測設(shè)備，捕捉每次爆破過程中傳感器安裝位置的振動時程曲線；
[0011]步驟3、對現(xiàn)場取樣的巖塊進(jìn)行實驗，獲得巖塊的性能參數(shù)；
[0012]步驟4、根據(jù)取樣巖石的性能參數(shù)和所采集的現(xiàn)場臺階邊坡數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何建模，并進(jìn)行單元劃分，獲得邊坡爆破穩(wěn)定性分析的三維數(shù)值模型；
[0013]步驟5、對上述三維數(shù)值模型中的炸藥的本構(gòu)模型、巖塊的本構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)面的本構(gòu)模型、孔隙滲流及裂隙滲流的本構(gòu)模型進(jìn)行模型選取，確定所選擇模型的輸入?yún)?shù)；
[0014]步驟6、設(shè)置三維數(shù)值模型的初邊值條件；
[0015]步驟7、采用有限元與離散元耦合的數(shù)值模擬方法對三維數(shù)值模型進(jìn)行分析計算，獲得振動傳感器埋設(shè)位置的振動時程曲線，通過調(diào)整三維數(shù)值模型中的彈性參數(shù)，使計算所獲振動時程曲線與現(xiàn)場實際振動時程曲線的振動波形、振動幅值和縱波波速一致；
[0016]步驟8、采用有限元與離散元耦合的數(shù)值模擬方法對調(diào)整后的三維數(shù)值模型進(jìn)行分析計算，獲得當(dāng)前狀態(tài)下邊坡的破裂面積；
[0017]步驟9、不斷調(diào)整巖塊及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)，以數(shù)值的收斂性為判別指標(biāo)，找到爆破載荷作用下臺階邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑移的臨界狀態(tài)，獲得臨界破裂面積；
[0018]步驟10、將步驟8中所獲得的邊坡的當(dāng)前破裂面積除以步驟9中所獲得的邊坡的臨界破裂面積，獲得臺階邊坡在此次爆破載荷下的破裂度；
[0019]步驟11、判斷破裂度所屬范圍，若所獲破裂度小于等于0.5，則邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；若破裂度大于0.5且小于1，則邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；若破裂度等于1，則邊坡處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定的臨界點；若破裂度大于1，則邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)；
[0020]步驟12、反復(fù)執(zhí)行步驟4至步驟11，獲得多次爆破作用下，臺階邊坡的破裂度及穩(wěn)定性的演化情況。
[0021]步驟I所述的數(shù)據(jù)采集，包括臺階邊坡的幾何形態(tài)、地層特性、結(jié)構(gòu)面分布情況、地下水情況和爆破參數(shù)；
[0022]所述的幾何形態(tài)包括:臺階邊坡高度、臺階邊坡角度、安全平臺寬度和臺階數(shù)量；
[0023]所述的地層特性包括地層數(shù)量、地層的巖石種類、各地層的傾向及傾角；
[0024]所述的結(jié)構(gòu)面分布情況包括結(jié)構(gòu)面組數(shù)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)面間距和結(jié)構(gòu)面跡長;
[0025]所述的地下水情況包括地下水位高度和水液面的空間形態(tài)；
[0026]所述的爆破參數(shù)包括炸藥類型、耦合系數(shù)、炮孔直徑、炮孔深度、堵塞長度、超深、單孔裝藥量、底盤抵抗線、炮孔數(shù)量、間排距、起爆順序和延時。
[0027]步驟3所述的對現(xiàn)場取樣的巖塊進(jìn)行實驗，獲得巖塊的性能參數(shù)，其中，所述的實驗包括室內(nèi)聲波實驗、單軸壓縮實驗、三軸實驗、直剪實驗、巴西劈裂實驗、錘擊波動實驗及滲透實驗，獲得巖塊的性能參數(shù)包括巖塊的彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、孔隙率及滲透系數(shù)，獲得巖塊中結(jié)構(gòu)面的性能參數(shù)包括結(jié)構(gòu)面的法向接觸剛度、切向接觸剛度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)變及剪切斷裂應(yīng)變。
[0028]步驟4所述的幾何建模采用點-線-面-體自下而上的方式進(jìn)行建模，并采用Delaunay方法進(jìn)行單元劃分，獲得邊坡爆破穩(wěn)定性分析的三維數(shù)值模型。
[0029]步驟5所述的對上述三維數(shù)值模型中的炸藥的本構(gòu)模型、巖塊的本構(gòu)模型、結(jié)構(gòu)面的本構(gòu)模型、孔隙滲流及裂隙滲流的本構(gòu)模型進(jìn)行模型選取，確定所選擇模型的輸入?yún)?shù)，具體如下:
[0030]所述的炸藥的本構(gòu)模型選取朗道模型或JWL模型；當(dāng)選擇朗道模型時，輸入?yún)?shù)包括:裝藥密度、爆速和爆熱；當(dāng)選擇JWL模型時，輸入?yún)?shù)包括:裝藥密度、爆炸產(chǎn)物的比內(nèi)能及實驗擬合參數(shù)；
[0031]所述的巖塊的本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb理想彈塑性模型或Drucker-Prager理想彈塑性模型，輸入?yún)?shù)包括:巖體密度、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗拉強(qiáng)度；
[0032]所述的結(jié)構(gòu)面的本構(gòu)模型選取Mohr-Coulomb應(yīng)變軟化模型，輸入?yún)?shù)包括:結(jié)構(gòu)面法向接觸剛度、切向接觸剛度、粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)變及剪切斷裂應(yīng)變；
[0033]所述的孔隙滲流及裂隙滲流的本構(gòu)模型選取為非飽和達(dá)西滲流模型，輸入?yún)?shù)包括:孔隙率、滲透系數(shù)和裂隙初始開度。
[0034]步驟6所述的設(shè)置三維數(shù)值模型的初邊值條件，包括:靜力計算時在模型底部及四周設(shè)置法向約束條件，在整個模型上施加重力條件；爆炸計算時在模型底部及四周設(shè)置無反射邊界條件。
[0035]步驟7所述的通過調(diào)整三維數(shù)值模型中的彈性參數(shù)，所調(diào)整的彈性參數(shù)包括??巖體的彈性模量和結(jié)構(gòu)面的接觸剛度。
[0036]步驟9所述的不斷調(diào)整巖塊及結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度參數(shù)，包括粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)變和剪切斷裂應(yīng)變；所述的以數(shù)值的收斂性為判別指標(biāo)，即當(dāng)數(shù)值發(fā)散時，即為臨界狀態(tài)。
[0037]本發(fā)明優(yōu)點:
[0038]本發(fā)明提出一種分析爆破作用下臺階邊坡穩(wěn)定性的方法，與傳統(tǒng)的方法相比，此方法將數(shù)值模擬與振動監(jiān)