铧尖露天煤矿非工作帮陡帮边坡稳定性分析及评价.pdf

硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目论文题目论文题目铧尖露天煤矿非工作帮陡帮边坡稳定性分析及评价 英文题目英文题目英文题目英文题目Analysis and uation of Steep Slope Stability of Non Working Group in Huajian Opencast Coal Mine 学位类学位类学位类学位类别别别别 工学硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓研 究 生 姓研 究 生 姓 名名名名 石 健 学号学号学号学号 2013023168 学科学科学科学科领域领域领域领域名称名称名称名称 矿业工程 指导教指导教指导教指导教师师师师 韩万东 职称职称职称职称 教 授 协助指导教协助指导教协助指导教协助指导教师师师师 郭 义 职称职称职称职称 讲 师 2016 年 6 月 12 日 分类号分类号分类号分类号 TD824TD824TD824TD824 密密密密 级级级级 公开公开公开公开 U D C 学校代码学校代码学校代码学校代码 10127 10127 10127 10127 万方数据 2 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 露天矿非工作帮的边坡参数优化有利于提高露天矿的煤炭开采量， 对露天矿的经 济效益提高十分显著。然而，由于边坡岩土体自身工程地质条件的复杂，使得力求准 确评价或者估算边坡的安全稳定系数实非易事； 这也使得对非工作帮的边坡设计与优 化、边坡稳定性的控制机理、滑坡条件的判断与概率评估、基于边坡岩土体自身条件 的稳定性加固与防护措施等工程问题依然需要不断地开展科学研究与工程技术实践。 本文结合铧尖露天煤矿当前企业发展需要， 对铧尖露天煤矿的边坡岩土体失稳滑 坡隐患的工程安全问题展开研究， 评价并分析铧尖露天煤矿的非工作帮边坡稳定的主 要影响因素，对采场最终边坡角进行优化并提出滑坡防治和治理措施。本文主要研究 内容如下1）调研分析铧尖露天矿现场工程地质条件特征并揭示影响边坡稳定性问 题的主要影响因素；2）获取该位置的岩土体的物理力学参数，并结合以往的勘探成 果进一步查清边坡的工程地质特征，初步判定边坡的潜在滑坡模式；3）采用 Bishop 极限平衡分析法对铧尖露天煤矿非工作帮边坡稳定性评价；4）选取典型剖面，通过 FLAC3D 软件并基于强度折减理论以数值模拟技术分析铧尖露天煤矿岩土体边坡的 稳定性，从应力场、位移场、岩土介质的塑性破坏分布特征等角度展开研究；5）在 以上研究成果的基础上， 针对铧尖露天煤矿岩土体边坡安全稳定性的工程问题提出滑 坡防治与治理的措施。 通过对铧尖露天煤矿的非工作帮边坡稳定性分析与评价， 铧尖露天煤矿的非工作 帮边坡优化调整边坡角度至 40，采用 Bishop 极限平衡分析法确定最小安全系数为 F1.125 且不低于边坡安全储备系数，通过数值模拟计算分析确定边坡安全系数为 F1.271.30，同时对非工作帮第八台阶以及第一、二台阶实施预应力锚索加固，最 终确定安全系数为 1.29，因此本设计方案是安全合理的。 关键词露天煤矿；边坡稳定性；极限平衡分析法；数值模拟 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract Slope parameter optimization of non working slope of opencast coal mine，which is beneficial to increase the amount of coal mining in the opencast coal mine, the economic benefit of opencast coal mine is very significant. However, slope rock and soil medium is a complicated engineering geological condition, which is not easy to uate or estimate the stability and safety factor of the slope accurately; such as the control mechanism of slope stability, the judgment of the landslide condition and the probability assessment, the stability reinforcement and protection measures based on the slope rock and soil medium, these engineering problems and related issues continue to carry out scientific research and engineering practice. In this paper, combined with the development needs of Inner Mongolia Huajian opencast coal limited liability Company of Huajian opencast coal mine, study on Huajian opencast coal mine of steep slope rock and soil slope failure engineering safety landslide hazard. The main influence factors of Huajian opencast coal mine of steep slope stability, landslide prevention and treatment measures are proposed. Analysis of Huajian opencast coal mine of steep slope rock and soil slope instability of landslide。The main research contents of this paper are as follows1 the investigation and analysis of Huajian open-pit mine site engineering geological conditions, and reveals the main factors affecting the stability of the slope;2 the physical and mechanical parameters of the rock and soil body, and combined with the previous exploration results to further identify the slope of the engineering geological characteristics, preliminary determination of the potential landslide model of slope;3 using the Bishop limit equilibrium analysis of Huajian opencast coal mine nonworking slope stability uation;4 select typical profile, by FLAC3D software and based on the strength reduction theory with numerical simulation technology of Huajian opencast coal mine rock and soil slope stability analysis, from the perspective of stress field, displacement field and plastic failure distribution of rock and soil medium;5 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 III based on the above research results, the Huajian opencast coal mine slope safety and stability problems of engineering landslide prevention and treatment measures. Through the work of non Huajian opencast coal mine for analysis and uation of slope stability, optimization and adjustment of the slope angle to 40 degrees non working slope Huajian opencast coal mine, Bishop limit equilibrium analysis was used to determine the minimum safety factor of F1.125 and no less than the safety factor of slope, the safety factor of the slope is determined by numerical simulation calculation and analysis F1.271.30, at the same time, the non working eighth steps and the first and two steps of the implementation of the prestressed anchor cable reinforcement, the final determination of the safety factor is 1.29, so the design is safe and reasonable. Key wordsKey wordsKey wordsKey words open pit coal mine; slope stability; limit equilibrium analysis ; numerical simulation 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 目 录 摘 要............................................................................................................................................I Abstract..............................................................................................................................................II 1 绪 论.......................................................................................................................................1 1.1 选题背景与意义................................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...............................................................................................................2 1.2.1 边坡稳定性分析研究现状...................................................................................2 1.2.2 边坡工程稳定性控制技术应用现状...................................................................8 1.2.3 边坡稳定性预防措施研究....................................................................................9 1.3 主要研究内容与方法........................................................................................................9 1.3.1 研究的主要内容.....................................................................................................9 1.3.2 主要研究方法.........................................................................................................9 1.4 研究拟解决关键问题......................................................................................................10 1.5 本文研究的技术路线......................................................................................................11 2 铧尖露天煤矿非工作帮地质条件与滑坡因素分析..............................................................12 2.1 矿区地质条件概述.........................................................................................................12 2.2 铧尖露天矿滑坡影响因素分析....................................................................................14 2.3 铧尖矿非工作帮边坡优化方案的提出........................................................................17 2.4 本章小结..........................................................................................................................18 3 铧尖露天矿非工作帮边坡稳定性评价分析...........................................................................19 3.1 极限平衡法基本原则.....................................................................................................19 3.2 边坡安全储备系数确定.................................................................................................19 3.3 Bishop 法评价边坡的稳定性.........................................................................................20 3.3.1 自动搜索最危险滑面.........................................................................................21 3.3.2 给定圆心半径计算安全系数.............................................................................22 3.4 本章小结..........................................................................................................................28 4 铧尖露天煤矿非工作帮边坡稳定性数值模拟分析..............................................................29 4.1 数值模拟目的..................................................................................................................29 4.2 模拟基本假设..................................................................................................................29 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 4.3 FLAC3D 模型建立..........................................................................................................29 4.3.1 模型构建及边界条件..........................................................................................29 4.3.2 力学模型...............................................................................................................33 4.4 边坡岩土介质的岩石力学参数.....................................................................................36 4.5 模拟过程..........................................................................................................................36 4.6 非工作帮边坡稳定性模拟结果分析.............................................................................36 4.6.1 模型 H12 边坡模拟结果分析.............................................................................36 4.6.2 模型 H33 边坡模拟结果分析.............................................................................40 4.7 本章小结..........................................................................................................................43 5 滑坡防治措施研究....................................................................................................................44 5.1 非工作帮坡体加固措施.................................................................................................44 5.1.1 锚索锚固坡体加固措施的提出..........................................................................44 5.1.2 锚索加固坡体的位置选择.................................................................................44 5.2 非工作帮锚索锚固坡体加固数值模拟分析................................................................45 5.3 边坡稳定性监测.............................................................................................................50 5.3.1 边坡锚索应力监测.............................................................................................50 5.3.2 边坡滑坡位移监测..............................................................................................53 5.4 其他防治措施..................................................................................................................54 5.5 本章小结..........................................................................................................................55 6 结 论.......................................................................................................................................56 参考文献.........................................................................................................................................58 在学研究成果.................................................................................................................................64 致 谢.........................................................................................................................................65 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1- 1 绪绪绪绪 论论论论 1.1 选题背景与意义选题背景与意义选题背景与意义选题背景与意义 煤炭资源在过去及未来很长一段时间作为我国的主体能源，为我国的电能需求、 钢铁制造、生活供暖等方面起着重要的保障作用，如今随着社会生活的不断提过，人 们的物质需求的等级也越来越高，致使人们对于能源的要求正在迅猛增加，尽管新能 源正在逐步缓解人们对煤炭需求的依赖程度，但煤炭依然作为重要的资源，是不可缺 少的原材料且短期内也无法由新能源替代。 与之相对应的煤矿开采技术也在不断加大 开采力度，对于资源的开采力度及其采出率的要求也在不断增加，尤其是露天煤矿开 采，现代企业经济发展要求既要安全高效采煤，也要做到最优化的开采办法，在边坡 的建造过程和边坡稳定性控制过程中都必须要求显著的经济效益， 伴随着提高边坡工 程的经济效益这一问题，如何实现对边坡稳定性的有效控制，在避免发生滑坡而造成 安全事故和社会经济损失的基础上，满足当前露天煤矿安全、高效的发展要求。这对 于当前的当今露天煤矿的安全与经济发展至关重要。 由自然或者人工建造而成的边坡 岩土体自身构造复杂， 同时受其本身自重及其所在位置地应力等内外界因素的不断变 化，在边坡岩土体内部产生不平衡岩土力学作用，这造成了边坡浅部岩土介质具备发 生滑移运动的力学条件， 一旦边坡岩土体滑移强度超过抗滑移力进而诱发地质灾害且 严重威胁人类及其社会安全稳定。因此，针对这一边坡稳定性问题的工程安全问题的 研究一直以来备受岩土工程及其相关专业领域的研究人员的高度重视， 并取得了卓越 成果。然而，由边坡岩土体自身工程地质条件的复杂，使得力求准确评价或者估算出 边坡的稳定性与安全系数实非易事；目前，对边坡稳定性的控制机理、滑坡条件的判 断与概率评估、 基于边坡岩土体自身条件的稳定性加固与防护措施的研究等课题依然 不断需要科学研究与工程技术实践。 随着当前计算机技术和虚拟力学仿真模拟技术快 速发展且日趋成熟， 许多的岩土工程问题都是通过数值模拟的技术手段展开复杂的岩 土工程力学研究，如有限元模拟软件、有限差分模拟软件等为边坡稳定性分析提供了 很好的研究平台。 本文结合铧尖露天煤矿当前企业的发展需要， 对铧尖露天煤矿的非工作帮边坡边 坡岩土体失稳滑坡隐患的工程安全问题展开研究， 评价并分析铧尖露天煤矿的非工作 帮边坡稳定的主要影响因素， 对采场非工作帮最终边坡角进行优化并提出滑坡防治和 治理措施，在避免发生非工作帮边坡滑坡而造成安全事故和社会经济损失的基础上， 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2- 满足铧尖露天煤矿安全、高效的发展要求。这对于当前的铧尖露天煤矿的安全与经济 发展至关重要。 1.2 国内外国内外国内外国内外研究研究研究研究现状现状现状现状 1.2.1 边坡稳定性分析边坡稳定性分析边坡稳定性分析边坡稳定性分析研究研究研究研究现状现状现状现状 边坡在人们的日常生活中广泛存在，作为岩土工程的一重要方面，它的发展是与 社会需求和岩土科学进步同步的。边坡工程涉及工程数学、力学、地质学和材料等多 个学科，对它的研究已经有数十年了，边坡稳定性分析作为其一个十分重要的方面， 也由初期的经验性、简化的计算分析发展形成具有系统理论，可以动态模拟边坡内部 变化的数值分析，有了巨大的发展。在早期的边坡稳定性分析工作中，由于计算能力 和相关学科的匮乏，加之对边坡缺乏重视，对边坡简化，采用简单的均质弹性理论为 依据进行简化计算，其原理明了，应用简单，被广泛的采用，得到发展。 边坡稳定性分析迄今已经过一个多世纪的发展历程， 边坡工程及其相关专业领域 的研究人员在继承已有的前人理论成果上不断地深入研究与完善， 同时也有不少新的 边坡稳定性分析成果涌现出来， 特别是通过数值模拟的技术手段促进且简便了对岩土 工程力学复杂问题的理论发展与技术研究，如有限元模拟软件、有限差分模拟软件等 技术手段更是增进了当前的边坡稳定性的控制机理研究、 滑坡条件的判断与概率评估 的准确性，对解决人类社会的工程安全问题起到了推进作用。边坡稳定性问题的工程 安全问题的研究一直以来备受岩土工程及其相关专业领域的研究人员的高度重视， 并 取得了卓越成果， 并在一个多世纪的边坡稳定性分析发展历程里面体现出来巨大的工 程价值 [13] 。 （1）极限平衡法分析法[1,312] 极限平衡法分析边坡岩土体稳定性的传统力学方法。该方法需要使用者首先预计一 个边坡岩土体可能的滑破移动面，不考虑边坡岩土体的自身受力变形是时间效应，只计 算边坡岩土体的自身受力破坏的最终状态，根据力的极限平衡条件、力矩的平衡、介质 破坏准则来分析边坡岩土体滑移强度超过临界抗滑移力进而诱发边坡浅部岩土介质发生 滑移运动的力平衡状态，从而定量评价边坡岩土体的稳定性，即给出边坡岩土体的稳定 性的安全系数。该方法简单且易于掌握，在通过大量的工程实践计算分析的基础上，计 算精度也可以满足工程实际的要求，因而得到了广大科研工作者的广泛的推广和应用。 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 70 年 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -3- 代至今， 研究边坡稳定性极限平衡方法的许多工作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 平衡法是重要的力学研究方式的其中之一，由于这种方法计算过程相对简洁，自身会 有一系列同它相匹配的规则，所以在岩土工程领域得到了非常广泛的使用。极限平衡 法历经接近一个世纪的发展后， 这种方法具有了一种系统的理论体制和相对完整的研 究方式，是工程领域时间最早、使用最多的研究方式。条分法以极限平衡原理为起始 理论，是 1917 年丹麦人皮克森石首先提出的。20 世纪 30 年代左右，费伦纽茨和泰 勒斯在皮克森石研究的基础之上进一步拓展了这种方法。在此之后，毕肖浦、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。上述方法的本质原 理全部是条分法，也就是依靠经验将待分析边坡划定为不同的垂向条状区域，在对条 状区域侧体的载荷作出相应的限定后对不同的条状区域进行静态稳定研究， 通过代数 和的方式得到边坡稳定性系数。在信息科技快速发展的现在，还能够通过编写相应的 程序，使用不同的分析方式来计算，最终得出最具威胁性的滑移面以及最小的稳定性 系数。但是相对于一般岩石性质的边坡体，因为坡体岩土中包含很多形状和性质各异 的间断结构面，所以研究者能够运用刚体极限平衡理论，控制边坡特定的一组或者两 组结构面的安全性来研究全体边坡的安全性，同时参考不同种因素对结果的作用。 （2）边坡岩土体介质塑性极限分析方法[1318] 20 世纪中叶，人们尝试将静力场和运动场结合起来进行力学分析，这也为边坡 岩土体稳定性开辟了另一分析途径，即边坡岩土体介质的塑性极限分析方法。该方法 的基本原理将边坡岩土体介质视为刚塑性体介质，当边坡岩土体介质内部应力小于 自身的屈服极限条件时，认为该位置的边坡岩土体介质不发生变形破坏，而当边坡岩 土体介质内部应力达到或者超过自身的屈服极限条件时， 认为该位置的边坡岩土体介 质产生发生失稳破坏且完全变形。该方法的显著特点是考虑了材料应力应变关系， 结合塑性极限分析的上、 下限定理求得边坡极限荷载与安全系数。 门玉明[19]运用边坡 岩土体介质塑性极限分析方法进一步研究了边坡岩土体介质破坏滑移面呈折线分布 的稳定性机理， 采用屈服极限和流动法则推倒了边坡岩土体介质破坏滑移面呈折线滑 移的边坡岩土体介质稳定性就算公式以研究边坡稳定性的岩土工程安全稳定性问题。 李小强等[20]对边坡岩土体介质受自身及其外力作用的平衡体系势能变化最小的原理， 研究边坡岩土体介质整体的势能分布特征， 并以此求解边坡岩土体介质发生滑移的坡 面上的法向应力分布位置，从而从而定量评价边坡岩土体的稳定性，即给出边坡岩土 体稳定性的安全系数。 陈佳等[21]从边坡岩土体介质变形协调的角度进行边坡岩土体的 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 -4- 稳定性分析，根据土力学理论中的极限分析上、下限法理论来研究边坡岩土体介质危 险滑移体的斜分条机动许可速度场， 并依据边坡岩土体介质危险滑移体外力功与内能 耗散的相平衡，定量计算边坡岩土体的稳定性的安全系数。 （3）数值分析法[13,21,35] 借助虚拟仿真的技术，以有限元、有限差分和离散元等力学分析理论为基本原理 来对复杂的工程地质体和人造建筑物进行力学解析，通过计算机编程建模，将研究对 象转换成为若干二维或三维的单元格实体，通过应力张量变换，几何位移追踪、强度 比值、平面应力投影法等方法来求得相应单元格实体的正应力和切应力。数值模拟分 析法以数值模拟软件为平台， 操作简单且计算速度快， 能够完成复杂的工程问题研究， 因而一直以来是岩土工程及其力学相关领域广泛使用的分析方法。主要包括有限元 法、边界元法、离散元法、FLAC 等。在边坡稳定性分析领域里使用较为普遍的当属 快速拉格朗日分析法FLAC，通过计算机编程建模，将研究对象转换成为三维的单 元格实体，根据岩土介质受力与大变形的力学关系，设定岩土介质非线性本构力学方 程，通过计算求解得到每一单元格的的应力分布及位移变化，根据材料本身的力学指 标确定整个建模研究对象的塑性破坏分布情况， 最后通过极限平衡法计算出所建模的 边坡的安全稳定性系数。快速拉格朗日分析法（FLAC）应用于边坡稳定性分析及其 领域， 其自身操作简单且计算能力超群以能够完成复杂的工程问题研究得到了许多科 研工作者的青睐；但该数值模拟方法依然存在一定的局限性，数值模拟分析所建立的 计算模型往往都是均匀连续的介质，导致其建模与实际工程条件存在一定的偏差，尽 管如此，其研究结果具有较高的工程指导价值。 （4）有限单元法 有限单元法是自 20 世纪 60 年代因为