黑岱沟露天矿边坡稳定性分析.pdf

万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 露天矿边坡稳性研究是露天矿安全、高效生产的重要保障。边坡稳定性不单单露天 矿山的建设和开采工作中面临的安全问题，随着经济与工业生产和建设的快速发展，也是 水电、堤坝、道路施工、铁路建设等大规模建设中所面临的安全问题。如果边坡稳定性问 题得不到足够的重视，将对生产安全造成严重威胁。 本文以黑岱沟露天矿的端帮和排土场为研究对象，通过对内排土场边坡、端帮边坡野 外工程地质、水文地质条件、露天开采等情况进行调查，在广泛收集研究区域内岩土物 理力学试验成果的基础上，采用弹塑性理论、数值模拟方法，对黑岱沟露天矿的端帮和 排土场边坡稳定性进行了分析、计算。主要内容如下 对黑岱沟露天矿水文地质和工程地质情况的调查结果表明，黑岱沟露天矿地下水位 赋存较深，端帮边坡基本处于无水状态，只在东帮巨厚层砂岩顶部的砂砾岩发现少了渗 水现象，水源来源于顶部基岩的风化裂隙水；研究区内泥岩及粘土岩是影响边坡稳定的 重要因素。综合分析和参考过往类似工程地质条件下不同构造和形状的岩石抗剪强度试 验成果和岩体节理发育综合抗剪评价的研究基础之上，针对黑岱沟露天煤矿矿区内的内 排土场、采场端帮、阴湾排土场等处边坡岩体强度参数进行了相应选取。 在边坡岩石节理、裂隙调查和统计的基础上，分析了黑岱沟露天矿的岩体裂隙的稳 定性；同时，为了进一步验证边坡的稳定性，采用数值模拟的方法，对黑岱沟露天煤矿 内排土场、采场端帮和阴弯排土场边坡的稳定性展开分析。内排土场剖面主要呈圆弧破 坏模式，主要由于排土场堆载所致，但从塑性区分布显示，边坡仅坡面出现了部分塑性 区，边坡总体安全。 端帮边坡主要受开挖卸荷的影响，边坡坡肩受拉，坡脚受剪，呈圆弧滑动破坏，根 据塑性区显示，在正常情况下，边坡发生滑坡的可能性较小。阴湾排土场剖面主要呈基 底型组合滑动破坏模式，主要由于排土场堆载后，基底弱层承受不了上覆荷载，坡体中 排弃物料沿着基底弱层发生了剪切屈服，在外界因素的干扰下，边坡有失稳的可能。 关键词关键词稳定性分析；端帮；排土场；边坡；岩体裂隙 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Stability study of open-pit slope is an important guarantee for safe and efficient production of open-pit mine. The safety problems of slope stability not only in open-pit mine construction and mining work, along with the rapid development of economy and industrial production and construction, is also facing security problems, hydropower dams, road construction, railway construction and other large-scale construction in the. If the slope stability problem is not paid enough attention, it will pose a serious threat to the safety of production. This paper takes Heidaigou Open-pit dump and the side slope as the research object, through the investigation of Inner Dump Slope, slope side field engineering geological and hydrogeological conditions of open-pit mining, etc., based on extensive collection in the study area of geotechnical physical and mechanical test results, using the elastoplastic theory and numerical simulation of Heidaigou Opencast mine dump and help the side slope stability is analyzed and calculated. The main contents are as follows The results of investigation on Hydrogeology and engineering geology in Hei Gou open pit mine show that The water table is low. End - Slope is an anhydrous state. Only small amount of water leakage was found in eastern slope of sand on top of the thick layer glutenite. Water came from the top of bedrock weathering fissure water. In the study area claystone and mudstone are important factors affecting slope stability.Similar to the engineering geological conditions of the comprehensive analysis and reference in the past different structure and shape of the rock shear strength test results and rock joints shear uation on the basis of the study, in Heidaigou opencast coal mine within the dump, stope, help Yin Wan stackpile etc. the strength parameters of rock slope the corresponding selection. Based on the slope rock joints and fissures on investigation and statistics, the stability of rock fracture in Heidaigou opencast mine the analysis. At the same time, in order to further verify the slopes stability, using numerical simulation , the slop stability of Inner Dump, Stope and Yinwan Dump is analyzed. Sectional view of Inner Dump shows mainly the arc failure 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III mode in Inner Dump. The main reason is caused by load of Inner Dump. But the distribution of plastic zone display only part of the slope has plastic zone, the overall slope is safe. End-Slope mainly by excavating load impacted. Slope Shoulder subjected tensile stress. Slope toe subjected to shear stresses. Circular slip failure mode is displayed. According to the display of plastic zone, under normal circumstances, there is less likely to occur slope landslide. The sectional view of Yinwan Dump displayed a combination of substrate type sliding failure mode. The main reason is due to load of dump heap. Weak base layer can not bear the overlying load. The abandoned material of slope along the based weak layer Appeared shear yield. Under the interference of external factors, there is the possibility of slope instability. Key WordsKey WordsStability analysis; End slope; Dumping site; Side slope; Rock fracture 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................................................ 1 1.1 边坡稳定性的研究现状............................................................................................... 1 1.1.1 定性分析方法 ...................................................................................................... 1 1.1.2 定量分析方法 ...................................................................................................... 2 1.2 研究的目的和意义 ..................................................................................................... 5 1.2.1 研究的目的 .......................................................................................................... 5 1.2.2 研究的意义 .......................................................................................................... 5 1.3 研究内容与创新点 ........................................................................................................ 6 1.4 研究方法与技术路线 .................................................................................................... 6 2 地质概况 ................................................................................................................................... 8 2.1 矿区概况 ......................................................................................................................... 8 2.1.1 地理位置与交通 .................................................................................................. 8 2.1.2 地形地貌 .............................................................................................................. 9 2.1.3 气象与水文 .......................................................................................................... 9 2.2 矿区地质 ....................................................................................................................... 10 2.2.1 矿区地层 ............................................................................................................ 10 2.2.2 矿区构造 ............................................................................................................ 11 2.3 工程地质条件 .............................................................................................................. 13 2.3.1 端帮工程地质特征 ........................................................................................... 13 2.3.2 内排土场工程地质条件 ................................................................................... 15 2.3.3 阴湾排土场工程地质条件 ............................................................................... 15 2.4 水文地质条件 .............................................................................................................. 16 2.4.1 矿区及采场水文地质特征 ............................................................................... 16 2.4.2 阴湾排土场水文地质条件 ............................................................................... 17 2.5 本章小结 ....................................................................................................................... 17 3 工程地质测量与裂隙岩体稳定性分析 ............................................................................... 18 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.1 工程地质测量 .............................................................................................................. 18 3.1.1 研究区范围 ......................................................................................................... 18 3.1.2 西帮 .................................................................................................................... 20 3.1.3 东帮 .................................................................................................................... 23 3.1.4 排土场 ................................................................................................................ 25 3.2 裂隙岩体稳定性分析 .................................................................................................. 26 3.2.1 裂隙岩体的研究 ................................................................................................ 26 3.2.2 西帮岩体三维裂隙网络 ................................................................................... 31 3.3 本章小结 ....................................................................................................................... 36 4 黑岱沟露天矿岩土力学参数分析与选取 ........................................................................... 38 4.1 岩石强度与变形参数的确定 ..................................................................................... 38 4.2 岩土体物理力学强度指标推荐值 ............................................................................. 43 4.3 本章小结 ....................................................................................................................... 44 5 黑岱沟露天矿边坡失稳影响因素及滑坡破坏模式分析 .................................................. 45 5.1 边坡失稳影响因素分析 .............................................................................................. 45 5.2 曲线型滑坡破坏模式分析 .......................................................................................... 45 5.3 组合滑动破坏模式分析 .............................................................................................. 47 5.4 边坡变形破坏机理分析 .............................................................................................. 49 5.4.1 端帮边坡变形破坏机理分析 ........................................................................... 49 5.4.2 内排边坡变形破坏机理分析 ........................................................................... 51 5.4.3 阴湾排土场边坡变形破坏机理分析 .............................................................. 56 5.5 本章小结 ....................................................................................................................... 58 6 结论 .......................................................................................................................................... 59 参考文献 ...................................................................................................................................... 60 研究成果 ...................................................................................................................................... 64 致 谢 ...................................................................................................................................... 65 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 国内外致力于露天矿生产安全的研究中，历来都将露天矿边坡稳定性作为其研究的 重点，并在岩石力学等岩土学科中一直作为重点研究课题[1]。露天矿的边坡稳定性问题 从生产现场经验和相关试验数据中不断总结，由定性分析向定量分析迈进，并结合岩石 力学知识逐步上升到理论层面，随着系统学的发展对边坡稳定性也从单一评价向综合评 价发展，结合日新月异的新理论、新方法、新技术的进步[2]，不断提高矿山整体安全及 边坡结构稳定性。 1.1 边坡稳定性的研究现状边坡稳定性的研究现状 由于露天矿山成本低、生产能力大、机械化程度高且安全性高等特点，在各类资源 的开发中占重要的比重，占到全世界固体矿物开采总量的 2/3。由于生产规模，露天矿 边坡通常较高，约 500700m，且走向较长，通常达数千米，由于岩土及矿藏的剥离， 边坡岩体多被破坏。这样以来露天矿山随着开采时间和边坡高度的增加，其生产条件反 而变得越来越差，这将边坡变形和边坡失稳等边坡稳定性问题彰显地日益严重和突出[3- 5]。生产中人们将滑坡之前发生变形但尚且整体相对完整的状态定义为边坡变形，例如 运输轨道发生轨道轻微弯曲，台阶阶面、地面处裂纹和断裂等，边坡变形进一步发展会 发生坡体解体、崩落和滑落被称之为边坡失稳。为了避免边坡的失稳破坏应对边坡进行 相关整治和处理避免边坡的变形或将控制变形的程度。 1.1.1 定性分析方法定性分析方法 定性分析方法定性分析方法主要通过对工程地质的勘察，查找可引发边坡稳定性 变化或破坏的潜在因素，并根据岩土力学和地质演化规律，对边坡在潜在因素持续作用 下可以引发的破坏及状态变化进行分析和预测，找出可能造成边坡变形、边坡失稳的因 素，可能引发变形、破坏的方式和程度，对评价客体边坡的稳定性状态做出定性分[3]， 具体方法有赤平极投影法、偌谟图法、工程类比法、自然历史分析法。 赤平极射投影法在地质学、工程地质学中广泛使用，通过将边坡所属岩体作为投 影平面，通过其中线、面方位，相对角距，运动轨迹等几何要素较直观的反映出其组合 结构面、破坏边界之间的空间相对关系，是一种方便、直观的计算评价方法，快速确定 边坡规模、外形及变形发展方向，较为便捷直观，适用于边坡稳定性的初步分析[6-9]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 偌谟图法诺馍图法通过图形计算工具诺模图结合诺莫关系曲线在二维坐标系下进 行非精确计算，根据一定固定参数表征出边坡稳定性系数、极限坡高及稳定性边坡角 等。适于处理全风化弧形破坏面及土质结构边坡[10,11]。 工程类比法在工程类比法的思路下很多以往相关工程信息及数据被整合成各类工 程数据库和专家数据库用于边坡稳定性分析使用。不过此方法只适用小型工程等地质条 件较为简单的工程状态，大型、复杂的工程因为影响因素较多不适合直接照搬以往工程 类似状况处理，应结合其他方法进行相应修整[12-15]。 自然历史分析法通过实地勘察边坡的地质构造及因此引发的变形迹象，根据岩土 结构的地质演化规律和演化过程，分析和还原该坡体的地质发展和、变化过程，并判断 坡体进一步的稳定性状态，但这种方法只能适用于分析天然斜坡，做出初步的分析和评 价。 1.1.2 定量分析方法定量分析方法 对边坡稳定性问题的定量分析的方法有很多，根据对数据和参数处理的原理不同大 体上分为确定性评价分析与不确定性评价分析两大类。确定性分析包含极限平衡法和数 值模拟法两类，不确定性包含了可靠度分析法、人工神经网络、灰色系统评价法、模糊 分级综合评价法。 （1）确定性评价分析 极限平衡法基于摩尔库伦强度准则关于岩土的剪切破坏理论，构造出一个完整的滑 移面并分隔成数条，构建滑移面之间各滑移面所受到的下滑力矩与抗滑力矩的力矩平衡 方程，根据计算求的边坡坡体不被破坏的最大安全系数。同时有很多方法例如瑞典条 分法、简布法、传递法、摩根斯坦-普莱斯法、传递法都是在极限平衡法原则条件下的 进一步延伸。 瑞典条分法它忽略条间的作用力，对完整的滑移面构建力学平衡，计算简单但适 用性较差且不能维持其中单条滑移面的力学平衡。其后在此基础上提出的毕晓普法，忽 略竖向作用力，将条块间的水平力作为主要作用力，相较于前者计算精度也提高不少， 计算过程也较为简便，比较适合用于现场计算。 简布法相对考虑较为全面并能对任意形态的滑移面都能进行稳定性运算，将 水平应力和竖向应力都带入力学平衡方程中，不过缺点是运算较为复杂，不容易满 足力矩平衡，并且反复迭代容易出现运算的混乱难以收敛，不适合现场操作。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 摩根斯坦-普莱斯法相对简布法而言进一步对条块进行细化，分割成无限小的条 块，再以此构造力矩间微分平衡方程，计算结果更加精确，相对于简布法而言该方法计 算结果更加精确，同时也适用于各种坡体形态的计算模型，但收敛性较差，对结果需多 次验算。 传递法不需要力矩间平衡但使整个坡体和各条块都达到力的平衡，能较简单得出 设计推力，但是误差过大有待改善。萨尔玛法在条块的划分上选择使用倾斜边界，在静 力平衡条件下构建微分方程，这样能够解决简布法和摩根斯坦-普莱斯法的收敛性问 题，不过迭代过程过长和繁琐[16-18]。 数值分析法通过计算机对建立实际问题的数学模型进行近似计算，上世纪 60 年代就被应用于边坡稳定等工程实践中，并对边坡问题中非线性、非均质及复杂边 界有很好的处理，能得出岩土结构的具体应力-应变关系。其能很好将地下水流、爆 破、加固结构以及地震等影响因素对边坡稳定性做出很好的处理[19-22]。 有限元法有限元法是数值分析计算法方法汇中目前发展最为成熟、应用较广的方 法，其将结构体的自由度等价成为有限个自由度，并将结构体离散后化为有限个结构单 体用以表示原有结构并加以分析。确定各单元体的应力值，并根据各单元体间强度值差 异推测滑移面破坏位置与破坏范围，由整个滑移面抗剪强度和剪应力的比值推到出安全 系数。这种方法的缺点是对物理参数选取有要求，不适于考虑和解决无限域与应力集中 等问题[23,24]。 边界元法边界元法比较适用于无限域或半无限域的问题处理上，主要作用于小变 形、线性和均质连续介质问题的稳定性分析上[25-28]。对滑移体表面边界进行单元划分， 根据边界积分方程构建线性方程组根据解析公式求解。 快速拉格朗日法拉格朗日法是研究流体变化规律的一种有限差分法，它将各节 点各时间点之间的位移、速度和加速度等参数变化带入计算得出整个流体流动规律。边 坡稳定性评价分析针对非线性大位移问题中，将整个塑形坡体等效成为流体，在充分考 虑材料特性基础上，设定被研究坡体的边界条件和各项基本参数，构建有限差分网络用 以解算。FLAC2D、FLAC3D 这类软件就是在这种计算原理基础上开发的[29]。 离散元法离散元法将边坡划分成为数个块体，构建块体间和整个坡体之间的 动力平衡并使用时间差分法计算，能很好的解决层理、节理裂隙发育的块状结构， 线性大位移、动力稳定性问题。结合 CAD 在图像上反映出岩土结构的力场、位移场 的受力变化情况[30]。 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 不连续变形分析法该方法将整个岩土体分解成为相互之间不连续的块体，移除或 加载对刚性弹应力，假设单元体间不存在嵌入和张拉作用，由此基础上根据位移变分法 建立总平衡方程，在最小势能原理下使系统的能量最小化。该方法采用非连续接触状态 并引入势能、惯性力概念，对每个单元块体进行分析并根据系统平衡方程求出位移、应 力场，用以解决含节理缝隙边坡、边坡岩体大变形、大位移及极限状态的计算求[31]。 块体理论体理论具体有矢量法、作图法和赤平投影三种分析计算的方法，由于计 算精度和便易程度赤平投影法在工程中应用较广。块体理论方法打破了以往对岩体结构 均质连续体的假设，它的特点是将被研究的结构面设定为平面，结构体为刚体，并条块 间存在节理、裂隙、夹层被分割变成不同形状的块体，分析不同不连续的块体间作用找 出可能发生滑移块体，从几何拓扑学的角度考虑和分析岩体的应力应变场和塑性区分布 [33,34]。 流形元法由石根华教授等学者在 1995 提出，基于有限单元法和不连续变形分析 法，以有限覆盖技术构建非连续体、连续体的统一整体平衡方程，根据最小势能原理解 决多种工程问题，最具前景的数值分析法之一[32]。