大峰露天煤矿开采终了边坡稳定性分析及其对策措施.pdf

西西 南南 科科 技技 大大 学学 工程硕士专业学位论文工程硕士专业学位论文 大大峰露天峰露天煤矿煤矿开采终开采终了边了边坡坡 稳定性分析及其对策措施稳定性分析及其对策措施 作作 者者 姓姓 名名侯侯敏敏 所所 在在 学学 院院环境与资源学院环境与资源学院 专专 业业 / 领领 域域矿矿 业业 工工 程程 学学 校校 导导 师师陈星陈星明明教授教授 校校 外外 导导 师师韦学韦学忠忠高级工程师高级工程师 论文完成日期 2018 年 4 月 15 日 万方数据 Classified indexTD824 U.D.C622 Southwest university Of science and technology Master degree thesis Stability Analysis and Countermeasures of Mining end Slope in Dafeng Open Pit Coal Mine Candidate Hou Min Department School of Enviroment and Resource Speciality Mining Engineering Supervisor 1 Prof.Chen Xingming Supervisor 2 Senior Engineer Wei Xuezhong Date Apr, 15, 2018 万方数据 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 II页 摘要 边坡失稳破坏是露天矿山开采重大灾害之一，大峰露天煤矿作为神华集 团最主要的无烟煤主产区，在地下开采转露天开采后， 随着开采深度的加大， 局部边坡坍塌事故频发，虽无较大的人员财产的损失，但为生产造成了一定 的影响。由于设计的开采终了边坡整体较高，且边坡节理发育，终了边坡安 全将制约矿山的开采和企业的发展。因此，以大峰露天矿为背景，对终了边 坡的稳定性进行研究，主要研究内容为 （1）通过工程地质分析，了解和掌握了大峰露天煤矿的地质构造，边坡 层理结构，并根据层理的分布特征，将边坡的潜在破形态进行了分类，边坡 破坏可以分为以非工作帮为例的顺层滑坡及以端面为例的圆弧形滑坡。 （2）采用理论分析方法，对两种类型的边坡进行了理论安全系数计算， 并改变相关结构参数，计算不同结构参数条件，安全系数的变化特征，台阶 坡面角及台阶高度对于边坡的稳定性影响较大，终了边坡的台阶高度和坡面 角的临界值为 15m 和 70。 （3）通过数值模拟方法对理论分析结果进行了验证，运用 FLAC3D 直 观通过应力云图分析了潜在滑面应力变化特征。同时对数值模拟结果采用正 交试验分析，确定了最优终了边坡结构参数，即非工作帮终了边坡最优的结 构参数为台阶高度 10m，台阶坡面角 70，台阶平盘宽度 5m；端帮最优的 边坡结构参数为台阶高度 15m，台阶坡面角 70，台阶平盘宽度 3m。 （4）通过大量的边坡实例，归纳总结了边坡防护的措施，并根据大峰露 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 III页 天煤矿的实际情况，提出了三种防护措施1）边坡参数优化；2）边坡控制 爆破技术研究；3）其他措施，如排水工程，锚固技术，边坡监测技术等。 通过实际工程地质分析， 针对不同的矿山边坡特征建立了理论计算模型， 并进行了大量的计算，然后运用数值模拟手段对计算模型进行了计算，最后 提出了相应的防护措施，理论、模拟与现场实际相结合，使得大峰露天煤矿 终了边坡的研究成果具有较高的实用价值。 关键词大峰矿边坡稳定性理论分析数值模拟防护措施 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 IV页 Abstract Slope failure is the main disasters of open mining in large opencast coal mine of Shenhua Group as the peak the main coal producing areas. After underground mining turn to open pit mining,with the increase of mining depth, local landslide accident frequently.Although it had no great loss of personnel property, caused a certain influence for the production. Due to the high overall slope of the design and the development of the slope joints, the safety of the slope will restrict the mining and the development of the enterprises. Therefore, the stability of the end slope is studied by the background of Dafeng opencast mine. The main contents are as follows 1 By engineering geological analysis, the geological structure and slope bedding structure are grasped.According to the distribution characteristics of bedding, the potential failure mode of the slope and slope failure can be divided into the non working wall as an example of the landslide and landslide along the arc to end as an example the. 2 The theoretical analysis is used to calculate the theoretical safety factor of the two types of slopes, to change the parameters of the related structures,to calculate the parameters of the different structural parameters and the change characteristics of the safety factor. The slope angle and the step height have the greatest influence on the stability of the slope, and the step height and 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 V页 the slope angle of the slope are finally ended. The critical value is 15m and 70 degrees. 3 The results of theoretical analysis were verified by numerical simulation. The stress variation characteristics of potential slip surface were analyzed by FLAC3D directly through stress cloud diagram. At the same time, the optimum final slope structure parameters are determined by the orthogonal test analysis. In a word, the optimal structural parameters of no-working wall are as followsthe step height is 10m, the angle of the step slope is 70, the width of the flat plate is 5m.The optimal structure parameters of end slope are as follows the step height is 15m, the step slope angle is 70, the width of step flat plate is 3m. 4 Through a lot of examples of slope, summarizes the slope protection measures, and according to the actual situation of the large peak of open-pit mine and puts forward three protective measures 1 slope parameter optimization; 2 study on blasting technology of slope control; 3 other measures, such as drainage engineering, anchoring technology, slope monitoring technology etc.. Through the actual engineering geological analysis, a theoretical model is proposed according to the different features of rock slope, then Flac3D numerical analysis was used to calculate safety factor, finally puts forward correspondingprotective measures,combinedtheory,simulationandfield practice, the research results of the end slope of Dafeng open pit coal mine have high practical value. 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 VI页 Key words Dafeng mine; slope stability; theoretical analysis; numerical simulation; protection measures 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 VII页 目录 1绪论............................................................................................................................1 1.1选题背景及意义.................................................................................................1 1.2露天矿边坡稳定性研究现状............................................................................2 1.2.1露天矿边坡工程的特点............................................................................. 2 1.2.2边坡稳定研究方法......................................................................................4 1.2.3提高露天矿边坡稳定性措施...................................................................10 1.3研究内容及方法...............................................................................................11 1.3.1研究内容.....................................................................................................11 1.3.2研究路线.................................................................................................... 12 2大峰露天煤矿地质概况.........................................................................................14 2.1工程概况...........................................................................................................14 2.1.1矿区位置和交通........................................................................................14 2.1.2地形地貌特征............................................................................................15 2.1.3矿区开采历史及现状............................................................................... 15 2.1.4水文地质特征............................................................................................16 2.2煤层地质...........................................................................................................17 2.2.1矿田地质.................................................................................................... 17 2.2.2矿田构造.................................................................................................... 18 2.2.3煤层煤质.................................................................................................... 19 2.3工程地质与开采技术条件..............................................................................21 2.3.1岩体的工程地质特征............................................................................... 21 2.3.2岩体质量.................................................................................................... 23 2.3.3可采煤层顶底板岩石物理力学特征......................................................24 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 VIII页 2.3.4煤矿环境地质特征....................................................................................27 2.4终了边坡工程特征.......................................................................................... 30 3终了边坡稳定性影响因素及破坏机制分析.......................................................34 3.1终了边坡稳定性影响因素..............................................................................34 3.1.1一般边坡稳定性影响因素.......................................................................34 3.1.2大峰矿终了边坡稳定性影响因素.......................................................... 37 3.2终了边坡破坏机理分析..................................................................................38 3.2.1一般边坡变形基本类型...........................................................................38 3.2.2大峰矿终了边坡破坏类型.......................................................................39 3.2.3边坡稳定性系数理论计算分析...............................................................40 3.3本章小结...........................................................................................................46 4终了边坡稳定性数值模拟分析............................................................................47 4.1基本力学模型...................................................................................................47 4.1.1数值建模软件优选....................................................................................47 4.1.2三维数值模型参数....................................................................................49 4.1.3三维数值模拟方案....................................................................................51 4.1.4三维数值模型............................................................................................53 4.1.5数值分析评价方法....................................................................................55 4.2边坡稳定性数值结果......................................................................................55 4.3边坡稳定性分析...............................................................................................60 4.4本章小结...........................................................................................................62 5终了边坡形成过程稳定性对策措施研究...........................................................64 5.1终了边坡参数优化研究..................................................................................64 5.1.1边坡角优化................................................................................................65 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 IX页 5.1.2边坡高度优化............................................................................................67 5.2终了边坡控制爆破技术研究..........................................................................70 5.3其他措施...........................................................................................................72 5.3.1排水过程.................................................................................................... 72 5.3.2锚固技术.................................................................................................... 72 5.3.3加强对边坡的监测....................................................................................73 5.4本章小结...........................................................................................................73 6结论..........................................................................................................................74 参考文献........................................................................................................................76 致谢........................................................................................................................78 攻读硕士学位期间发表的学术论文及参与研究项目.............................................80 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 1页 1绪论 1.1选题背景及意义 根据统计数据显示，露天矿山规模较大，特别是在铁矿和有色金属矿， 大型矿山数量分别达到 40 个和 12 个，总计约 1500 个，截止 2017 年，全国 铁矿石露天开采量占总开采量 86.4，有色金属矿露天开采量占总开采量 49.6，煤炭露天开采占总开采量 5，建材类矿山露天开采量占 100，冶 金辅助材料露天开采量占总开采量 90.5。露天开采由于安全条件好、机械 化程度高、资源回收利用率高等优点，成为浅埋矿床首选方法[1-5]。 由于露天开采优越的交通环境，为了进一步提高矿山开采效率，越来越 多先进高效的钻孔设备得到应用，大孔径、高台阶爆破技术得到发展，特别 是在矿岩硬度比较大的露天矿Φ310mm 牙轮钻机逐步取代了Φ200 和Φ 250mm 潜孔钻机，露天矿开采出矿量越来越大，年开采深度越来越深，矿山 开采效率逐步增大的同时，边坡安全隐患也越来越多。 20 世纪 50 年代，我国边坡稳定性研究开始起步，主要以材料力学和简 单的土力学进行边坡稳定性计算。60 年代，边坡研究理论得以发展，其中以 岩体结构理论和流变理论为代表。70 年代，结合矿山实际情况，建立了相应 的过程地质模型，开展了工程地质力学研究[6]。80 年代开始推广应用数值模 拟技术及边坡可靠性分析，经过近 70 年的发展，边坡稳定性研究理论不断成 熟，将传统的方法不断发展，结合新的理论和试验，逐步形成了定性和定量 分析法。 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 2页 大峰矿煤层具有“太西无烟煤”称号，品味高，含有杂质较少，工业生 产过程中，燃烧值高，污染较少，在冶金和化工等方面得到广泛的应用。自 1958 年-1996 年为露天小规模开采，1996 年-2006 年为井工开采，由于地采 受火区影响停止生产，2011 年开采呈规模露天开采，由于大峰矿煤层较多， 赋存条件复杂，随着开采深度不断加大，边坡失稳现象逐步增多。因此本文 以大峰露天煤矿开采终了边坡稳定性分析及其对策措施为题，通过对大 峰露天煤矿进行详细的现场勘查及资料收集整理，利用已知的矿岩性质，运 用相关理论进行边坡安全系数计算， 并采用 Flac3D 分析软件建立特征边坡模 型，分析不同结构参数下边坡终了状态的位移、应力分布特征等，对大峰露 天煤矿终了边坡的稳定性进行深入系统的研究，提出边坡防护措施并应用于 现场实践。 1.2露天矿边坡稳定性研究现状 1.2.1露天矿边坡工程的特点 露天矿边坡工程属矿山工程，其特点主要有如下几个方面[7-9] （1）露天矿边坡赋存条件的特殊性 矿产资源特别是露天矿由于其特定的构成因素，大量的矿产资源呈一特 定的形态埋藏与地下，开采过程中只能根据矿山既定的赋存状态进行开挖， 这也导致矿山与水电工程，公路隧道工程等工程存在很大的差异，水电工程 和公路隧道工程等可以根据地质条件在开挖时进行选择，优选开采的地段或 位置，而矿山一旦勘察完成，只能根据其形态制定方案，露天矿山的边坡设 置条件也只能根据矿山的开采规模进行设计， 以满足矿山生产和建设的需求。 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 3页 （2）露天矿边坡工程的时效性 煤矿一般呈水平或缓倾斜赋存，在基建期完成永久边坡的建设，将会产 生较大的基建费用，且耗时较长，对矿山的投产产生较大的影响。因此，为 了减少基建工程量，尽早采矿，一般采用临时边坡，临时边坡的利用时间较 短，因此根据矿床的赋存状态，临时边坡结构参数随时调整，只需保证开采 过程的稳定即可。矿床开采至最终境界时，根据设计，完成终了边坡的施工， 并采取措施增加终了边坡的稳定性。 （3）边坡及岩体的可变形性 岩质矿山边坡由于其岩石的延展性和弹塑性特征，边坡及岩体均允许有 一定的弹塑性变形，在允许的变形范围内，边坡位移或者轻微的滑移破坏不 会对矿山边坡造成影响，只需要采用一定的措施，如设置清扫平盘等来减小 碎石滑落对下部开采区域人员和设备的安全即可，这个特点与大坝工程及隧 道工程有着明显的不同，大坝及隧道工程由于其工程的重要性及特殊性，施 工及监测及其严格，不允许产生岩体的变形破坏，否则必须采取措施弥补岩 体的破坏。 （4）边坡陡峭且破坏因素较多 露天岩质边坡开采最主要的方法即为爆破法， 根据矿山所处的地质环境， 爆破可以分为齐次爆破和逐孔爆破，根据矿山开采的规模单孔，单次爆破药 量各部相同，这就导致边坡受爆破振动影响存在不同。但是，只要矿山开采， 爆破对边坡的影响就一直存在，爆破施工对边坡的影响可能造成长期的疲劳 破坏，导致矿山边坡内部破裂失稳。目前，露天矿山大多采用微差爆破，主 要目的就是减少一次爆破的药量，降低爆破振动的影响，增加相邻爆破矿岩 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 4页 相互挤压破碎的时间。同时矿床一般埋藏与地下，随着矿床走向和倾向的不 同，矿山边坡高度和角度各部相同，矿体倾角越大，露天矿山边坡高度越高， 矿山越平滑，地面越平，边坡高度越小。 （5）露天矿边坡地质工程的阶段性 由于矿床赋存于地下，在初步设计阶段，对于矿床的认知主要为地质勘 查资料，这就需要地质资料越详细越好，为初步设计提供依据。当矿山开采 施工时，地质资料起着指导性作用，用于指导基建工程定位等，但是随着工 程的进行，需要根据地质条件的变化不断的调整方案和措施，并修正地质资 料，而在矿山开采阶段，一般沿着矿体进行开采，这就需要随着对矿石进行 化验， 分析矿体的走向及倾向， 临时边坡随着矿山开采的进行不断发生变化， 而终了边坡需要根据开采中对矿体和岩性的掌握，对设计进行优化。 1.2.2边坡稳定研究方法 1.2.1.1工程地质分析法 （1）工程类比法[10-11] 此方法主要是利用前人已有的对矿山边坡稳定性影响因素，边坡结构参 数和安全系数的分析方法，将不同的方法进行总结分类，在实际工程中对比 经验与现实条件的区别，当已有工程与实际工程类似时，将其结论应用于实 践，对实际边坡工程按照经验方法进行设计，分析和批判的一种方法。 其核心就是需要对已有的边坡稳定性成果进行总结和分析，对实际工程 进行甄别和对比分析，找出共同点和不同点，然后进行应用。由于不同人对 边坡工程稳定性影响因素理解和分析方法不同，经验结果也受人为因素的影 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 5页 响，因此，工程类比法存在较大的误差，仅用于对边坡进行宏观的对比判断， 不合适于进行复杂重大工程参数设计等，适合于小型工程，在应用时需要尽 可能多的经验进行相互验证。 （2）专家系统法[12-14] 此方法主要特点是相对客观，在分析和解决问题时，考虑到学科领域问 题，如对水电边坡工程与矿山边坡进行区分，根据不同领域专家的水平进行 分析和推，属于计算程序。此方法应用于边坡稳定性分析主要是将边坡评价 分析与边坡优化程序智能化，通过系统分析，形成以某一专家或多位专家角 度的综合评价体系， 形成一套严谨的，从人的客观评价角度出发的评价流程， 优点能够从专家角度出发，提升了评价的客观性和专业性，减小了工 程量，节约时间。 缺点采用专家系统评价方法由于采用只能程序式评价，不能针对每个 工程特点进行针对性的独特的分析，每个边坡案例分析方法和流程一直，导 致有可能结果一直，这就与显示存在一定的差异，对边坡稳定性评价不利。 （3）范例推理法[15-18] 此方法主要与工程类比法相似， 特点是将大量的经验工程作为范例存储， 然后在分析时，根据与工程相似的目标范例的分析，将范例工程的分析“源 代码”，即分析的过程，流程，结果，措施等应用于新的工程对象，得到新 工程的研究思路和方法，其主要是通过对范例进行不断的更新来达到分析匹 配性。其主要思路就是通过已有的范例工程来为新工程提供思路和方法，实 现问题的解决，缺点比较明显，范例工程具有独特的条件，导致每个工程都 能成为一个新的范例，因此范例源太多，分析比对过程较复杂和繁琐，对于 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 6页 工程的应用存在一定的劣势。 1.2.1.2极限平衡分析法 极限平衡法相对其他方法来说较简单，经常被应用于各种边坡工程的分 析计算中。其核心是在计算时做出了一些不同的假设，如在对土质边坡进行 计算时，将土体假定为刚体材料，同时不考虑土体的应力应变曲线，这也使 得这种方法产生了一定的局限性，即不能准确的计算边坡的变形特征及应力 分布特征。大量的专家学者度此方法进行了研究，并进行了工程运用，如杨 松林在传统的条分法的基础上提出了一种广义的条分法，解决了传统条分法 对条块间分界面的人为假定误差较大的问题，运用公式充分考虑了条块间真 实存在的变形和应力特征，计算结果更加接近实际，更加符合岩土工程。其 采用优化搜索的方法给出了相对最危险的潜在滑动面及其安全系数。但是实 际边坡一般条件较复杂，因此在进行分析计算时，往往需要对各种因素进行 假设，导致计算的条件与实际工况存在一定的误差 （1）瑞典条分法。进行了三个基本假定，即 a.人为边坡稳定属于平面应 变问题；b.边坡变形破坏的滑动面为圆弧性破坏；c.在进行圆弧面安全系数的 计算时，将条块重量向滑动面法切线和法向方向进行分解。该方法没有忽略 了条块间的相互作用限制,仅仅能满足滑动体的边坡平衡条件， 因此将产生较 大的误差，同时使得边坡安全系数计算结果存在一定差异，计算结果偏小 [19-22]。 优缺点在相关参数或者压力结构不确定时，能够对边坡稳定性进行系 统的分析，且计算结果与实验结果误差不大，结果可靠，但是在计算时必须 有一定的条件，即在分析边坡失稳前，需知道边坡滑面的大致方位。由于土 万方数据 西南科技大学硕士研究生学位论文第 7页 质边坡均质性好，能够较准确的事先分析滑面，计算结果相对较精确，但岩 质边坡由于边坡内岩体结构的不确定性，导致计算结果存在较大的误差，在 分析岩质边坡时，需对边坡岩体结构有一个明确的认识。 图 1-1瑞典条分法原理 Fig.1-1Principle of the sweden slice （2）Bishop 条分法[23-26]。Bishop 法是瑞典条分法的提升，主要是增加 了对岩质边坡滑面状态的假设，对划分的条