东明露天煤矿非工作帮边坡稳定性分析及治理措施研究.pdf

分类号分类号TD824密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码10127 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 东明露天煤矿非工作帮边坡稳定性分析及治理措施研究 英文题目 东明露天煤矿非工作帮边坡稳定性分析及治理措施研究 英文题目 The nonworking slope stability analysis and treatment measures in Dongming open pit coal mine 学位类别学位类别工 程 硕 士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名王琪学号学号2013022379 学科学科领域领域名称名称矿 业 工 程 指导教 师指导教 师李 世 平职称职称教 授 协助指导教师协助指导教师职称职称 2015 年 6 月 5 日 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 标随着经济的不断发展， 煤矿的利用程度不断的加深， 而露天矿作为煤矿开采的 重要组成形式， 如何安全有效的开采成为重要研究课题。 东明露天煤矿随着生产的进 行，矿坑不断延深，边坡临空面积增大，各岩层构造相继揭露，露天矿边坡稳定性因 素和生产的安全问题日益突出。 本文针对东明露天煤矿非工作帮（西帮、南帮）滑坡突出问题，以边坡为基础收 集资料进行现场勘查。 直剪试验结果和破碎带三轴试验结果， 破碎带试验干密度为 1.64PD 凝聚力为 5.4 进行岩土体物理力学性质试验，得出岩石密度、吸水率、抗压及弹性模量试验成果， 并发现岩层的抗压强度、 抗剪强度指标较低， 密度较低、 易风化、 吸水率较大等特点。 并得出 6KPa 内摩擦角为 14.6 度。得出岩土物理力学指推荐值。并从地质条件方面、 边坡结构因素、水文条件及生产因素等方面对边坡滑坡的影响进行了分析。 以极限平衡理论为基础，对安全系数的定义、摩尔-库仑强度准则、力平衡条件 进行研究。并确定了边坡稳定性分析计算的方法。 现以西帮 GK1；南帮滑坡前 GK3 剖面；南帮滑坡后 27 测线为研究对象，运用 GEO-SLOPE 与 FLAC3D 软件进行计算与数值模拟，得出非工作帮滑坡模拟云图，并 对云图进行分析， 确定西帮和南帮的合理边坡参数， 同事对确定合理边坡参数后的西 帮和南帮进行了模拟分析，最后对边坡的变形破坏提出防治措施。 最终确保在非工作帮边坡稳定的基础上，减少剥离量，相对增加煤的采出量，达 到提高经济效益目的，保证露天煤矿生产的安全顺利进行。 关键词关键词FLAC3D；GEO-SLPOE；边坡稳定性分析；刚体极限平衡 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract With the continuous development of economy and the coal utilization degree deepens unceasingly, how to safe and effective mining has became an important research topic. As the Dong Ming coals slope airport area increasesing and the strata structure revealed, the slope stability factor and production safety problem were increasingly prominent. In this paper, the non-working slope East slope and West slope of Dong Ming coal mines landslide is outstanding. So it is based on data collected in the slope site inspection. Though the physical and mechanical properties of rock and soil tests, obtained rock density, water absorption, compressive strength and elastic modulus test results, and found that the ation of the compressive strength, shear strength index is weak, easily weathering, larger water absorption.The test results of the calculated fracture zones triaxial straight cut, crushed with dry density test was 1.64PD, cohesion was 5.46KP, and internal friction angle was 14.6, obtain geotechnical physical mechanics inds recommended. Basing limit equilibrium theory, definition of the safety factor, Mohr - Coulomb strength criterion, equilibrium conditions were studied. And determine the of calculation of slope stability analysis. Now using GK1 in West slope、GK3 in south slope and 27 survey line afer south slope for study , GEO-SLOPE and FLAC3D were used simulation calculated the non-working solpe landslide simulation cloud, and cloud analysis to determine the Slope parameters of South and West. Finally, the slope deation damage control measures were proposed. Ultimately ensuring the basis of non-working slope on slope stability, reduced the amount of ablation, increased the amount of coal mining, improved the economic, and ensured the safety of open-air production smoothly. KeyWords Flac3D；Geo-slope；Cylinder block limit equilibrium；Slope stability analysis 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要.................................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................................II 1 绪论.....................................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义.......................................................................................................1 1.1.1 研究背景.........................................................................................................1 1.1.2 研究意义........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状......................................................................................................2 1.3 研究的内容及技术路线...........................................................................................4 1.3.1 研究内容.........................................................................................................4 1.3.2 研究技术路线.................................................................................................6 2 工程背景及地质条件分析.................................................................................................7 2.1 工程概况...................................................................................................................7 2.1.1 地理位置.........................................................................................................7 2.1.2 气候条件........................................................................................................7 2.1.3 地形地貌........................................................................................................8 2.2 工程地质条件...........................................................................................................8 2.2.1 地层岩性........................................................................................................8 2.2.2 岩土工程地质特征........................................................................................9 2.2.3 水文地质条件..............................................................................................10 3 非工作帮滑坡因素分析...................................................................................................13 3.1 研究方向与方法.....................................................................................................13 3.2 以往试验分析.........................................................................................................13 3.3 本次岩土物理力学性质试验.................................................................................13 3.3.1 试验概述.......................................................................................................13 3.3.2 实验成果分析...............................................................................................15 3.4 岩土物理力学指标推荐值.....................................................................................17 3.5 边坡滑坡影响因素分析.........................................................................................17 3.5.1 地质因素.......................................................................................................17 3.5.2 边坡结构因素影响.......................................................................................18 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.5.3 水的因素.......................................................................................................18 3.5.4 生产因素.......................................................................................................19 3.5.5 其他因素.......................................................................................................19 4 基于极限平衡法的边坡稳定性评价...............................................................................20 4.1 极限平衡理论浅述.................................................................................................20 4.2 边坡稳定性计算方法.............................................................................................20 4.3 安全储备系数的确定.............................................................................................22 4.4 计算剖面及岩土物理力学指标的选取.................................................................23 4.4.1 计算剖面的选取...........................................................................................23 4.5 边坡稳定计算与分析............................................................................................25 4.5.1 西帮现状边坡稳定性计算结果...................................................................25 4.4.2 南帮滑坡前边坡稳定性计算结果...............................................................26 4.5.3 南帮滑坡后边坡稳定性计算结果...............................................................27 5 基于 FALC3D 的数值模拟分析......................................................................................29 5.1 理论基础.................................................................................................................29 5.1.1 增量弹性法则...............................................................................................29 5.1.2 屈服函数和势函数.......................................................................................29 5.1.3 塑性修正.......................................................................................................32 5.1.4 强度折减法的计算原理...............................................................................32 5.2 数值模拟计算.........................................................................................................33 5.2.1 模型建立.......................................................................................................33 5.3 数值模拟结果分析.................................................................................................34 5.3.1 西帮现状边坡数值模拟结果及分析...........................................................34 5.3.2 南帮边坡滑坡前数值模拟结果及分析.......................................................39 5.3.3 南帮边坡滑坡后数值模拟结果及分析.......................................................44 6 非工作帮滑坡治理方案............................................................................................50 6.1 非工作帮滑坡治理方案及模拟分析.....................................................................50 6.1.1 西帮边坡滑坡治理方案确定.......................................................................50 6.1.2 西帮治理后模拟分析...................................................................................51 6.1.3 南帮边坡滑坡治理方案确定.......................................................................54 6.1.4 南帮治理后模拟分析...................................................................................55 内蒙古科技大学硕士学位论文 6.2 边坡变形破坏防治措施.........................................................................................57 结论..............................................................................................................................59 参考文献..............................................................................................................................61 在校研究成果......................................................................................................................65 致谢..............................................................................................................................66 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 1.1.1 研究背景研究背景 在我国经济不断发展得大背景下，大量的工程活动都涉及到边坡稳定性问题。 岩土工程中的边坡稳定性问题是个重要的研究方向和内容， 涉及的方向广泛例如公路 、铁路、电力工程、水利工程、矿山工程、港口建设、建筑道桥等等多个工程领域。 边坡稳定性对于整个工程的可靠度、安全度、 以及社会经济效益都与边坡稳定性都重 大关系。因此，对于边坡稳定性进行分析和治理就成为一项必不可少的研究项目，事 关提高工程整体的效益[1]。 露天矿边坡的稳定性是露天矿涉及中的重要研究部分也是现代矿山安全研究和 矿山经济的重点与热点[2]。伴随着露天矿山工程的不断发展，开采规模扩大和深入不 断的加深，露天矿边坡失稳问题日益严重，根据不完全统计，在露天矿山中仅限于一 座中等规模的矿山，如果它的采场总体边坡角提高 1 度， 那么它讲节约岩石的剥离量 可以达到 1000 x104m节约的成本达到上亿元，但是边坡越陡，滑坡的危险性也就越 大， 所以在提高边坡角和维护边坡稳定性之间如何维持一个平衡必需要有一个行之有 效而且立竿见影的方案。 露天矿边坡稳定性分析之所以是一项复杂的工程力学问题的原因是由于存在复 杂多变的影响因素，因露天矿边坡工程本身不但具有时效、动态、可变性等特点，需 对不一样地质环境和不同的赋存条件需针对不同的矿山， 进行安全且具有经济效益的 分析。 1.1.2 研究意义研究意义 东明露天煤矿始建于 2005 年，开采方式为露天开采，开采工艺为单斗汽车工 艺，原生产规模为 60 万吨/年，现调整为 180 万吨/年。伴随着露天矿生产的进行，矿 坑的深度也越来越向下，裸露在空气的边坡也不断的加大， 组成边坡的各类不同性质 的岩层相继出现，露天矿边坡稳定与开采效益矛盾不断加深。 时至二零零九年九月份，东明露天矿南帮也就是非工作帮出现变形。 变形大致范 围从东到西 3313 测线之内，从下至上在采场底部约 514 水平到 598 平盘之内，地 鼓部分出现在采场底部具体位置在泵房附近，变形在不断加大，578.588.598 平盘变 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 形尤为剧烈，甚至在变形区附近出现蜘蛛型裂缝。 二零零九年九月十六日上午变形速 率突然增大，地鼓在泵房附近高达约 3.5 米，滑坡体整个形成并在滑坡去形成裂缝贯 通，出现滑坡征兆。二零零九年九月十六日下午南帮发生滑坡，滑坡区范围在 10-33 测线附近， 底部位于泵房处延伸至上部 598 平盘位置。 滑坡区平面面积约为 0.13km2， 滑坡体体积约为 3.0106m3。露天矿首采区中部为矿坑，上部是外排土场，南部是非 工作帮，也就是南帮。靠近南帮左侧是西帮，西帮上层为外排土场（如图 1.1）。 交1 （外6） （外5） 6 5 2 外2 外1 B4 D2 B3C1 C2 矿 排 土 坑 采 二 区 图 1.1 东明露天矿采区图 东明露天矿南帮边坡发生变形，在对现场进行踏勘后， 对南帮边坡变形破坏机理 及可能发生的滑坡模式进行了分析，同时提出了处理方案。 由于滑坡后边坡体内应力 得以释放，边坡系统应力重新调整并达到新的平衡状态， 但是滑坡的发生造成滑坡后 缘大面积临空，势必对其上部的排土场的稳定性产生影响。 非工作帮边坡的稳定性影 响露天煤矿的生产安全，一旦再次失稳可能造成重大人员伤亡和财产损失， 所以维护 非工作帮的稳定具有重要意义。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 岩土工程之所以能快速发展的原因是工程实践的需要， 作为岩土工程重要研究内 容边坡工程的稳定性是必不可少的。 从国外的边坡工程稳定性研究的发展历程来看我 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 们可以把其分为三个阶段[3]。 第一阶段此阶段是边坡工程的起步阶段， 所以分析边坡会以经验和理论各站一 半的方式进行，做出假定大部分都是脱离了力学实际情况的[4]。 第二阶段 此阶段静力学条分法处于主流地位但是计算结果和实地的操作有很大 的差别。 第三阶段此阶段进入深入发展阶段，一种是利用极限平衡法计算安全系数，然 后定量评价，另一种是有限单元法来分析边坡的变形特征以及边坡的应力分布状态。 两种方法各有差异，需深入研究和发展。 我国的边坡研究基本是从解放时期开始一直持续到现今， 最基本边坡稳定性问题 的研究我们可以分为四个阶段。 初始阶段我国从五十年代初开始对边坡工程进行研究， 当然其中也包括露天煤 矿的边坡工程问题，因为地质灾害是露天矿边坡的主要问题， 所以针对工程破坏进行 定性分类， 工程地质法和刚体极限平衡分析法相结合的方法对露天矿进行稳定性分析 及评价。 发展阶段到了六十年代我国许多专家提出相应的治理及控制措施， 岩体结构及 其控制的提出，使边坡岩体的结构类型得到有效的区分。 投影法的应用简化了块体的 破坏计算的难度，给边坡工程稳定性研究提供便利的条件。 延伸阶段一直到七十年代才开始对边坡工程的破坏机制进行研究， 也是这种研 究方式进入信息化时代，也就是用计算机辅助分析， 有限单元法在这个十年内具有不 可动摇的地位，七十年代末期才有了一套比较完成的工程地质力学方法。 此时国内已 经在边坡稳定性问题上积累了宝贵而丰富的经验。 深入阶段从 80 年代初期至今属于深入研究阶段，比较成熟的计算机技术已经 可以应用到边坡工程领域， 数值模拟技术的成熟在边坡稳定性问题研究中具有不可估 量的作用，何满潮在 Sarma 法的基础上提出数学模型的改进，采用 Basic 语言编制了 计算机程序，由于社会化分工日益明确许多学科之间的渗透和相互交叉变得频繁明 显。边坡工程稳定性研究引入了数学，系统论等学科的内容，使边坡工程研究进入了 一个新的高速的稳定的发展阶段。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 1.3 研究的内容及技术路线研究的内容及技术路线 1.3.1 研究内容研究内容 由于露天煤矿外排土场和南帮断层破碎带的存在及采矿作用，形成了高达 100 多米的复合边坡。通过对东明露天煤矿工程地质、水文地质条件的研究，南帮工程地 质条件非常复杂，断层破碎带及煤层底板泥岩弱层的存在制约着边坡的稳定状态， 并 且由于滑坡的发生改变了边坡系统原有的平衡状态，为了防止再次发生， 同时考虑到 外排土场的稳定，本文的工作主要包含以下几个方面的内容 （1）工程概况 现场踏勘及工程地质调查；工程地质、水文地质资料收集；工程地质补充勘察； 确定研究区域工程地质、水文地质条件[5]。 （2）岩土物理力学性质 ①以往本地区岩土体物理力学性质指标的收集、汇总分析； ②岩土物理力学性质试验研究。 通过对地质勘察中所取得的钻孔岩芯进行岩土物 理力学性质试验研究，取得稳定性计算与评价的基础资料； ③滑坡反分析。对已发生滑坡的边坡系统进行滑坡反分析，取得反分析指标； ④通过对以上几方面分析、 确定本次稳定性评价所需的岩土体物理力学指标及可 能的波动范围。 （3）边坡变形破坏机理及滑坡模式分析 边坡变形破坏机理研究是边坡稳定性评价中一项基础研究， 直接关系到合理的边 坡参数及滑坡治理方案的确定。 本次对东明露天煤矿边坡变形破坏机理及滑坡模式的 分析主要依据露天矿工程.水文地质条件以及其岩层的主要工程性质进行分析与确 定。 （4）边坡稳定性分析与评价 本次对东明露天煤矿边坡稳定性的分析与评价是在边坡变形破坏机理研究的基 础上进行的。评价范围包括南帮，西帮。剖面的选取充分考虑到了南帮断层破碎带及 煤层底板泥岩弱层对边坡稳定的影响。 稳定性评价工作主要从以下几方面考虑 ①滑坡发生前南帮矿坑边坡的稳定情况[6]； ②滑坡发生后南帮边坡的稳定情况； （5）滑坡治理方案及合理边坡参数的确定 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 针对南帮滑坡，通过稳定性计算与数值模拟分析，确定合理的边坡治理方案，并 提出合理的边坡参数，以指导矿山生产。 （6）提出边坡变形破坏防治措施 结合矿山实际，提出切实可行的， 保证矿山安全高效生产的边坡变形破坏防治措 施。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 1.3.2 研究技术路线研究技术路线 图 1.2 研究技术路线图 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 7 - 2 工程背景及地质条件分析工程背景及地质条件分析 2.1 工程概况工程概况 2.1.1 地理位置地理位置 海拉尔区向南 20 公里是东明矿区，距离西部的陈旗巴彦库仁镇约 22 公里[7]。由 矿区东侧的省道 S201 可直通额尔古纳市以及海拉尔，东明矿区与海拉尔火车站十分 临近，交通状况非常便利。 图 2.1东明露天矿交通位置 2.1.2 气候条件气候条件 本地区气候性质属亚寒带大陆性，夏季很短暂，冬季漫长，春秋两季风大；年平 均降水量 315mm，降水峰值为 542.9 毫米/年，降水峰值为 201.5 毫米/月.，降水峰值 55.8 毫米/月，年平均蒸发量 1350.8mm；因为此地降水较多所以在矿区边坡稳定性分 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 8 - 析时；分别对有水和无水状态进行分析。 2.1.3 地形地貌地形地貌 南帮处于矿坑南部处于首采区内下方，台阶坡状体的结构十分复杂， 其形成原因 也是多方面的如采矿作用，断层的作用，上方是排土场，组合起来形成高达百米的复 合边坡（见图 2.2）。 图 2.2南端帮边复合坡典型地质剖面图 下面是南帮边坡具体参数 采掘场下部也就是底部标高 514；顶部也就是排土场上部为 623；排土场和采掘 场的总帮坡角为 17。采掘场内的最大帮坡角为 28；矿坑南帮采掘边坡角 23，西帮 采掘边坡角为 21；台阶的段高长短不一，小至 6 米大至 17 米。其中包括排弃台阶 和采掘台阶。采掘台阶的得坡面角相对大一些可达到六十三度。 排弃台阶的坡面角就 只有三十度左右。 东明露天矿的岩土层由砂土、粘土、 砂砾石等第四系松散层组成地质条件十分复 杂。砂砾层的约 50 米厚。粉砂岩是基岩的总要组成部分，风化十分严重。泥岩的强 度不高，随着含水量的增大，强度会递减。处于台阶中下部的断层破碎带因其性质影 响强度很低，对南帮边坡稳定性影响非常大[8]。 2.2 工程地质条件工程地质条件 2.2.1 地层岩性地层岩性 从区域上看，测区东部为台地，而工作区位于莫勒格尔河左岸一级阶地上，地貌 类型单一，岩性由黄色粉质粘土、粉土、细砂、中砂、砂砾石、泥岩构成。区内地势 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 9 - 平坦开阔，东南高西北低，海拔在 597-604m，自然坡降在 2-5左右，局部发育有沼 泽湿地。 根据钻孔揭露， 本区地层自下而上分布有中生界白垩系、 第四系更新统地层， 地层由老到新为 （1）前第四系 白垩系大磨拐河组（J3d） 沉积颗粒是上粗下细，为厚层泥岩或泥质粉砂岩。 水平方向是北部和东部边缘颗 粒较细，中南部较粗。与下伏甘河组呈角度不整合接触[9]。 （2）第四系 ①下更新统冰碛层（Q11） 为一套冰碛冰水堆积层，直接覆于前第四系之上。厚 6.631.5m,岩性以棕黄色 泥砾及灰白色砂砾石、含粘土砂砾石为主，夹棕红、灰黄、黄色泥砾、粉质粘土、粉 质砂土及褐黄色粘土粗砂、淡黄色细砂[10]。 ②上更新统海拉尔组（Q33） 全区均有分布，分上、下两部分，上部由黄白色、黄色至褐黄色的黄土状粉质粘 土、粉土组成，具大孔隙和垂直节理，厚