基于仿真岩体模型的露天矿节理岩体边坡破坏特性及稳定性研究

At present, among those methods for solving the problem of the jointed rock mass slope failure and instability in open-pit mines, the limit equilibrium calculation method assumes too much, the numerical simulation method is difficult to accurately represent the discontinuity of jointed rock mass. And there are also no good methods to analyze the rock cracking and the crack expansion in microscopic aspect under the influence of mining. For these reasons, the project aims at combining the particle flow program and discrete network dividing program to found the realistic rock mass model. In the realistic rock mass model, the brick samples are used to simulate intact rock, and smooth-joint contact models for joints and the model parameters are derived from indoor experience and simulation tests based upon orthogonal tests. During the process of simulating the joint rock mass slope failure and instability based on the realistic rock mass model, the program considering the rock cracking and expansion effect is applied to analyze the influence of intermittent joints expansion and the persistent joints characteristics on slope stability. After calibrated by the micro-seismic monitoring data gained from the slope in-situ monitoring system, the joint rock mass slope failure characteristic and stability analysis system is founded, and it can provide technical support for the safe production in open-pit mines.

针对露天矿节理岩体边坡破坏及失稳这一问题，目前研究方法中，极限平衡法假设过多，数值模拟法还难以准确描述节理岩体的不连续性，而且对采动影响下边坡岩石开裂及裂隙扩展等还缺乏深入的细观分析机制。基于此，项目提出以三维离散网络划分技术为基础，利用颗粒流程序中的块体单元模拟完整岩块、光滑节理接触模型模拟节理，将三维离散网络划分程序与颗粒流程序结合起来，构建三维仿真岩体模型。通过正交试验设计细观参数组合，将数值模拟结果与室内实验结果进行对比，最终获得细观计算参数。同时在基于仿真岩体模型的数值计算中，利用颗粒流程序内置语言编制程序模拟采动影响下岩石开裂及扩展过程，分析岩石开裂、非贯通节理扩展以及贯通节理特性对边坡稳定的影响，实现对节理岩体边坡破坏特性及其稳定性的研究，并利用现场微震监测数据对研究结果进行检验和修正，最终获得节理岩体边坡破坏特性及稳定性分析技术体系，可为露天矿安全高效生产提供技术支撑。

露天矿边坡开挖后发生的滑坡等地质灾害属于岩体卸荷后的失稳破坏问题，目前采用较多的极限平衡和数值模拟等方法未充分考虑开挖卸荷及节理等不连续结构对岩体工程稳定性的影响，卸荷条件下岩体内部结构细观破裂演化机理没有统一的结论。本课题采用现场调研、室内试验、理论分析和颗粒流数值模拟相结合的方式对岩体开挖卸荷条件下岩体的力学特性、节理起裂扩展规律及岩体破裂演化机理进行了深入探究，主要研究结果如下：.(1) 提出了基于无人机摄影的边坡节理测量方法和基于无人机摄影测量的露天矿边坡快速建模及稳定性数值模拟分析方法。.(2) 针对开挖后岩体内部产生的次生节理，提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法。在颗粒流软件中建立仿真岩体模型，通过与现场工程对比验证了开挖条件下次生节理参数计算方法的准确性。.(3) 基于CT扫描三维重构技术获得了不同围压三轴卸荷条件下岩石内部三维破裂模式和破裂演化规律。围压较小和围压较大时，三维破裂模式分别呈破碎状和不规则破裂面相交状，随着初始围压的增大，起裂位置向岩石内部转移。.(4) 提出了基于“应力/时步”的三轴非线性卸荷颗粒流数值模拟方法，克服了采用速度卸荷过快与实际不符的问题。.(5) 卸荷条件下非贯通节理岩体岩桥在应力峰后发生缓慢破坏并向上扩展，拉裂纹与剪切裂纹分布均匀，验证了非线性卸荷方法在非贯通节理岩体卸荷模拟中的正确性和适用性。.(6) 提出了基于DIC技术的节理尖端应力强度因子的计算方法，通过对单轴压缩条件下粗糙交叉节理试样节理尖端应力强度因子分析发现主节理对试样的破裂起主要作用，节理尖端的KII多大于KI，岩体破裂受剪切作用大于张拉作用。.本课题研究成果能够有效应用于露天矿边坡等岩体工程稳定性分析，提高了研究结果的准确性，对实现岩体工程稳定性分析的无人化和智能化有着重要的现实意义，研究成果能更好地服务于矿山企业，提高矿山风险评估、支护和管理水平，最终提升矿山的经济效率。