黑岱沟露天煤矿高台阶边坡稳定性及其安全预警研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目黑岱沟露天煤矿高台阶边坡稳定性及其安全 预警研究 英文题目英文题目Heidaigou Open-pit Coal Mine high step slope stability and safety early warning research 学位类学位类别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 赵 庆 学号学号201202143 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 郭昭华 职称职称教授级高工 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2015 年 6 月 6 日 分类号分类号 TD824 TD824 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 分类号分类号 TD824 TD824 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 黑岱沟露天矿无运输倒堆煤岩复合高台阶总体高度达到 68～75m， 复合台阶整体 坡面角平均 70 ，虽然属于临时边坡，但是由于高度大、坡度陡已经严重威胁到了台 阶上部钻机及台阶下作业人员和设备的安全。 本文在露天矿边坡稳定性理论研究的基 础上，结合黑岱沟露天煤矿生产工艺现状，对该露天煤矿无运输倒堆煤岩复合高台阶 边坡稳定性进行分析研究，并就该高台阶采用的边坡监测技术进行分析。 根据该矿现有的生产工艺及高台阶边坡的特点， 本文分析了影响高台阶稳定性的 主要因素，得出对高台阶稳定性影响的关键因素是爆破震动、降雨及高台阶下的采煤 作业。本文分别在西中区和西端帮区各选择一个剖面作为此次分析研究对象，运用极 限平衡法和强度折减法模拟了剖面的稳定性，分别求出了他们的安全系数。模拟结果 表明，作为临时边坡其安全系数大于储备安全系数，高台阶边坡是稳定的。但是两个 剖面都有潜在的滑移面，尤其是西端帮区由于破碎带的存在，有可能发生片帮。在动 载荷作用下对高台阶边坡的稳定性分析发现由于地震波的影响，高台阶边坡稳定性 安全系数会在瞬间降低到 1.0 以下。虽然这不会导致边坡坍塌，但是地震波对高台阶 稳定性的影响很显著。对比不同岩石台阶高度下求出的安全系数，发现现在矿山生产 采用的边坡高度已接近临界值，如果再增加台阶高度会极大地降低台阶的稳定性，所 以为确保高台阶的稳定性，可以考虑适当降低岩石台阶的高度。黑岱沟露天煤矿使用 的 SSR 边坡监测雷达可以实时监测边坡表面的位移速率，根据雷达监测原理可以分 析岩体变形情况， 对边坡的稳定情况作出预报预警， 能够有效的预防边坡事故的发生， 文中通过现场经验和监测实例说明了该监测系统的先进性和可行性。 根据黑岱沟露天煤矿高台阶边坡稳定性的计算和评价及边坡监测雷达的监测结 果， 提出一些提高边坡稳定性的建议 建立完整完善的疏干排水系统； 实施控制爆破， 减少爆破地震波对高台阶边坡稳定性的影响；设计合理地采煤作业次序；通过设置合 理的预警参数，使边坡监测雷达的监测效果更加精确。最后针对本文研究的内容作出 了总结，并对研究的不足之处做了展望，希望以后的高台阶边坡研究者做进一步深入 研究。 关键词关键词边 坡；稳定性；极限平衡法；强度折减法；监测；预警 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Coal rock compound high level of no transportation dump of Heidaigou Open-pit Mine has a total height of 68 to 75,composite step of the overall slope angle for an average of 70 degrees. Although it belongs to the temporary slope. However, due to the high degree, steep gradient , it has been a serious threat to the workers and equipment under the bench and the steps. Based on the theoretical study of slope stability in open pit mine, according to the current situation of the production process in Heidaigou opencast coal mine, study on slope stability of the high step, and analyzes the slope monitoring radar early safety warning system. According to the characteristics of the existing mine production process and high step slope, this paper analyzes the main factors that affect the stability of the high level. The key factors that affect the stability of the high level is vibration of blasting, rainfall and coal mining operations under the high step level. The paper Use the limit equilibrium and strength reduction to simulate the section stability. The result safety factor of the two s is close, so its right to calculate. The results show that the safety coefficient of temporary slope is within the range of safety factor specified by the state. But the two profiles have potential slip surfaces, especially the west wall area. It could happen wall caving. Analysis stability of the bench slope under dynamic load, it could be found, Because of seismic wave effect, high step slope stability safety factor will be reduced to below 1.0 at the moment. Although this will not lead to the collapse of slope, but the influence of seismic wave on high order stability is very significant. Therefore, the mines usually in blasting operations must use the controlled blasting and reduce the influence of blasting seismic wave, to ensure the safe production of mines. The safety factor of the different rock steps is compared. It is found that the height of the slope in mine production is close to the critical value, if any higher level height will greatly reduce the step stability, so we can consider to reduce the step height to ensure the stability of the high level. Heidaigou Open-pit Coal Mine Using SSR slope monitoring radar can be 内蒙古科技大学硕士学位论文 III real-time monitoring of slope surface displacement rate. According to the monitoring principle of slope monitoring radar, people can analys rock mass deation and make forecast and early warning. These can effectively prevent the slope accident. Through the field experience and monitor examples to illustrate the advanced and feasibility of the monitoring system. According to the results of Heidaigou Open-pit coal mine slope stability calculation and uation, some suggestions for improving the stability of the slope are presented in this paper, such as to establish complete and perfect drainage system, use the controlled blasting, reducing the influence of blasting seismic wave to high bench slope, set reasonable parameters of early warning, to make more accurate monitoring by the slope monitoring radar. Finally according to the content of this paper made a summary, put forward some shortcomings, and hope that the high bench slope research scholars to do further in-depth study. KeyKey W WordsordsSlope；Stability；Limit equilibrium； Strength reduction； Monitor ； Early warning 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 选题的背景与研究意义................................................................................... 1 1.2 研究现状........................................................................................................... 2 1.2.1 国外边坡工程研究现状......................................................................... 2 1.2.2 国内边坡工程研究现状......................................................................... 3 1.2.3 边坡监测研究现状................................................................................ 4 1.3 研究内容与方法............................................................................................... 5 1.3.1 研究方法和内容..................................................................................... 5 1.3.2 研究技术路线......................................................................................... 5 2 黑岱沟露天矿概况..................................................................................................... 7 2.1 矿区煤田地质.................................................................................................. 7 2.1.1 位置与交通............................................................................................. 7 2.1.2 自然地理................................................................................................ 8 2.1.3 勘探区地层............................................................................................ 8 2.1.4 勘探区构造.......................................................................................... 11 2.2 水文地质特征................................................................................................. 12 2.2.1 地层含水情况....................................................................................... 12 2.2.2 断层及地表水与地下水的关系........................................................... 12 2.3 工程地质条件................................................................................................. 13 2.4 开采工艺与设备............................................................................................ 13 2.4.1 吊斗铲倒堆工艺开采参数................................................................... 14 2.4.2 吊斗铲倒堆的作业方式....................................................................... 18 2.4.3 吊斗铲倒堆开采程序........................................................................... 18 3 影响黑岱沟露天煤矿高台阶边坡稳定性因素分析.............................................. 21 3.1 黑岱沟露天煤矿边坡特点............................................................................. 21 3.2 影响黑岱沟露天煤矿边坡稳定性主要因素分析......................................... 21 3.2.1 水对黑岱沟露天煤矿边坡稳定性的影响........................................... 21 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2.2 爆破地震波对黑岱沟露天煤矿边坡稳定性的影响........................... 22 3.2.3 下部煤层开采对黑岱沟露天煤矿边坡稳定性的影响....................... 23 4 黑岱沟露天煤矿数值模拟研究............................................................................... 26 4.1 极限平衡法..................................................................................................... 26 4.2 强度折减法..................................................................................................... 26 4.3 典型剖面的选取............................................................................................ 27 4.4 安全储备系数的确定..................................................................................... 29 4.5 模拟计算煤岩参数......................................................................................... 30 4.6 静载荷作用下高台阶边坡稳定性研究......................................................... 31 4.6.1 西中区极限平衡法模拟计算............................................................... 31 4.6.2 西中区强度折减法模拟计算............................................................... 34 4.6.3 西端帮区极限平衡法模拟计算........................................................... 35 4.6.4 西端帮区强度折减法模拟计算........................................................... 37 4.7 动载荷作用下高台阶边坡稳定性研究......................................................... 39 4.8 高台阶稳定性随高度的变化关系................................................................. 42 5 黑岱沟露天煤矿高台阶边坡稳定性安全预警分析............................................... 44 5.1 边坡雷达实时监控预警系统......................................................................... 45 5.1.1 边坡雷达实时监控预警系统的组成................................................... 45 5.1.2 边坡雷达扫描原理............................................................................... 46 5.1.3 边坡雷达预警原理............................................................................... 48 5.2 边坡雷达系统监测预警应用实例................................................................. 49 6 高台阶边坡稳定性的防治措施............................................................................... 53 结 论...................................................................................................................... 54 展 望...................................................................................................................... 55 参考文献...................................................................................................................... 56 在学研究成果.............................................................................................................. 60 致 谢...................................................................................................................... 61 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 选题的背景与研究意义选题的背景与研究意义 1992 年 7 月黑岱沟露天煤矿正式开工建设， 于 96 年 7 月竣工并开始试生产， 1999 年 10 月通过国家验收，投入生产，初步设计年生产能力为 1200 万吨。在国家经济高 速发展的过程中，对能源的需求日益增加，黑岱沟露天煤矿经过两次改造扩建年生产 能力已达到 3000 万吨，成为我国最大的露天煤矿之一。该矿现有的生产工艺为上 部 40 米厚的黄土采用轮斗挖掘机进行连续开采剥离工艺；下部黄土和中部岩石采用 单斗挖掘机卡车运输开采剥离工艺； 下部岩石采用抛掷爆破吊斗铲倒堆开采剥离 工艺； 煤层采用单斗挖掘机卡车运输地面半固定式破碎站带式输送机的半连续 开采生产工艺[1]。本文研究的主要内容为下部岩石和煤层组成的复合高台阶的边坡稳 定性问题。 6 号煤层是准格尔黑岱沟露天煤矿的主采煤层， 该煤层结构较为简单， 埋藏平缓， 煤层倾角为 3 ～5 ，是赋存良好的近水平煤层。6 号煤层上覆岩体的裂隙、层理比较 发育， 根据产能要求煤层以上的部分岩石采用高台阶抛掷爆破吊斗铲倒堆综合剥离 技术。这项先进技术的使用在我国尚属首例，其成功应用给我国露天煤矿事业带来了 巨大的发展，为建设成一批产效一流的大型、特大型露天煤矿提供了新的技术支持和 生产经验。 但是， 黑岱沟露天煤矿倒堆剥离岩石台阶高度为 40～45m， 坡面倾角 65 ， 煤台阶平均厚度 28.8m，台阶坡面角 75 ，形成的煤岩复合高台阶高达 68.8～73.8m， 平均坡面角为 70 。 煤岩复合高台阶从抛掷爆破的预裂孔开始爆破就形成台阶坡面了， 之后被抛掷物掩埋一段时间，随电铲刷帮过程逐层，逐段暴露，而后随吊斗铲倒堆， 扩展平盘向端帮推进，岩石台阶全部暴露。随着矿山生产作业，复合高台阶被不断剥 离。这个过程一般历时 1～2 个月，虽然该边坡只是临时性边坡，但由于边坡本身高 度大，坡度陡，有些区域还有断层和破碎带，再加上矿山爆破活动频繁，高台阶边坡 稳定性自然会降低，偶尔会有滑坡和片帮发生，是矿山生产的重大危险来源，严重威 胁着附近矿山作业人员和设备的安全[2]。因此，有必要对黑岱沟高台阶的边坡稳定性 做以研究，并分析研究黑岱沟露天煤矿根据其特殊性采用的监测手段。边坡监测工程 是研究边坡变形的规律和为边坡的治理提供依据的有效手段[3]。目前，对于黑岱沟露 天煤矿高台阶表面变形监测最有效的手段就是采用边坡稳定雷达系统进行实时监测。 通过边坡稳定雷达系统对黑岱沟露天矿台阶的监测数据，分析岩体表面的应力、应变 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 变化情况，对边坡稳定性作出安全预警，保证生产的安全，也是大型露天煤矿实现高 产高效生产的有力保障。 1.2 研究现状研究现状 边坡稳定性分析多年以来，一直是人们重点研究的课题。对边坡进行稳定性分析 时，包含了众多的学科，例如物理力学、工程数学、工程结构、工程地质学等，现代 计算机模拟技术在该领域也有重要的应用。从研究边坡工程问题的历程来看，随着历 史的进步，科学技术的不断创新发展，边坡工作者们不断用新的理论、新的技术对边 坡稳定性问题做出更为准确的分析，边坡工程的研究分析大致经历了这样一个历程 从最初的经验逐渐形成一定的理论分析、从最初的定性分析到定量分析、从最初的单 一评价到综合的评价体系、从旧理论到新理论新方法的不断突破过程[4]。 为尽可能多的采出煤，露天矿的边坡一般是极限设计，边坡较高，总体边坡角较 大。边坡稳定性受到多种因素的影响，在矿山生产过程中对边坡的稳定性有很高的要 求，其稳定性问题具有经济和安全方面的重要意义[5,6]。国内外对边坡工程都进行了 长足的研究。 1.2.1 国外国外边坡工程边坡工程研究现状研究现状 边坡工程研究起步较早并在一定时期居于领先地位的主要是在发达国家。 伴随着工业革命的发展， 一大批土工建设项目随之兴起， 出现了较大的人工边坡， 其中不乏规模巨大的土建工程，同时由于对边坡工程的认识不足，发生了许多大规模 的滑坡事故，造成的损失不可估量[7,8]。如在 1963 年意大利瓦伊昂水库发生的大面积 滑坡，该水库大坝高而陡，由于水的不断浸蚀最终引发滑坡，对附近区域造成巨大损 失，经过多年的治理才得以恢复[9,10]。从此以后，人们才逐渐重视到边坡工程问题， 并把边坡稳定性的问题当作地质灾害来研究，伴随着研究的不断深入，出现了一批边 坡工程研究者[11]。 通过早期的滑坡事故，人们逐渐认识到台阶边坡稳定性的重要性，由于最初没有 相关的理论研究，只能凭借经验，通过研究地质资料，对相似边坡工程进行一定的定 性研究[12,13]。到 1920 年时，一些边坡工程研究者开始把力学理论引入到边坡稳定性 问题研究上来，并逐渐形成理论和分析计算方法，当时主要的计算方法是刚体极限平 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 衡法[14]。条分法最早在 1916 年被提出，提出者是瑞典人彼德森，所以也称瑞典条分 法。该方法将边坡滑裂面上的岩土体划分成一条一条的垂直条块，忽略划分的条块之 间的相互作用，建立平面模型，求解安全系数。求解安全系数的方法是用滑裂面上全 部抗滑力矩除以滑动力矩[15,16]。 后来许多杰出的边坡工程研究者以瑞典条分法为基础， 不断改进和完善极限平衡法。如利用极限平衡法计算的 Bishop 法、Janbu 法、 Morgenstern 法和 Price 法。这些方法都有他们自身的一些假设，同时针对不同的问题 能够使计算方法更合适，计算的结果更准确。 到 20 世纪后期，信息科学技术得到迅猛发展，利用计算机进行数值模拟的方法 发展比较快。强度折减法、模糊分析法等一些新的研究理论和方法也逐渐被引入到边 坡工程问题的研究当中，这些方法虽然分析边坡问题时侧重的角度不完全相同，但都 是将影响边坡稳定性因素的一个或几个关键因素作为研究分析的重点。 对于不同地质 条件的边坡可以用不同的理论方法进行研究分析， 这些方法对研究边坡稳定性问题具 有重要意义[17 20]。 1.2.2 国内国内边坡工程边坡工程研究现状研究现状 我国对边坡工程的研究始于 60-70 年代，在当时兴起了一批大型髙陡边坡，开启 了我国高陡边坡的理论研究和实践。虽然比国外研究边坡工程问题晚些，但是发展迅 猛[2123]。当时我国很多边坡工作者对边坡稳定性分析时使用的方法是前苏联的地质 历史分析‖方法，和西方国家早期的研究方法相似，主要是通过对比分析历史地质资 料及类似边坡滑坡形式来研究边坡的变形破坏机制。由于当时分析条件有限，在分析 研究时对岩体的结构性质、节理、软弱层、破碎带及结构面等因素对边坡稳定性的影 响考虑的较少[24]。 由于大型人工边坡数量的增加，滑坡事故也在不断增多，我国边坡工程经过一段 时间的初步发展后，迎来了重要的发展时期。70 年代，岩体结构理论的提出是边坡 稳定性研究进入全新发展时期的标志。同一时期根据该理论，边坡研究者提出用工程 力学的方法研究边坡岩体的稳定性。随着工程地质力学研究方法的不断完善，该方法 被广泛应用到滑坡工程的实践上[25,26]。到 80 年代，在大量工程实践的基础上，我国 建立了岩质边坡变形破坏的典型地质模型， 并以岩体板裂结构理论为基础提出了边坡 岩体溃屈破坏模型， 并且强调了对岩体边坡进行动态变化监测的重要意义[27]。 到现在， 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 边坡稳定性问题的研究已经有了飞跃的发展，可以对边坡工程问题进行定量分析，并 且边坡稳定性监测手段丰富，能够较好的确定边坡变形破坏。 不难看出不论是国内还是国外， 对边坡稳定性的评价基本是经历了定性分析阶段， 定量分析阶段和半定量分析阶段这么几个过程[2830]，并且可视化程度越来越高。可 是， 边坡失稳的多因素复杂性使得其研究方法不能局限于单一的某种评价方法和手段， 边坡稳定性评价应以监测为先导, 治理与监测一体化多种措施综合治理作为指导思 想。基于此，本文提出研究边坡稳定性既要对其稳定性做以评价，而且还要对高危边 坡实施动态的监测，比如边坡定雷达系统在露天矿髙陡边坡的预警监测。 1.2.3 边坡监测研究现状边坡监测研究现状 随着科学技术的不断发展，边坡工程稳定性评价的方法已经比较完善，对人工边 坡的稳定性研究具有重要意义。 但是仍然有一些边坡的稳定性无法进行完全的安全评 价，因为影响这类边坡的因素众多，即使使用最先进的评价手段也无法将这些因素全 部考虑。所以必须借助其他手段对边坡的变形情况进行监测，防止边坡事故的发生。 国内外边坡监测技术都有一定的发展历史，该技术在国内使用也日趋成熟，能够 满足我国大部分矿山边坡监测的需求。但是，相比于国际上使用先进的监测设备和方 法，国内的边坡监测应用还略显不足。我国对新型监测设备研发投入严重不足，对于 大型、特大型边坡监测设备的研发缓慢，致使我国这类工程边坡的监测设备主要依靠 进口，增加矿山生产成本。另外我国一些矿山在生产过程中对矿山边坡监测的重视程 度不足[3133]，矿山边坡常有滑坡事故发生，给矿山生产带来巨大的损失，并且严重 威胁到现场作业人员的生命安全。 目前，国内外常用的边坡稳定性监测设备主要有经纬仪、水准仪等地表测量监 测设备；全站仪、GPS 监测；红外遥感、声发射监测技术；边坡雷达监测技术；坡体 内部的钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等[3436]。其中的一些监测设备，在人 工边坡监测领域的应用比较成熟， 已经被广泛推广使用， 并且达到了很好的监测效果。 当然，对于不同的边坡类型，在选择监测设备时需要慎重考虑，多方对比，尽可能使 选择的设备成本低，监测效率高。岩质边坡地质条件较岩土抛弃物边坡要复杂的多， 要考虑多种因素对其稳定性的影响， 所以不能简单的只靠边坡稳定性评价来确保其稳 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 定安全，必须依靠必要的监测技术手段来监控边坡的实时变形情况[3740]。同时，我 国的边坡位移监测新技术也在快速发展，在边坡工程监测方面的进步很大。 通过运用必要的监测系统，可以为边坡工程的稳定性评价提供有力佐证，对边坡 发生滑坡、坍塌等地质灾害进行预测预报，减少不必要的损失。 1.3 研究内容与方法研究内容与方法 1.3.1 研究方法