一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于露天矿开采技术领域，具体涉及一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法。
【背景技术】
[0002]露天矿的台阶边坡在爆破振动的反复作用下将出现材料性能的劣化，进而引起边坡的失稳破坏。目前，分析边坡稳定性的方法主要包括极限平衡法及数值模拟法等两大类。
[0003]极限平衡法基于刚塑性假设及一致性运动的假设，采用单一自由度来表征滑坡体的整体稳定性状态，因此无法刻画边坡的非一致性运动对其稳定性的影响。此外，极限平衡法是一种静态稳定性分析方法，动态问题需要采用拟静力法等效后方能进行分析，因此无法准确反映爆破振动对边坡材料性能的劣化效应。
[0004]数值模拟法包括基于连续介质的方法及基于非连续介质的方法等两类，与极限平衡法相比，数值模拟法可以实现爆破对边坡稳定性影响的全过程动态分析。基于连续介质的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法、有限差分法等，此类方法通过在微元上引入损伤或塑性本构，实现了边坡损伤演化及塑性滑移过程的精确模拟，但却无法准确刻画边坡失稳过程中裂纹的扩展贯通过程及滑移过程中的碰撞解体过程。基于非连续介质的数值模拟方法包括块体离散元法、颗粒离散元法及DDA等，此类方法在模拟离散块体间的接触碰撞方面具有明显优势，但却无法准确刻画材料的连续变形及塑性、损伤状态。
[0005]目前，无论极限平衡法或数值模拟法，均采用安全系数作为边坡稳定性的评价指标。在极限平衡法中，安全系数的实质是抗滑力与下滑力的比值；在数值模拟法中，安全系数的实质是当前材料参数与弱化后材料参数的比值。上述两种方法中的安全系数均是一种系统宏观稳定性的等效描述，无法准确反映坡体内部的损伤破裂程度。
[0006]由于地质结构的复杂性及演化性，爆破作用下地质体的材料参数将会不断演化。然而，无论极限平衡法或数值模拟法，均采用固定的材料参数进行分析计算，没有借助监测结果进行材料参数的动态反演分析及修正。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提出一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法，以达到将监测与数值模拟相结合，准确分析露天矿爆破开采对周边台阶边坡稳定性影响程度的目的。
[0008]—种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1、对现场台阶边坡进行数据采集，并对现场的台阶边坡进行取样；
[0010]步骤2、在现场台阶边坡的斜坡表面或平台中部安装振动监测设备，捕捉每次爆破过程中传感器安装位置的振动时程曲线；
[0011]步骤3、对现场取样的岩块进行实验，获得岩块的性能参数；
[0012]步骤4、根据取样岩石的性能参数和所采集的现场台阶边坡数据进行几何建模，并进行单元划分，获得边坡爆破稳定性分析的三维数值模型；
[0013]步骤5、对上述三维数值模型中的炸药的本构模型、岩块的本构模型、结构面的本构模型、孔隙渗流及裂隙渗流的本构模型进行模型选取，确定所选择模型的输入参数；
[0014]步骤6、设置三维数值模型的初边值条件；
[0015]步骤7、采用有限元与离散元耦合的数值模拟方法对三维数值模型进行分析计算，获得振动传感器埋设位置的振动时程曲线，通过调整三维数值模型中的弹性参数，使计算所获振动时程曲线与现场实际振动时程曲线的振动波形、振动幅值和纵波波速一致；
[0016]步骤8、采用有限元与离散元耦合的数值模拟方法对调整后的三维数值模型进行分析计算，获得当前状态下边坡的破裂面积；
[0017]步骤9、不断调整岩块及结构面的强度参数，以数值的收敛性为判别指标，找到爆破载荷作用下台阶边坡发生失稳滑移的临界状态，获得临界破裂面积；
[0018]步骤10、将步骤8中所获得的边坡的当前破裂面积除以步骤9中所获得的边坡的临界破裂面积，获得台阶边坡在此次爆破载荷下的破裂度；
[0019]步骤11、判断破裂度所属范围，若所获破裂度小于等于0.5，则边坡处于稳定状态；若破裂度大于0.5且小于1，则边坡处于欠稳定状态；若破裂度等于1，则边坡处于稳定与不稳定的临界点；若破裂度大于1，则边坡处于失稳状态；
[0020]步骤12、反复执行步骤4至步骤11，获得多次爆破作用下，台阶边坡的破裂度及稳定性的演化情况。
[0021]步骤I所述的数据采集，包括台阶边坡的几何形态、地层特性、结构面分布情况、地下水情况和爆破参数；
[0022]所述的几何形态包括:台阶边坡高度、台阶边坡角度、安全平台宽度和台阶数量；
[0023]所述的地层特性包括地层数量、地层的岩石种类、各地层的倾向及倾角；
[0024]所述的结构面分布情况包括结构面组数、结构面产状、结构面间距和结构面迹长;
[0025]所述的地下水情况包括地下水位高度和水液面的空间形态；
[0026]所述的爆破参数包括炸药类型、耦合系数、炮孔直径、炮孔深度、堵塞长度、超深、单孔装药量、底盘抵抗线、炮孔数量、间排距、起爆顺序和延时。
[0027]步骤3所述的对现场取样的岩块进行实验，获得岩块的性能参数，其中，所述的实验包括室内声波实验、单轴压缩实验、三轴实验、直剪实验、巴西劈裂实验、锤击波动实验及渗透实验，获得岩块的性能参数包括岩块的弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、孔隙率及渗透系数，获得岩块中结构面的性能参数包括结构面的法向接触刚度、切向接触刚度、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、拉伸断裂应变及剪切断裂应变。
[0028]步骤4所述的几何建模采用点-线-面-体自下而上的方式进行建模，并采用Delaunay方法进行单元划分，获得边坡爆破稳定性分析的三维数值模型。
[0029]步骤5所述的对上述三维数值模型中的炸药的本构模型、岩块的本构模型、结构面的本构模型、孔隙渗流及裂隙渗流的本构模型进行模型选取，确定所选择模型的输入参数，具体如下:
[0030]所述的炸药的本构模型选取朗道模型或JWL模型；当选择朗道模型时，输入参数包括:装药密度、爆速和爆热；当选择JWL模型时，输入参数包括:装药密度、爆炸产物的比内能及实验拟合参数；
[0031]所述的岩块的本构模型选取Mohr-Coulomb理想弹塑性模型或Drucker-Prager理想弹塑性模型，输入参数包括:岩体密度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角和抗拉强度；
[0032]所述的结构面的本构模型选取Mohr-Coulomb应变软化模型，输入参数包括:结构面法向接触刚度、切向接触刚度、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、拉伸断裂应变及剪切断裂应变；
[0033]所述的孔隙渗流及裂隙渗流的本构模型选取为非饱和达西渗流模型，输入参数包括:孔隙率、渗透系数和裂隙初始开度。
[0034]步骤6所述的设置三维数值模型的初边值条件，包括:静力计算时在模型底部及四周设置法向约束条件，在整个模型上施加重力条件；爆炸计算时在模型底部及四周设置无反射边界条件。
[0035]步骤7所述的通过调整三维数值模型中的弹性参数，所调整的弹性参数包括??岩体的弹性模量和结构面的接触刚度。
[0036]步骤9所述的不断调整岩块及结构面的强度参数，包括粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、拉伸断裂应变和剪切断裂应变；所述的以数值的收敛性为判别指标，即当数值发散时，即为临界状态。
[0037]本发明优点:
[0038]本发明提出一种分析爆破作用下台阶边坡稳定性的方法，与传统的方法相比，此方法将数值模拟与振动监