安太堡露天煤矿端帮陡边坡技术研究.pdf

l l I l I ㈨l ⋯I l I l I I I l I I I l I I I I l I I I ⋯⋯ Y 3 4 6 9 2 5 4 逻宁工程技术大学 硕士学位论文 熹．太．堡．露天．煤矿端帮．陡边．坡技杰．研究 ⋯R 旦墨鞠_ r ￡h ．Q nS t e e pE n d ．s I o p eT e c h n o l o g v ’’。。’。。。。。。。。。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- _ ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘i ] ■“ Q f I 』{ 煅t 辑j b 魏Q ．。u l l 晕垦5 篡．￡1 0 景1 ．A 鱼i J 9 I ￡ 作者姓名杨添 指导教师宋子岭教授 学科专业采矿工程 二。一六年六月 万方数据 分类号 T D 8 2 4 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 安太堡露天煤矿端帮陡边坡技术研究 R ￡曼曼蔡置Q h ．旦旦．重量曼p ．里i l 迪曼l Q p 旦．T 旦c - h n Q l o ．1 Ⅸ o fA n t a i b a oS u r f a c eC o a lM i n e 作者姓名杨添 指导教师宋子岭教授 申请学位工学硕士 学科专业采矿工程 研究方向露天开采理论与技术 辽宁工程技术大学 万方数据 ㈣删Ⅷ㈣㈣洲㈣』m ㈣ 关于论文使用授权的说明 Y 3 4 6 9 2 5 4 本学位论文作者及指导教师完全了解运主王捏蕉苤盔堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝王程挞苤太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名磊冶 ．砌f 年∥月1 1 日 导师签名窒蔓导师签名趟 “年∥月趁日 万方数据 致谢 2 0 1 3 年9 月份入学至今，在导师宋子岭教授的学习指导和生活关怀下转眼要毕业了。 读研期间，宋老师在繁忙的工作中抽出时间指导我们学习，为学生提供安静舒适的学习场 所。通过课余时间的交谈，宋老师孜孜不倦的将专业知识以及为人处世的道理传授给我， 其严谨的治学态度和温和淡雅的性格深深影响了我。学术上，通过宋老师介绍，我有机会 深入各大露天矿现场，努力学习露天采矿工程相关知识，加强了对矿山工作的理解，并极 大的丰富了我的见闻；生活上，宋老师的一言一行都是我学习的内容，其为人，其谈吐， 其胸怀，其态度都在我每一天的学生生活中潜移默化的感染着我，激励着我，让我成为一 个更好的自己。本文是在导师宋子岭教授的指导下完成的，在此学生要对宋老师说一声 谢谢 谢谢您的指导，谢谢您的批评与建议，谢谢您与我分享的每一寸光阴 在论文的选题和撰写过程中，得到了包括白润才、曹兰柱、范军富、王东等辽宁工程 技术大学露天采矿工程专业各位老师的帮助和指导，在此感谢你们。 感谢师兄崔宏伟，在我于安太堡露天煤矿实习期间，慷慨的为我提供了优越的生活条 件，并无私的为我提供了本论文所需的各种资料以及相关书籍。崔宏伟师兄为人豁达，并 在中国古典诗歌以及传统佛教领域上深有研究，为我的课余生活起到了启蒙的作用，并在 我撰写论文期间，第一时间解答我的疑惑。 感谢师弟杨星辰、王向磊，在每一个应该入眠的深夜，选择留下来与我探讨论文中的 学术内容，让我在整个论文撰写期，都得到了充分的讨论和正确的思路。同时感谢赵立春、 孙成亮同学，对我提供了无私的帮助和支持 万方数据 摘要 由于端帮的边坡形态既涉及露天矿的安全，又与露天矿的经济效益联系密切，所以端 帮稳定性问题是露天开采领域研究的重点之一。根据不同露天矿的工程地质条件，设计满 足要求的端帮边坡形态，是保证露天矿最大程度科学回收煤炭的基本要素。论文以安太堡 露天煤矿端帮边坡为研究对象，运用现场调研、露天采矿学理论知识、极限平衡法与数值 模拟法等方法手段，结合岩体力学参数，选取该矿端帮典型工程地质剖面，对边坡稳定性 与滑坡机理等问题进行了较为深入的研究。 在分析安太堡露天煤矿端帮边坡的构成特征基础上，调查了该矿端帮结构面赋存状 况，采集了端帮岩体试样并进行了点荷载试验，结合安太堡露天煤矿地质资料，确定了端 帮岩土体物理力学参数。以典型工程地质剖面为研究对象，分析了边坡角同边坡稳定性的 关系，确定能够满足安全储备系数的边坡角；对不同压帮高度条件下的边坡稳定性进行分 析，确定了合理的压帮高度。对压帮前后边坡稳定性进行了数值模拟研究，确定了边坡岩 体的破坏形式，揭示了滑坡机理。 关键词安太堡露天煤矿；陡边坡；极限平衡；数值模拟 万方数据 A b s t r a c t D u et ot l l ee n d - s l o p ei n v o l v et l l es a f e t yo ft h eo p e n - p i tm i n es l o p ef o m ，a l s oc l o s e l y c o n n e c t e dw i t l lt h ee c o n o m i cb e n e f i t so fo p e n - p i tm i n e ，s ot h eh e l ps ta _ b i l i 够p r o b l e mi so n eo f t l l ef b c u so ft l l er e s e a r c h e so nt h es t r i pm i I l i I l g ．A c c o r d i n gt od i f f 宅r e n te n g i n e e r i n gg e 0 1 0 9 i c a l c o n d i t i o n so fo p e n - p i tm i n e ，t 1 1 ed e s i g nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs i d es l o p ei nf 0 吼，i ti st h e g u a r a J l t e eo f 血eb a s i ce l e m e n t so f 叩e n - p i tm i n em a X i m 眦r e c o V e r yo fc o a l ．P a p e rt oA m a i b a o o p e n - p i tc o a lm i n es i d es l o p ea St l l er e s e a r c ho b j e c t ，u s i n gt l l es i t ei n V e s t i g a t i o n ，o p e n - a i rm i l l i n g t h e o 巧l 【I l o w l e d g e ，l i m i te q u i l i b r i 姗r n e t h o d 锄dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e m o d ，i nc o m b i l l a t i o n w i t l lr o c km a s sm e c h a l l i c sp a r a m e t e r s ，s e l e c t i o no ft 1 1 em i I l ee n df o r 锣p i c a lg e o l o g i c a ls e c t i o n ， o nt 1 1 es l o p e 鼬i l i t ，锄dl 锄d s l i d em e c h 砌s m 趾ds oo nq u e S t i o nh 雏c 枷e do n 也et l l o r o u g l l r e s e a | ℃h ． F o r to nt l l ea n a l y s i so ft l l eA n t a i b a oo p e n - p i tm i n ei st h ef o m a t i v ec h a r a c t e r i s t i c so fs l o p e i ne n d s l o p e ，b a S e do nt l l ei n v e S t i g a t i o n ，t l l eo c c u 玎e n c ec o n d i t i o no ft h em i n ee n dh e l ps t 九袱Ⅵe s u r f 犯ec o l l e c t e de n df o rr o c ks p e c i m e l l Sf o rp o i n tl o a dt e S t ，c o m b i n e d 埘t h 枷b a oo p e n ．p i t c o a lm i n eg e o l o g i c a ld a t a ，d e t e m 血1 et l l ep h y s i c a la J l dm e c h 越c a lp a r a m e t e r sf o rr o c ka l l ds o i l b o d y ．I nat ，p i c a le n g m e e r i n gg e o l o g i c a Js e c t i o na s 廿1 er e s e a r C ho b j e c t ，甜l a l y z e sm er e l a t i o n s l l i p b e t 、v e e ns l o p eA n g l ea n ds l o p es 切b i l i t ，，s u r ec a nm e e tm es a f 敏yc o e f 五c i e n to fs l o p ea n g l e ； U n d e rt h ec o n d i t i o no fd i 仃e r e n tp r e s s u r ef o r h 诎s l o p es t a b i l 时a r e 锄a l y z e d ，t h er e a S o n a b l e p r e s s u r ef o rh e i g l l t ．S l o p es t a b i l 时b e f o r e 锄dm e rt h ep r e s s u r ef o rt I l en u m e I i c a ls i I l l u l a t i o n r e s e a r c h ，d e t e n n i n et h ed e s t r o yo fs l o p er o c km a S s ，a 1 1 dr e V e a l s 山em e c h a l l i s mo f t l l el a l l d s l i d e ． K e yW o r d s A J l t a i b a oo p e n - p i tm i n e ；s t e e pe I l d w a l l ；l i m i te q u i l i b r i 眦m e t l l o d ；t t l en 岫e r i c a l s i m u l a t i o n 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 研究现状综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1边坡稳定性分析研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．2数值模拟的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3露天矿陡边坡稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯错误 未定义书签。 2矿区概况及数据调查与整理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1安太堡露天煤矿概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．1矿区位置及交通⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 ．2矿区开发历史与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．3 气候条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．1 矿区地下水赋存状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．2 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 ．3 震区分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．4 煤层赋存状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．3端帮边坡岩体结构面调查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 2 ．4点荷载试验及力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．1岩体试样的采取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．4 ．2点荷载试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．4 ．3岩土力学参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．5边坡稳定性影响因素与潜在失稳模式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．5 ．1边坡稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 万方数据 2 ．5 ．2 边坡形变失稳类型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3端帮边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1极限平衡分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 ．1毕肖普条分法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．1 ．2广义极限平衡方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．3 稳定分析方法的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2边坡安全储备系数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3研究剖面的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 3 ．4边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 3 ．4 ．1压帮前边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 l 3 ．4 ．2压帮后边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 3 ．5边坡加陡后端帮开采与剥离增量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 4F L A C 3 D 软件在陡边坡稳定性分析中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．1 F L A C 3 D 数值计算方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 4 ．2数值模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 ．2 ．1压帮前边坡稳定性数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．2 ．2压帮后边坡稳定性数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．1展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 I V 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 ．1 选题背景 煤炭资源是我国的支柱能源，对于我国的国民经济建设的发展意义重大，稳定的占据 我国能源总体分布的5 5 ％以上。自改革开放以来，我国经济的腾飞促使国家对能源的需求 日益增大，尤其是煤炭资源，与钢铁、电力行业等国家的经济命脉紧密相连。2 0 1 5 年，我 国煤炭总产量3 7 ．2 亿吨，同年我国的煤炭消费总量为3 8 ．8 亿吨。虽然因为煤炭的消费所 产生的一些负面效应制约了煤炭行业的快速发展，但是总体上我国的煤炭产量仍处于缓慢 增长的状态。目前，我国经济建设所需要的煤炭资源的供给主要有两个渠道，一方面进口 诸如俄罗斯，澳大利亚等资源大国的煤炭产品，另一方面统筹规划我国的煤炭开发，科学 的开采分布在我国各个地区的煤炭资源，满足供需。 根据煤炭的生产方式，我国自行开采的煤炭资源里，井工方式开采量占9 0 ％以上，露 天方式开采量不到1 0 ％。井工开采生产效率低，资源回采率在5 0 ％左右，会产生环境污染 以及地表塌陷等负面效应，而露天开采方式的资源回采率高，矿石的损失率在6 ％左右， 还具有建设速度快，生产成本低的优点。近几年我国露天开采煤炭产量年均为5 ．8 亿吨， 肩负起了国家对煤炭大量需求的责任。 平朔矿区安太堡露天矿是上世纪8 0 年代我国与美国西方石油公司合资建设的中国第 一个最大煤炭项目，于1 9 8 5 年开工建设，1 9 8 7 年9 月建成投产，1 9 9 1 年外方撤出后并经 股权收购，成为国有独资子公司，经过2 0 多年的发展，目前已经成为中煤平朔集团有限 公司下属的大型露天煤矿之一。2 0 0 8 年经过扩建，生产规模由原来的1 5 ．o o M 妇增加到 2 2 ．0 0 M 妇。2 0 1 5 年，实现煤炭产量2 3 ．7 9M t ，剥离1 5 4 8 0 万m 3 ，剥采比6 ．5 3m 3 ／t 。 在开采赋存倾斜煤层的露天矿过程中，由于端帮的边坡形态既涉及露天矿的安全，又 与露天矿的经济效益联系密切，所以端帮稳定性问题是露天开采领域研究的重点之一。影 响边坡稳定性的因素有很多，不同条件下的边坡稳定性的主要因素各不相同，根据不同露 天矿独特的工程地质条件，设计满足要求的采场到界边坡形态，是保证露天矿最大程度科 学回收煤炭的基本要素。 安太堡露天矿端帮是指矿坑在工作帮推进过程中，南北两侧出露，并且尚未被内排土 场掩埋的到界边帮。安太堡露天矿现有边帮下压煤比较多，为了延长露天矿的开采时间， 决定开采边帮下的压煤。若按现有帮坡角开采边帮下压煤需要将开采境界进行外扩，并且 剥采比较大。为了解决此问题，采用内排压帮工艺实现陡帮开采。内排土场压帮缩短了非 工作帮帮坡在煤层走向上的暴露长度与暴露时间，同时，采用内排压帮工艺后，面临着原 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 工作帮转变为端帮，为了保证采出煤炭量，需要加陡端帮，加陡后的端帮边坡是否稳定成 为残煤回采的关键。为杜绝滑坡事故对残煤回采工艺造成影响，对工作人员及设备的安全 造成威胁，需要对安太堡露天煤矿端帮陡边坡稳定性进行分析研究，确定合理的边坡形态， 为露天矿剥采工程设计与安全实施提供依据。 1 ．2 研究现状综述 1 ．2 ．1边坡稳定性分析研究现状 边坡作为一个“古老”的岩土和采矿工程问题，许多学者、工程技术人员都对它进行 了深入的研究，形成了丰富的评价方法，从刚体极限平衡法到弹塑性有限元法，从二维平 面应变到三维等等⋯。 早期人们对边坡的研究多利用长期观测资料，分析方法采用地质历史方法进行定性描 述。2 0 世纪2 0 年代初，人们认识到必须将地质分析和力学研究结合起来研究边坡问题， 主要采用刚体极限平衡法，以库伦准则为依据。1 9 1 6 年，彼森提出了条分法，将土坡稳定 问题假定为是平面应变问题，认为土坡的滑裂面为圆柱形，并将裂面以上的土体垂直分条， 不考虑土条间的作用力，将滑裂面上全部抗滑力矩与滑动力矩之比定义为安全系数【2 】。之 后，F e l l e l l i u s 、B i s h o p 、M o r g e n s t e m 和蹦c e 、J a I l b u 等许多学者对条分法进行了改进。其 中，B i s h o p 重新定义安全系数为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生剪应力的比值，使得 物理意义更明确[ 3 l 。 科学研究人员对工程地质模型研究的坚持不懈和边坡稳定性研究方法的创新， 使得边坡稳定性的研究发展获得了一定的成就，边坡失稳变形的预测与治理方法同 时稳步的进步。边坡稳定性研究的方法目前呈多样化发展，但总体来说，边坡稳定性的 研究方法分为定性分析、定量分析和介于二者之间的图解法这三大类。 1 定性分析法 定性分析法也被称为“非数量分析法”，基本是根据科研人员过去的认识经验和人为 的判断以及综合分析，通过对边坡发展历史的自然 成因 历史分析研究与调查，判断边 坡稳定性以及未来发展态势的分析方法【4 | 。此种方法主要是预测分析的方法，基本适用于 边坡数据及资料存在缺失的状况，具体可以划分为、工程地质类比、图解法三种方法。 1 工程地质比拟法 工程地质类比法是将已有边坡同新边坡进行类比，将前者的稳定性状况及其影 响因素、有关设计等方面的经验用于拟建边坡的研究设计中去。为此，需对要类比 的两个边坡进行全面分析研究，比较其相似性和差异性。这种方法只能在比较类似 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的边坡之中才可以做出类比，即做出比较的根本原则是两个边坡类似。这种方法具 有局限性和区域性的特征，不宜使用于大型边坡稳定性评价【5 。6J 。 2 自然 成因 历史分析法 自然 成因 历史分析法是根据分析边坡的历史过程和存在的水文地质环境、 边坡的形状和岩体构造、失稳历史，以及对边坡稳定性产生影响的各种条件以及强 弱关系，进而对边坡的失稳类型和稳定性状况给出分析和评价。这种方法基本运用 于自然边坡的稳定性评价。[ 7 _ 引。 3 图解法 图解法可以分为两大类一是用曲线段和诺谟图像来研究坡体的固定参数与未固定参 数之间的关系，通过计算求得边坡体的稳定性系数；或己给定稳定性系数及结构面的各个 参数，考虑在一个未知的条件下，计算边坡的稳定边坡角或极大边坡高度，这一分析过程 是力学中计算的简化方法。二是运用图解法求取边坡体发生变形直至破坏的临界条件、讨 论岩体软弱夹层的组成形式；分析边坡面破坏后的滑移方向及形态；分析边坡体的稳定程 度，进而为力学的计算方法提供理论依据，一般用赤平投影法作为基本的计算方法。赤平 投影法的核心基础是基于各组层中节理、裂隙的分布形态与边坡体间构成的一种投影关 系。其计算方法步骤如下首先通过现场收集、了解各组节理裂隙的发育特型、发育程度 以及它们之间的相互关系采集完基础资料后进行整理、统计和分析，通过极点图形来实 现这一过程，并从极点图形中筛选出典型的结构面，这些面比较发育而且贯通性较强是影 响边坡稳定性主要因素，尤其是软弱结构面；然后将选择出来的这些节理裂隙垂直投影到 投影网上，利用这些结构面的节理裂隙特点与边坡面之间的相互关系，考虑沿这些结构面 可能发生变形、滑移、破坏形式进而对边坡的稳定性进行评价。此外，读研期间所学的多 种数值模拟方法对计算评价边坡的稳定性，仿真边坡面的变形过程也很实用，如有限元法、 拉格朗日元法、离散单元法、界面元法等。运用工程地质数值法将边坡数据库的信息模拟 成地质模型体，通过计算机模拟边坡的变形破坏规律，构建力学模型，分析材料的本构关 系与力学性质，最后将力学模型转化为数学模型进行技术【9 。l l 】。 定性分析法基本是通过现场工程地质调查研究水文地质状况以及人为活动等条件对 边坡稳定性的影响，并且在分析历史资料的基础上，研究边坡的变形机理和破坏模式，对 边坡的稳定性情况做出定性评价【l2 1 。实际上，由于定性分析法依赖于主观经验过多，无法 同定量分析法一样基于客观的稳定性系数来使计算结果变得更准确‘1 3 d4 1 。 2 定量分析法 ①有限单元法 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 有限单元法是自上世纪6 0 年代因为计算机技术的快速发展而兴起的数值分析法，有 限单元法具备良好的兼容与实践性，有能力解决岩土领域中频繁出现的诸如岩土体的安全 性、滑移和开裂等问题【l5 | 。有限单元法就是运用若干个单元松散连续介质，根绝对这些单 元做分区插值解答不同问题的一种分析方式。有限单元法采用一个连续的无限自由度问题 转化成分散的有限自由度问题。将介质解离成由多个单元组合而成的离散化组织，再运用 结构力学理论给出答案，将此类连续的求解域解离成只有一组结构单元的整体，便合成一 个崭新的离散体结构[ 16 I 。在二维领域中，结构的形状基本采用普通的三边形或四边形，使 之配合边坡坡体多种结构形状。网格的边界、单元的划分，基本是因为不同单元中多样的 边坡稳定问题的需求，过程中可以依据边坡中层、断层、节理等不同构造面性质和岩土性 质做出划分[ 17 1 。在活动较为剧烈的区域，以及必须要重点分析的重区域，结构可以划分更 多；在岩石物理力学参数非正常的区域，必须将异常位置作为结构的界限，例如弱层等岩 层，然后分析临界干涉条件和作用力的方向大小。如果以起始坐标的变量作为待求参数， 把不同结构求得的参数输入之后，依次得到各个坐标的变化量和作用力的大小方向，最终 得到应力。依据不同单元坐标的变化值和位移大小的特点，分析矿山边坡的形变、失稳机 理，在此种条件下对相应的边坡稳定性做出客观的分析【1 8 ] 。边坡被划分成不同结构体后运 用数学模型中的常规代数方程，将复杂的问题做出趋向正确的转化。也就是得到不同未知 数的代数方程，然后求得这个离散方程的代数解从而计算出有限元法的代数解，使用计算 机来加强运算的准确性【I9 1 。 有限元法的兼容性比较好，它可以运用在不同的限定条件以及不同范围的形态变化之 中，能够整体考虑岩层的异常介质和组织构造和基底的联合作用。使用有限元法不但能够 加入应力一应变的变化关系，而且可以深层粗的涉及异常土石中软化夹层的渗流效应、裂 隙水压强效应和岩土单元影响之间的相互关联，以及滑移面上的垂直应力、水平应力随着 时间推移的变化过程、塑性形变阶段与松散软化过程等物理现象。 ②极限平衡法 极限平衡理论是岩土工程领域中使用比较广泛的一种边坡稳定性研究方法，是经典的 确定性分析方法1 2 ⋯。极限平衡法假设边坡为刚性材料，并且存在潜在的滑移面。极限平衡 法以M o I l r ．c o u l o m b 强度理论作为理论依据，依靠经验将边坡的潜在滑坡面离散成不同的 刚体条块，在对条块侧面的作用力做出合理的假设后，对各个条块做静力平衡研究，通过 代数和方程求解坡体的稳定性系数，分析评价边坡的稳定性。 现阶段，传统意义上的极限平衡原理在边坡分析中占据着主导位置。自上世纪7 0 年 代至今，研究边坡稳定性极限平衡法的许多科学技术人员都在将筛选出的最佳方案运用到 搜寻边坡欲滑面的分析实践中投入了大量的精力，而且得到了跨越式的发展。极限平衡法 4 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 是重要的力学研究方式的其中之一，由于极限平衡法计算过程相对简单，本身会有一系列 同它相适应的条件，所以在岩土工程领域得到了非常广泛的使用。极限平衡法经过近乎一 个世纪的发展后，具备了一种系统的理论体制和相对完整的研究模式，是岩土工程领域中 研究时间最早、使用频率最多的研究方式[ 2 l l 。条分法以极限平衡原理为原则，是1 9 2 7 年 丹麦人皮克森史首先提出的。2 0 世纪3 0 年代中期，费伦纽斯和泰勒茨在皮克森史研究工 作的基础之上进一步发展了这种方法。在此之后，毕肖普、萨尔玛德、珍浦等学者都提出 了各自的限定条件和其安全性评价的方式[ 2 2 1 。上述方法的根本原则全部是条分法，也就是 凭借经验将研究边坡划定为不同的垂向条状区域，在对条状区域侧体的载荷做出对应的限 定后对不同的条状区域进行静态稳定研究，根据代数和的方式得到边坡稳定性系数。在计 算机技术飞速发展的今天，还能够通过编写对应的程序，采用不同的分析方式来计算，最 终得出危险的滑移面以及最小的稳定性系数[ 2 3 1 。但是相对于普通岩石性质的边坡体，因为 边坡岩体中包含很多形状和性质不一而同的非连续结构面，所以科研人员能够采用刚体极 限平衡理论，通过边坡特定的一组或者两组结构面的安全性来评价全体边坡的安全性，同 时参考不同种因素对边坡的作用【2 3 ‘2 5 J 。 目前，有关边坡稳定性评价的方法有很多，其中极限平衡法由于原理简单，易于操作 且通常可以达到工程的要求而被广泛应运，不足之处是该方法不够完善，计算模型过于简 单化、破坏滑动面确定方法比较困难等缺点，往往不能全面考虑坡体内部的应力、应变变 化状态，对边坡失稳的演化机理不够逼真。针对复杂性结构面的边坡体适用性差。随着计 算机的快速发展，计算方法也比较多，例如有限元法、离散元法、有限差分这些典型的 分析方法在边坡工程中不断的发展推广。该计算方法无需假设滑移面的状态及具体位置， 可有效的模拟边坡的循序失稳过程，此外还可以提供应力、位移、应变、变形的全部信息， 现己发展为一种高效有力的计算分析手段。 工程领域范围内，边坡的稳定性评价及设计原理多数是依据各向同性介质理论，运用 极限应力法判断滑移面，用次方法作为边坡稳定性的计算依据和设计参数选择；但就反倾 斜边坡而言，其主要的变形破坏集中在在坡顶，用极限平衡法来分析这类边坡的稳定性是 不合理的。数值计算方面，从业者分析了反倾斜边坡间距和岩土力力学参数对形变的作用。 但是，因为边坡稳定性由多个因素共同决定的，不同因素之间又具有不确定性和复杂性。 所以，针对以上分析方法用于边坡稳定性分析，在精准性方面与实际状况存在一定范围内 的距离。在模型实验方面，模型实验过程时间很长、经济不合理。现在，研究人员对岩体 边坡的破坏原因以及破坏理论还没有完整的、科学的结论，工程实际运用过程中具有相对 的局限性。所以，研究逆倾岩体边坡的失稳机理和运动机制这一研究方向仍然是当前边坡 工程研究的难点部分。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．2 ．2数值模拟的研究现状 露天矿边坡的失稳模式多元化，研究失稳机制的理论也非常多样化，基本的分析方法 有极限平衡分析法、数值分析法、随机概率法等。运用极限平衡分析法研究的是土石极限 条件下的载荷与稳定性，此种方法以极值理论为理论基础，这种方法的优点是体现了土石 的应力变化关系，以塑性极限平衡分析理论的上下界原理来求得极限应力和最大负载能 力。但是这种方法仅仅参考了静态平衡情况而没有体现土石体的应力变化关系，在基本条 件下，土石状态都是静态形式的，极限平衡分析法一般情况下需要做出适当的假设来使条 件静定化。所以，使用此种方法计算得出的最后结果有一定范围内的误差。数值模拟法是 现在土石工程研究中应用较为广泛的分析方式，通过计算单元把土石分成微小的网格加以 离散。离散之后，将土石有可能出现的滑移面分成不同的条块，依照每个条块的方向，运 用位移分析法、强度比例法和平行载荷投影法得出对应条块的正向应力和剪切应力，建立 受力平衡来研究。随机概率法是运用计算机模拟方法，对边坡的非确定因素做出模拟，通 过提取非确定因素的随机参数计算失稳系数和可靠指数，以体现不同的非确定因素对边坡 稳定性产生的作用。由于土石的非线性和非均匀性，数值模拟方法在工程应用上还有一定 局限性，但此种方法不需要假设滑移面，在模拟边坡失稳形变的方面有突出的优势。 对于露天矿含断层的逆倾层状边坡稳定性进行数值模拟研究，辽宁工程技术大学曹兰 柱教授和王东副教授等，运用极限平衡软件F L A c 3 D ，根据强度折减理论，将D P 准则认 定为岩体破坏的准则，以塑性区贯通作为边坡发生失稳的理论基础，依照研究断层与边坡 空间不同以及东北端帮边坡失稳的失稳特征，揭示了断层构造对边坡滑坡模式和坡体稳定 性的影响【2 6 。。 陈佳，唐开元，周雪斐提出的数值分析法在边坡稳定分析中突破了极限平衡法的局限， 揭示了岩土体自身的应力应变关系。在各种数值研究方法中，强度折减法把强度折减理论 同数值模拟法法完美的结合在一起，不但可以反映出边坡的应力场分布特性，还可以反映 出边坡破坏的发生过程。基本上这种方法可以计算边坡的稳定性系数。所以，在强度折减 法理论下的边坡稳定性分析法在边坡稳定性研究领域的分析和应用中得到越来越成熟的 发展‘2 7 1 。 东北大学岩石破裂与失稳研究中心自行开发的软件I 江P A 2 D ，可建立滑坡前的边坡模 型，对矿山边坡失稳滑坡进行数值模拟，不需要对滑移面的形态和方向做出任何假设，根 据地质资料和矿山资料将数据输入并且建立数值模型后，可以准确计算边坡的滑移面、失 稳过程以及相对应的稳定系数【2 8 1 。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 自上世纪七十年代以来，以有限元为代表的数值模拟分析方法己慢慢应用于岩 土工程中，逐渐成为边坡数值计算中的一种强大工具。在计算机技术快速发展的今 天，在有限元强度折减法受到国际上广泛关注，与其他方法相比，它的独特之处是 采用力和位移的不收敛作为有限元分析过程中边坡失稳的标志，以普通塑性应变或 者相似塑性应变从边坡底部至边坡顶部贯通作为边坡发生破坏的标志。 1 ．2 ．3 露天矿陡边坡稳定性研究现状 就边坡的稳定性而言，它取决于诸多因素，比如说岩土结构、强度、工程荷载条件、 地下水等。因此，如何从多个影响因素中判断影响边坡的稳定性的主次关系是边坡研究中 的重要课题。 曹兰柱教授、王东副教授等认为对于露天矿高陡逆倾层状边坡，滑坡的发生是岩土体 累进性变形直至破坏的过程，在滑移前必然沿弱层发生隆起现象，以此作为滑坡预警的理 论依据。并针对平庄西露天矿端帮逆倾高边坡进行了研究，认为平庄西露天矿端帮滑坡是 在拉一剪复合作用下形成的，而弱层是坡体滑移模式与稳定性的控制性因素【2 9 1 。 栾婷婷、谢振华等在研究露天煤矿陡边坡滑移预测的技术中从坡体的空间、位移和强 度三方面对坡体滑移的多种模型的应用分类做了研究。对边坡的使用原理及预警判断进行 了统一归纳㈣，分析了露天煤矿陡边坡坡体滑移预示的研究趋势‘3 0 1 。 彭小云等利用灰色系统理论对陡变帮进行研究，认为影响陡边坡的稳定性的主要因素 是其重力。在边帮陡的情况下重力产生的下滑力很大。其次是岩石结构面对边坡稳定性的 影响较大，因构成坡体的岩石具有高陡的形态。一般情况下其总体的稳定性较高，而其它 因素如地下排水、爆破震动等则要针对具体情况而定【3 1 1 。 黄昱清采用强度折减有限单元法以及运用A B A Q U S 软件对某露天煤矿陡边帮进行了合 理的赤平极射投影研究，并采用圆弧滑移法以及组合滑移法，进行刚体极限平衡的边坡稳 定性研究，在自然以及饱和条件下对整体边坡破坏模式作出分析，明确了边坡的合理安全 储备系数l “J 。 杨天鸿等针对露天矿陡边坡稳定性的发展趋势，提出了有关“边坡岩体渐进损伤破坏 是边坡岩体失稳前兆本质特征”的观点，并且对露天矿边坡岩石强度的体现方法和动态 稳定性评估策略做了系统研究，由微弱震动的前兆预示和边坡岩石参数的备用系数为失稳 依据，从而完成对露天煤矿边坡稳定性分析的动画预测【3 3 | 。 赖书林、张宇明等通过赤平极射投影法与极限平衡法，从定性与定量的角度就陡边帮 的稳定性进行理论分析。再考虑这两种讨论得出合理的评价结果。该研究成果对边坡稳定 性的判断具有很高的时效性和精确性【3 4 | 。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论