蒙东地区露天矿边坡稳定性影响因子与敏感度分析_刘小平.pdf

第42卷第3期 2014年6月 文章编号I001-1986201403-0074-04 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.西安理工大学岩土工程研究所，陕西西安710048 摘要边坡稳定性对露天煤矿安全高效开采至关重要。在系统总结蒙东地区露天煤矿赋存条件的 基础上，提出了该地区露天煤矿边坡的工程地质特征及稳定性影响关键因子．采用正交试验与极 差分析法，对该地区露天煤矿边坡稳定性影响因子的敏感度进行了研究．研究结果表明软弱结 构面分布特征、软弱结构面强度及变形特征、地下水疏排效果和综合帮坡角是控制该地区露天煤 矿边坡稳定性的关键因子；不同开采阶段边坡稳定性影响因子的敏感性会发生变化，边坡防治策 略及重点也应相应调整． 关键词露天煤矿；边坡稳定性；敏感度分析；正文试验；极差分析 中图分类号P642.22文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.l001-1986.2014.03.017 Analysis on influencing factors and their sensitivity for slope stability in opencast coal mine of eastern Inner Mongolia 1 ,2 LIU Xiaoping I. Xian Research institute, China Coal Technology and Engineering Group, Xian 710077, China; 2. institute of Geotechnical Engineering, Xian University of Technology, Xian 710048, China Abstract Slope stability has great effect on safety and high efficiency mining for opencast coal mine. On the basis of systematically summarizing occurrence condition of opencast coal mine in eastern Inner Mongolia, this paper proposes key factors for slope engineering geological characteristics and stability. Using the orthogonal test and range analysis , we conducted research on the factor sensitivity affecting slope stability of open pit coal mine. The results show that four key factors which control the open pit slope stability in this region are distribution of weak structural plane, strength and deation of weak structural plane, groundwater drainage effect and com- prehensive slope angle. The sensibility of the influencing factors of slope stability changes during different mining phase, the slope stability control strategy and emphasis also should be adjusted accordingly, this has certain guid- ing significance for slope control of opencast coal mine in eastern Inner Mongolia. Key words opencast coal mine; slope stability; sensitivity analysis; orthogonal test; range analysis 蒙东地区褐煤约占全国保有储备量的3/4，是我 国13个大煤炭基地之一。已建成胜利矿、自音华矿、 宝日希勒矿等超大型露天矿，预计2020年产量将达 到3.05Ost/alll。该地区煤炭形成于晚保罗纪一自 主纪 ，岩体强度低，地下水较丰富，采场易发生大 规模的滑坡灾害。露天矿边坡失稳（滑坡）是制约该 地区矿山高效、安全生产的重大地质灾害问题，而 露天矿边坡稳定性控制的关键是影响因子的识别及 敏感度分析。文献［2-6］对边坡稳定性影响因素及锚 固参数的敏感度进行了研究，但研究对象为自然边 收稿日 期2013-06-08 坡或人工建筑边坡。李荣伟等（78］针对特定地质条件 下露天矿边坡稳定性影响因子及敏感性进行了研 究，但未从成煤时代、区域地质等层面系统研究该 地区露天矿边坡地质特征及稳定性影响因子。文献 [9-1 O］从岩体强度、地下水等方面研究了各影响因 子对边坡稳定性的敏感性，但未考虑随着采矿范围 及深度的延伸，不同开采阶段同－矿山边坡稳定性 影响因子的敏感性将会随之变化，边坡防治对策也 应相应调整。本文将系统总结蒙东地区露天矿边坡 地质特征，提出该地区露天矿边坡稳定性影响关键 基金项目中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新项目（20l 3XA YCX025 作者简介刘小平1983一），男，陕西商洛人，博士研究生，助理研究员，从事矿山地质灾害防治科研工作 ChaoXing 第3期刘小平蒙东地区露天矿边坡稳定性影响因子与敏感度分析 75 因子，采用正交试验设计和极差分析方法研究不同 开采阶段下各影响因子的敏感度，为边坡稳定性控 制提供科学依据。 1 边坡工程地质特征 近年，笔者参加了 蒙东地区十多个露天矿边 坡的专项工程地质勘察与稳定性研究项目，获得 了丰富的基础资料。以下将对胜利一号矿、白音 华二号矿、白音华三号矿、霍林河南矿、霍林河 扎哈掉尔矿及宝日希勒矿等露天矿边坡工程地质 勘察成果进行归纳，阐述该地区露天矿边坡的工 程地质条件。 a.地层缓倾蒙东地区位于西伯利亚地台与 华北地台之间，构造单元为内蒙古北部地槽区。保 罗纪晚期中燕山亚旋回造山运动，所形成的榴皱以 “镶嵌式”开阔的走向北东或北北东方向的短轴背、 向斜为主。白主纪晚燕山亚旋回造山运动，以区域 性地层抬升为主，榴皱作用极其轻微。因此，保罗 纪及自主纪煤岩系地层平缓。比如，胜利一号矿煤 层倾角2。～15。，霍林可扎矿煤层倾角3。～14。，霍林 河南矿煤层倾角5。～13。，白音华二、三号矿煤层倾 角2。～12。等。 b.第四系潜水丰富蒙东地区地形平坦，第四 系广泛分布，以粉沙、细沙为主，含水性强 q0.0279- 0. l 87 L/sm）），但渗透系数低（k0.564～ 2.727 ml哟，第四系潜水疏排水效果差。 c.岩体强度低，为软岩边坡蒙东地区露天矿 边坡岩性为中晚保罗纪一晚白辈纪煤系地层，煤岩 体单轴抗压强度几乎均小于15MPa，岩体强度低。 由高至低依次为砂岩、在、质泥岩、泥质砂岩、泥岩、 煤层。另外，锡盟白音华地区白噩系砂岩属于火山 凝灰质岩，粉砂岩的强度最高，中砂岩次之，粗砂 岩最低。 d.软弱结构面发育蒙东地区露天矿边坡软 弱结构面主要分为3种①地层界面，主要包括第 四系和新近系地层界面、新近系和白噩系地层界面、 煤层顶板和底板软化的泥岩、煤层中的泥岩夹研； ②地质构造面，该类构造面在胜利一号露天矿北端 帮非常发育；③新近系地层中发育的连续分布的绿 泥石层，它具有强水化’性，镜面光泽，强度极低的 特点。 2 边坡稳定性影晌因子 矿区工程地质与水文地质条件、采矿技术条件 共同制约露天矿边坡稳定性，但在不同地区所起的 作用差异甚大。在全面分析蒙东地区地质采矿条件 及采场边坡失稳典型案例的基础上，提出族地区露 天煤矿边坡稳定性影响的关键因子。 a.软弱结构面分布特征软弱结构面分布特 征直接控制蒙东地区露天矿边坡变形特征和失稳机 理。它是该区露天矿边坡勘察评价的工作重点，也 是边坡防治首先考虑的关键因子。胜利一号矿北端 帮滑坡为棋盘格式断层结构面控制下的大型滑坡， 白音华二号矿非工作帮滑坡就是沿新近系中连续分 布的绿泥石层滑动的。 b.软弱结构面强度 及变形特征软弱结构 面强度及变形特征是露天煤矿边坡稳定性控制的 核心参数。蒙东地区软弱结构面多为软化的泥岩， 强度低，取样和试验困难。应采用钻孔探查，现 场原位测试，室内模拟试验等综合手段分区域、 分层位逐步研究其力学特征，尤其要重视对露天 采矿剥离时所揭露软弱结构面强度及变形特征的 研究，对推演采坑深部延伸巾的边坡稳定性具有 重要意义。 c.地下疏排效果露天开挖打破了矿区地下 水系统的平衡，新渗流场与应力场制合作用对边坡 稳定性影响显著。霍林河南矿采用积水坑、疏排巷 道等方式疏排地下水，效果良好，边坡稳定性好； 胜利一号矿采用降水井和集水坑方式疏排地下水， 由于风积沙层渗透系数小而导致疏排效果差，非工 作帮和北端帮多次发生滑坡；自音华三号矿边坡失 稳均与第四系潜水富集密切联系。 d.综合帮坡角对于特定地质条件，采用降低 露天矿综合帮坡角来提高边坡稳定性是直接而有效 的控制手段，但剥采比随之增大。 上述制约蒙东地区露天矿边坡稳定性的四大关 键因子是共同作用的，在不同的开采阶段对边坡稳 定的敏感度随着地质条件变化而改变。 3 边坡稳定性敏感度分析 露天煤矿边坡工程实践中，单因子发生变化的 情况是很少的，大多是多因子共同变化，需要进行 组合分析计算。正交设计具有整齐可比性和均衡分 散性特点，既克服“孤立”试验的不足，也能包括“全 面试验”的长处，避免了全面试验的过大工作量，是 边坡敏感性分析的适用方法。采用极差分析法对正 交试验结果进行分析。 3.1 正交试验及极差分析方法 露天煤矿边坡稳定影响因子敏感性分析可转化 为以几为考察对象的单指标多因子显著性分析。单 ChaoXing 76 煤田地质与勘探第42卷 指标多因子显著性分析可采用的线性模型如下 F.; ＝β。＋β，x，＋＋/J1X1 e 1 式中β。为常数项；且为向变量冉的回归系数；e 为随机误差，服从标准正态分布。 对于某个因子变量X；对指标F，的显著性次序分 析，不要求做定量结论，只要求辨明自变量x,对因 变量Y的显著性影响次序。因此无需求解式（I）中的 回归系数，正交试验模型可满足要求。 设A、B表示不同的因素；r为各因子水平；A, 表示因子A的第1水平（il,2,3，，r;xij表示因子j 第i水平值il,2,3,,r; jA点）。 在xij下进行试验得到因子j第i水平的试验结 果指标巧，乃是服从正态分布的随机变量［11］。在 xij下做n次试验得到n个试验结果，分别为 Y，川kl,2，，时，则 Ku riJk 2 式中Kij为因子j在i水平下的统计参数；n为因素 j在i水平下试验次数；yijk为因素j在i水平下的第 k个试验结果指标值。 评价因素显著性的参数为极差鸟，其计算公式如下 N56。E““- 980 Rj m叫K1j,K2j,,KIJ}-m叫K1j,K2j,,Krj} 3 将各因子的极差进行比较，由极差大小顺序便 可判别各因子的影响主次。极差最大者，敏感度最 大，为最重要因子；极差较小者为较次要的因子， 依次类推。 3.2 工程实例 蒙东某露天煤矿位于锡林浩特市，开采白主系5 煤和6煤，最大采深310mo目前，该矿已发生多次 较大规模的滑坡，严重威胁着矿山安全。以下将根据 该矿非工作帮边坡的地质及采矿条件，采用正交试验 与极差分析方法求得不同开采阶段下边坡稳定性影 响因子的敏感度，指导矿山边坡灾害防治。 3.2.1 工程地质计算模型及计算方法 该露天矿非工作帮边坡地层由第四系砂土、新 近系勃土和白主系煤系地层组成。含水层为第四系 潜水含水层、顶砾岩裂隙含水层和煤层裂隙承压含 水层。本次计算选用与非工作帮垂直的3-3’工程地 质剖面（图I）。边坡破坏模式为上部圆弧切层一下部 顺软弱层滑移；稳定性计算方法为Sanna极限平衡 法，采用迭代法求解最危险滑面。 bk009 977 69 m .... I州Im前叫少因不想合接触而 句8.5kN/m＇二、－＿，.ιm巧／E三丑格合接触而 一一一一一可忖＝ ＝「E王3第阴系如k位 二巨三3滑而及滑动为向 三cza滑体 三c丁细砂 b二JiJ己1 E3粉砂右f E兰吕细彤、tt ．．．煤后 940 A U n u ny E \ JHJE 860 820 φ＝36。 183.40 fLlit m 172.80 图l边坡工程地质剖面 Fig. I Engineering geological section of slope 3.2.2 正文试验设计及极差分析 软弱结构面空间分布，在不同开采阶段对边坡稳 定性的控制性不同。正交试验分析选取的影响因子为 软弱结构面内摩擦角ψ、软弱结构面黠聚力c、疏排 后地下水位与采坑底部的高差h以及综合帮坡角α。 据边坡工程地质勘察中成果，参数取值概化为 高、中、底三个水平，取值范围见表l。假定各因子 间无交互作用，按照4因子3水平进行正交设计，最 少试验为9次，记为L934）正交表，见表2o采用极 差法分析结果见表3一表6。 表1因素水平表 Table 1 Factor level table 因子 内摩擦角辈古聚力水头综合帮坡角 伊／（。）elk Pa him al（。） l一低17 25 IO 16 2一中19 30 5 18 3高21 35 。20 根据上述统计，可得边坡稳定性影响因子敏感度 与采深度之间的关系图（图2）。 ChaoXing 第3期刘小平蒙东地区露天矿边坡稳定性影响因子与敏感度分析 77 表2正交设计计算方案 Table 2 Calculation schemes of orthogonal design 编号 列号与因素 l伊／（。）2 c/kPa 3 him 4 al（。） 17 25 IO 16 2 17 30 5 18 3 17 35 。20 4 19 25 5 20 5 19 30 。16 6 19 35 10 18 7 21 25 。18 8 21 30 IO 20 9 21 35 5 16 表3开采至第四系底面（H32m）参数极差分析表 Table 3 Parameters variance analysis when mining is up to Quaternary bottom 参数伊／｛。）c/kPa him α／（。） K,; 1.639 1.889 1.774 1.845 Kz; 1.814 1.707 1.893 1.575 K1; 1.768 1.634 1.496 1.742 极差。.1750.255 0.278 0.270 敏感度h＞α＞c＞伊 表4开采至新近系底面（H62m）极差分析表 Table 4 Parameters variance analysis when mining is up to Tertiary bottom 参数伊／（。）elk Pa him α／（。） K li 1.575 1.664 1.723 1.776 K2i 1.721 1.649 1.741 1.689 K1i 1.866 1.716 1.697 1.697 极差0.291 0.067 0.044 0.087 敏感度伊〉α＞ch 表5开采至5煤底板（HlOOm）极差分析表 Table S Parameters variance analysis when mining is up to No. S coal seam bottom 参数伊／（。）c/kPa him α／（。） K,i 1.51 1.586 1.479 1.403 K2i 1.572 1.509 1.465 1.543 K1i 1.53 1.517 1.665 1.667 极差0.062 0.077 0.2 0.264 敏感度α＞hc＞伊 表6开采至6煤底板（H310m）极差分析表 Table 6 Parameters variance analysis when mining is up to No. 6 coal seam bottom 参数伊／（。）c/kPa him α／（。） K,i 1.445 1.54 1.509 1.377 K2i 1.439 1.473 1.528 1.501 K1i 1.634 1.507 1.482 1.642 极差0.195 0.067 0.046 0.265 敏感度α〉伊＞ch 0.35 0.30 0.25 哥0.20 0.15 0.10 0.05 0 软弱层的内摩擦角－＋－软弱层的事占聚力 地下水头X-tf.｛刊坡角 . . X , .‘X - -----X 『、’＼，， 、－．． 、，.，，..飞” 、L、”，． ＂、，外， 32 、、，，’ 、＼， p、、．’＇. . 、，，二，一 气－ ＇...－二二 .------，.←－－－－、司． “ 62 100 310 采诛Im 图2边坡稳定性影响因子极差与采深关系图 Fig. 2 Relationship between the variance of affecting factors for slop stability and mining depth 3.2.3 结果分析及讨论 图2表明，不同开采阶段，地质条件随之变化， 边坡稳定性影响因子敏感度会随之调整，边坡防治工 作重点也应随之调整。a.开采到第四系底砂土底面 H32 m），对边坡稳定性影响最敏感的是地下水，此 阶段边坡防治主要措施是加强第四系潜水的疏排和管 理。b.开采到新近系黠土底面（H62m），对边坡稳定 性影响最敏感的是新近系和白主系地层界面的内摩擦 角，此阶段应采用加固或注浆措施改变岩土体的力学 性质。c.开采到5号煤层底板（HIOOm），对边坡稳 定性影响最敏感的是综合帮坡角，此阶段应对边坡坡 形进行优化设计，同时加强5号煤层裂隙承压水的疏 排和管理。d.开采到6号煤层底板（H310m），综合 帮坡角对边坡稳定性影响占主导地位，此阶段应加强 边坡变形破坏控制和坡形优化设计等工作。因此，露 天矿在不同开采阶段边坡防治中，应遵循“突出防治重 点，分清轻重缓急、采取综合治理”的原则。 4结论 a.通过对蒙东地区多个露天煤矿地质采矿条件的 总结，系统总结出该地区边坡具有地层缓倾、软弱结构 面发育、岩体强度低、第四系潜水层富7j性强但渗透系 数低的普遍性特点，并认为控制边坡稳定性的四大关键 影响因子为软弱结构面分布特征、结构面强度及变形特 征、地下水疏排效果及综合帮坡角。 b.采用正交试验与极差分析法，分析了四大关 键因子对边坡稳定性的影响，得到了极差与影响因子 的关系曲线，可判断出各影响因子的主次。这样既可 指导边坡设计研究的参数选取，又可指导生产安排， 使边坡的稳定达最优状态。 c.正交试验与极差分析结果表明，不同开采阶 段露天矿边坡稳定性影响因子的敏感度不同，边坡防 治的策略与重点应随之调整。 （下转第81页） ChaoXing 第3期陈萍等对利用测井曲线判识构造煤的认识 81 用斜率方差分层，概率计算识别的方法。这是一项 有意义的探索，但恐难以推广应用。正如作者指出的 “计算机自动识别构造软煤的技术难度较大．．．．．．，有 待进一步研究、完善。”此文发表以后，在研究淮南 煤矿构造煤的文献中也未见此方法得到应用口，12-13］。 依据上述4点认识，利用煤矿提供的钻孔测井 曲线判识构造煤的变数太多，采用一条或两条参数 曲线，予以量化，探求计算机自动判识构造煤的方 法，即使在及其有限的范围内取得某种成效，也不 可能推广应用。今后研究与引进新的测井技术，或 有可能建立起判识构造煤的模型，定量和计算机自 动判识构造煤。 外国学者首先提出利用地球物理测井技术有可 能判识煤层结构，我国研究者做了比较多的研究。 虽然现今提出的判识方法不完善，但为探测煤矿区 内煤层未被揭露的新采区和新水平的构造煤，目前 尚无其他更好的方法。探测煤层气井内的粉状构造 煤也只有想办法应用测井技术了。 参考文献 川中华人民共和国煤炭工业部防治煤与瓦斯突出细则［M］.北 京煤炭工业出版杜，199516一17. 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