露天煤矿深部煤层开采边坡稳定性研究.pdf

分类号 TV5 密级 U D C 工 程 硕 士 学 位 论 文 露天煤矿深部煤层开采边坡 稳定性研究 学 位 申 请 人 张建伟 专 业 领 域 建筑与土木工程 指 导 教 师 雷进生 教授 黄玉凯 高级工程师 二○一七年五月 万方数据 A Dissertation ted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Masters Degree of Architecture and Civil Engineering Study on Stability of Deep Coal Seam Mining Slope in Opencast Coal Mine Graduate Student Zhang Jianwei Professional field Architecture and Civil Engineering Supervisor Prof. Lei Jinsheng Prof. Huang Yukai China Three Gorges University Yichang, 443002, P.R.China May, 2017 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 I 三峡大学学位论文独立完成与诚信声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明 确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名_____________ 日 期_____________ 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 II 内 容 摘 要 随着经济的高速发展，我国对矿产资源的利用也达到了一个新的高度，在各种矿 产资源的开采中又以煤矿的开采力度最大。 如此规模的开采力度虽然助推了当前一个 时期的经济高速增长，在这样的背景下，为了取得预期的开采量各大矿势必就会增加 对原有矿区的开采力度，其最为显著的结果就是各大露天矿的开采深度越来越深、规 模逐渐增加。 这一点可以从一些矿在投产之初和现如今的矿区规模的对比过程中分析 得出。 以煤矿为例，我国的很多著名矿都是采用露天矿的开采模式，这些矿在自身的占 地规模以及开采力度方面都十分庞大，而随着自身规模的逐渐膨胀，很多矿区的边坡 高度也都有了显著的提升。而对于露天矿而言，随着开采深度的逐渐增加，其含量也 会递减，这样就造成了边坡高度的快速增长，直到最后边坡的规模和高度大大超出预 期。在这样的背景下，尽管一些矿还有开采价值，但是高耸的边坡大大增加了再次开 采的难度和危险性， 如何权衡边坡高度与再次开采之间也就成为了一个互相矛盾的命 题。基于此，关于露天矿边坡的研究也就逐渐被摆上了研究的重点层面。本文针对露 天煤矿深部煤层开采边坡稳定性进行研究，提出了有针对性的防治措施及建议。对露 天矿安全生产具有重要的意义。 由于离散元法对于处理和分析大变形问题具有很大的优势。因此，本文在总结前 人研究成果的基础上，进行了如下工作 1）对离散元法、极限平衡分析方法及 FLAC3D 数值模拟的方法的原理进行了介 绍，包括基本原理、材料模型与主要计算参数的确定；能够根据现场实际情况建立工 程地质模型，并运用极限平衡分析方法进行了边坡稳定性的验算。能够根据现场实际 情况运用 FLAC3D 数值模拟的方法进行边坡变形破坏机理与失稳模式判定。 2）对 3DEC 软件进行了介绍，并根据一个具体的边坡工程实例，建立了相应的 稳定性分析模型，对模型进行了静力计算和分析，对时效边坡稳定性以及边坡变形破 坏的控制作用进行了数值模拟分析，并进行防护处理。 3）对边坡防护方案进行了设计，根据之前的分析结果，得出边坡最有可能发生 破坏的位置，选用削坡减载、预应力锚索、抗滑桩、压力注浆与压脚五种防治措施中 的一种来对边坡进行加固； 采用 3DEC 离散元软件对锚杆支护边坡的稳定性进行了分 析，以验证设计方案的合理性和可行性。 关键词关键词露天矿露天矿 边坡破坏边坡破坏 稳定性稳定性 离散元离散元 防治措施防治措施 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 III Abstract With the rapid development of Chinas economy, the utilization of mineral resources in China has reached a new height, and the mining of various mineral resources is the largest. The mining of such a scale, although boost the economic growth of the current period, in this context, in order to achieve the expected production of the major ore will increase the mining strength of the original mining area, its most remarkable result is that the deep open-pit mining depth and gradual increase. This can be analyzed from the comparison between some mines in the beginning of the production and the scale of the mines today. Taking coal mine as an example, many famous mines in China are using open-pit mining model, these mines are very large in their land size and mining strength, and with the gradual expansion of their scale, the slope height of many mining areas also has remarkable improvement. For the open pit slope, with the gradual increase of the mining depth, its content will decline, so the rapid growth of slope height, until the scale and height of the last slope greatly exceeds the expected. In this background, although some mines and mining value, but the towering slope greatly increases the difficulty and danger of mining again, how to balance the slope height and mining become a contradictory proposition. Based on this, the study on the open-air mine slope is gradually put on the focus of research. In this paper, the stability of deep coal seam mining slope in opencast coal mine is studied, and the targeted prevention and control measures and suggestions are put forward. It is of great significance to safety production in open-pit mines. Because the discrete element has great advantages for dealing with large deation and contact problems. Therefore, on the basis of the previous research results, this paper carried on the following work 1 the principle of discrete element , limit equilibrium analysis and FLAC3D numerical simulation are introduced, including the basic principle, material model and the determination of main calculation parameters; The engineering geological model can be established according to the actual situation, and the stability of the slope is verified by the limit equilibrium analysis . According to the actual situation, FLAC3D numerical simulation is used to determine the failure mechanism and instability mode of slope deation. 2 the 3 software is introduced, and according to a specific example of slope 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 IV engineering, the corresponding stability analysis model is established, the static calculation and analysis of the model, the control effect of aging slope stability and slope deation is simulated and analyzed, and protection treatment. 3 the slope protection scheme is designed, according to the previous analysis results, the location of the failure is the most likely to occur, choose cutting slope load shedding, prestressed anchor, anti-slide pile, pressure grouting and foot five preventive measures to reinforce the slope; The stability of rock bolt support slope is analyzed by 3d discrete element software, in order to verify the rationality and feasibility of the design scheme. Keywords opencast mine slope damage stability discrete element control measures 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 V 目 录 选题的依据与意义 ........................................................................................... 1 国内外文献资料综述 ....................................................................................... 2 1 绪论 ............................................................................................................... 5 1.1 引 言 ................................................................................................. 5 1.2 国内外研究现状 ................................................................................ 5 1.3 本文的研究内容及技术路线 ............................................................ 8 2 神华宝日希勒露天煤矿概况 ..................................................................... 10 2.1 二采区工程地质条件 ...................................................................... 10 2.2 边坡工程地质特征分析 .................................................................. 19 2.3 岩土体强度参数综合分析 .............................................................. 21 3 基本理论 ..................................................................................................... 34 3.1 FLAC 有限差分法的原理 ................................................................ 34 3.2 极限平衡分析理论 .......................................................................... 37 3.3 离散元法的原理 .............................................................................. 43 4 评价区边坡有限差分分析 ......................................................................... 46 4.1 数值模拟分析 .................................................................................. 46 4.2 小结 .................................................................................................. 55 5 评价区边坡稳定性研究 ............................................................................. 56 5.1 边坡稳定影响因素分析 .................................................................. 56 5.2 稳定分析方法的选取 ...................................................................... 57 5.3 边坡安全储备系数的确定 .............................................................. 57 5.4 边坡稳定性分析 .............................................................................. 58 5.5 边坡稳定性分区 .............................................................................. 71 5.6 小结 .................................................................................................. 72 6 1煤南端帮滑坡控制方案研究 .................................................................. 73 6.1 研究背景 .......................................................................................... 73 6.2 成因分析 .......................................................................................... 74 6.3 滑坡防治工程措施 .......................................................................... 75 6.4 滑坡压脚方案 .................................................................................. 75 6.5 滑坡区煤层回采方案 ...................................................................... 76 6.6 边坡变形监测方案 .......................................................................... 77 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 VI 6.7 数值计算方案 .................................................................................. 79 7 结论与展望 ................................................................................................. 90 7.1 研究结论 .......................................................................................... 90 7.2 展望 .................................................................................................. 90 参考文献 ......................................................................................................... 91 附录 ................................................................................................................. 94 致谢 ................................................................................................................. 95 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 1 选题的依据与意义 伴随着我国经济的高速发展，我国对矿产资源的利用也达到了一个新的高度，在 各种矿产资源的开采中又以煤矿的开采力度最大。 如此规模的开采力度虽然助推了当 前一个时期的经济高速增长，但是从长远来看，这些已投产矿区的大规模开采在今后 一段时期势必会也越来越频繁，而开采量也会越来越大。在这样的背景下，为了取得 预期的开采量各大矿势必会增加对原有矿区的开采力度， 其最为显著的后果就是各大 露天矿的开采深度越来越深、规模逐渐增加。这一点可以从一些矿在投产之初和现状 矿区规模的对比过程中分析得出[1-7]。 以煤矿为例，我国的很多著名矿都是采用露天开采模式[8-13]，这些矿在自身的占 地规模以及开采力度方面都十分庞大，而随着自身规模的逐渐扩大，很多矿区的边坡 高度也都有了显著的增加。很多矿之所以会呈现这样的高度，在很大程度上是因为在 建矿之初是对较为浅层进行开采，当时储量丰富且开采的难度较小，边坡的高度增长 十分缓慢，但随着经济发展对矿产需求的倍增，使得必须加大原有的开采力度，很明 显的一个表现就是逐渐增加开采的深度。而对于露天矿而言，随着开采深度的逐渐增 加，其可采量也会递减，这样就造成了边坡高度的快速增长，直到最后边坡的规模和 高度大大超出预期。在这样的背景下，尽管一些矿还有开采价值，但是高耸的边坡大 大增加了再次开采的难度和危险性， 如何处理边坡稳定与煤炭开采的关系也就成为了 一个互相矛盾的命题[14-16]。基于此，关于露天矿边坡的研究也就逐渐被摆上了研究的 重点层面。本文针对露天煤矿深部煤层开采边坡稳定性进行研究，通过对内蒙古地区 一大型露天矿的研究提出了有针对性的防治措施及建议。 本次研究工作在全面进行现场调研的基础上展开，主要采用工程地质勘查、力 学参数研究、理论研究、数值分析以及极限平衡分析等相结合的研究方法。在工程 地质勘查、测绘的基础上建立工程地质模型，采用FLAC3D和3DEC等大型数值模拟 软件研究了端帮边坡变形破坏机理与失稳模式，数值分析与理论研究相结合，对滑 坡控制方案、内排合理跟踪距离、边坡时效稳定性等关键问题进行了专题研究。运 用 STAB 极限平衡软件验算并分析了边坡的稳定性，并提出了有针对性的防治措施 及建议。对露天矿安全生产具有重要的意义。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 2 国内外文献资料综述 边坡的稳定性通常以滑动面上的抗滑力（Fs）与滑动力（Fr）的比值，即抗滑稳 定性系数（η）来表示。这一比值越大，边坡越稳定；反之，边坡越不稳定。评价边 坡稳定性的常用方法有下列 4 类①定性分析法。通过对边坡的尺寸和坡形、边坡的 地质结构、所处的地质环境、形成的地质历史、变形破坏形迹，以及影响其稳定性的 各种因素的研究，判断边坡演变阶段和稳定状况。②极限平衡分析法。把可能滑动的 岩、土体假定为刚体，通过分析可能滑动面，并把滑动面上的应力简化为均匀分布， 进而计算出边坡的稳定性系数。③数值分析法。利用有限单元分析法，先计算出边坡 位移场和应力场，然后利用岩、土体强度准则，计算出各单元与可能滑动面的稳定性 系数。④工程地质类比法。将所研究边坡或拟设计的人工边坡与已经研究过的或已有 经验的边坡进行类比，以评价其稳定性，并提出合理的坡高和坡角。 1）定性分析方法 定性是一种模糊的分析方法，通过观测地质环境、分析边坡稳定性的影响因素、 探究边坡稳定性的时效特征和失去稳定性的力学原理， 对已破坏了的地貌的形成原因 及进化过程进行推测及探讨，从而对己变形地质体的成因及演化史进行分析，来解释 边坡稳定性的变化缘由及以后可能发生的变化情况，即一个趋势。此分析法优点为， 可以整体考虑诸多影响稳定性因素，很快的对边坡的特征状态及发展趋势做出预估。 常用定性分析方法有历史成型分析法、工程类比法、数据库和专家经验法、图示法 （如诺模图、赤平投影图、SMR）。 2）极限平衡法 这种方法在我们的工程应用及项目实践中出现得最普遍以及使用得最早。 目前这 种极限平衡法已经发展了一套独立而完整的体系， 相关专业人员对该方法进行了完整 的理论总结。极限平衡分析法发展了各种类别，如Fellenius 法、Bishop 法、Janbu 法、Morgenstern Prince 法、余推力法、Sarma 法、楔形体极限平衡分析法等等。这些 类别针对的具体因素和环境是不同的，有的用于滑面呈圆弧状的滑体，有的用于岩土 边坡不连续的切割面的块体。极限平衡法也有一些较为明显的缺点，与另外几种定量 法相比，该方法只是在力学上做了简化的假设。当然，也正是因为该方法简化了力学 参数，抓住了问题的核心方面，简单直观更能切入主题，若综合多年的实用经验，简 化恰当，则可以得到较为理想的答案。目前这种方法使用最为广泛。 3）数值分析法 数值分析法主要包括有限元法 （FEM） 、边界元法 （BEM） 、有限差分法 （FDM） 、 离散元法（DEM）等。其中有限元法应用最早，该法可考虑边坡岩土体的非均质和 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 3 不连续性，并且不受边坡几何形状不规则的限制。2006年龚文惠[10]将FEM与强度折 减原理结合进行顺层边坡稳定性分析，研究开挖效应对边坡稳定性的影响，并于 2007 年进行稳定性的敏感因素分析[11]。边界元法是继有限元之后发展起来的数值方 法，只在定义域的边界上划分单元，用满足控制方程的函数去逼近边界条件。所以 边界元法与有限元相比，具有单元个数少，数据准备简单等优点。但用边界元法解 非线性问题时，遇到同非线性项相对应的区域积分，这种积分在奇异点附近有强烈 的奇异性，使求解遇到困难。有限差分法是一种求偏微分（或常微分）方程和方程组 定解问题的数值解的方法，具有简单、灵活以及通用性强等特点，容易在计算机上 实现。 4）工程地质类比法 将所研究边坡或拟设计的人工边坡与已经研究过的或已有经验的边坡进行类比， 以评价其稳定性，并提出合理的坡高和坡角。 上世纪 80 年代初，中国地质调查局武汉地质调查中心的李铁山根据边坡面自身 的滑动特征的差异，将其划分为了 5 种类型[17-22]，这是国内较早的对其进行归类划分 的研究。 80 年代末，中科院地质研究所的孙玉科等[23-26]，则根据矿区岩石群的自身特点 和类型，尤其是水文地质、破坏形式、初始应力场、岩体结构等各方面的不同，将地 质模型划分成了 5 个类别。 90 年代初期，罗国义根据地表断层之间的不同类型以及后续的组合模式，创造 性地将层状岩体划分为 4 终端层结构，而且还将火成岩也分门别类地归为了 15 种样 式。 在同一时期，国外学者的研究也十分踊跃，在当时比较具有代表性的是加拿大学 者 Brawner，其集合自身的研究实际建立起了 6 种模型，分别就一些十分普通的岩石 边坡以及变形的演变予以细致分析[27-31]， 这项研究对于露天矿边坡的研究是一项基础 性工作。 要想在整体的发展趋势中，提升边坡控制的相关措施和水平，这对于提升我们的 安全生产水平具有十分重要的作用。就当前一个时期以来，应用十分广泛且技术渐趋 成熟的主要应用为顺岩层技术，该项技术诞生至今已有几十年的历史，也发挥了十分 重要的作用。具体到技术层面来说，该种技术的类型主要可分为“治理法”和“控制”两 类。前者主要是面对容易滑坡的物体来建立合适的阻挡物，此物体的基本作用是实现 大致的平衡，即当有物体滑落时可以有效地用自身产生的反作用力来进行阻挡；后者 则主要的技术性因素是通过减少滑坡面上所存在一系列的物质， 这一类物质主要是地 下水进行减少，然后通过这一物体的产生来将其减少或分解，来达到预期目的。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 4 这一技术经过几十年的发展已相对成熟，而且在国内外的很多矿中得以应用，很 多的改善型措施也先后涌现出来， 这对于技术创新和因地制宜地进行革新性质的变革 都具有十分重要的作用[32-40]。 通过进行岩土物理力学性质试验、工程地质勘察、地质补充钻探等，对岩土物理 力学性质、滑坡破坏模式及破坏机理分析、边坡稳定性分析，掌握和评价研究区域的 工程地质条件以及边坡稳定性等情况， 依据边坡稳定性系数大小对研究区域的稳定性 进行分区，并且根据相关分析结果，对存在隐患的边坡进行排查，提出边坡变形破坏 防治措施以及相关作业管理措施。 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 5 1 绪论 1.1 引言 随着经济的高速发展，我国对矿产资源的利用也达到了一个新的高度，在各种矿 产资源的开采中又以煤矿的开采力度最大。 如此规模的开采力度虽然助推了当前一个 时期的经济高速增长，但是从长远来看，这些已投产矿区的大规模开采在今后一段时 期势必会也越来越频繁，而开采量也会越来越大，在这样的背景下，为了取得预期的 开采量各大矿势必就会增加对原有矿区的开采力度， 其最为显著的后果就是各大露天 矿的开采深度越来越深、规模逐渐增加。这一点可以从一些矿在投产之初和现状矿区 规模的对比过程中分析得出。 以煤矿为例，我国的很多著名矿都是采用露天矿的开采模式，这些矿在自身的占 地规模以及开采力度方面都十分庞大，而随着自身规模的逐渐膨胀，很多矿区的边坡 高度也都有了显著的提升。很多矿之所以会呈现这样的高度，在很大程度上是因为在 建矿之初是对较为浅层进行开采，当时储量丰富且开采的难度较小，边坡的高度增长 十分缓慢，但随着经济发展对矿产需求的倍增，使得必须加大原有的开采力度，很明 显的而一个表现就是逐渐增加开采的深度。而对于露天矿而言，随着开采深度的逐渐 增加，其含量也会递减，这样就造成了边坡高度的快速增长，直到最后边坡的规模和 高度大大超出预期。在这样的背景下，尽管一些矿还有开采价值，但是高耸的边坡大 大增加了再次开采的难度和危险性， 如何处理边坡稳定与煤炭开采的关系也就成为了 一个互相矛盾的命题。基于此，关于露天矿边坡的研究也就逐渐被摆上了研究的重点 层面。本文针对露天煤矿深部煤层开采边坡稳定性进行研究，通过对内蒙古地区一大 型露天矿的研究提出了有针对性的防治措施及建议。 本次研究工作在全面进行现场调研的基础上展开，主要采用工程地质勘查、力学 参数研究、理论研究、数值分析以及极限平衡分析等相结合的研究方法。在工程地质 勘查、测绘的基础上建立工程地质模型，采用 FLAC3D和 3DEC 等大型数值模拟软件 研究了端帮边坡变形破坏机理与失稳模式，数值分析与理论研究相结合，对滑坡控制 方案、内排合理跟踪距离、边坡时效稳定性等关键问题进行了专题研究。运用 STAB 极限平衡软件验算并分析了边坡的稳定性，并提出了有针对性的防治措施及建议。对 露天矿安全生产具有重要的意义。 1.2 国内外研究现状 我们最早研究边坡的稳定性也是从滑坡现象开始的， 滑坡在很早以前是作为一种 地貌现象来描述的。边坡的稳定性通常以滑动面上的抗滑力（Fs）与滑动力（Fr）的 比值，即抗滑稳定性系数（η）来表示。这一比值越大，边坡越稳定；反之，边坡越 不稳定。评价边坡稳定性的常用方法有下列 4 类①定性分析法。通过对边坡的尺寸 万方数据 三三 峡峡 大大 学学 工工 程程 硕硕 士士 专专 业业 学学 位位 论论 文文 6 和坡形、边坡的地质结构、所处的地质环境、形成的地质历史、变形破坏形迹，以及 影响其稳定性的各种因素的研究， 判断边坡演变阶段和稳定状况。 ②极限平衡分析法。 把可能滑动的岩、土体假定为刚体，通过分析可能滑动面，并把滑动面上的应力简化 为均匀分布，进而计算出边坡的稳定性系数。③数值分析法。利用有限单元分析法， 先计算出边坡位移场和应力场，然后利用岩、土体强度准则，计算出各单元与可能滑 动面的稳定性系数。④工程地质类比法。将所研究边坡或拟设计的人工边坡与已经研 究过的或已有经验的边坡进行类比，以评价其稳定性，并提出合理的坡高和坡角。 1）定性分析方法 定性是一种模糊的分析方法，通过观测地质环境、分析边坡稳定性的影响因素、 探究边坡稳定性的时效特征和失去稳定性的力学原理， 对已破坏了的地貌的形成原因 及进化过程进行推测及探讨，从而对己变形地质体的成因及演化史进行分析，来解释 边坡稳定性的变化缘由及以后可能发生的变化情况，即一个趋势。此分析法优点为， 可以整体考虑诸多影响稳定性因素，很快的对边坡的特征状态及发展趋势做出预估。 常用定性分析方法有历史成型分析法、工程类比法、数据库和专家经验法、图示法 （如诺模图、赤平投影图、SMR）。 2）极限平衡法 这种方法在我们的工程应用及项目实践中出现得最普遍以及使用得最早。 目前这 种极限平衡法已经发展了一套独立而完整的体系， 相关专业人员对该方法进行了完整 的理论总结。极限平衡分析法发展了各种类别，如Fellenius 法、Bishop 法、Janbu 法、Morgenstern Prince 法、余推力法、Sarma 法、楔形体极限平衡分析法等等。这些 类别针对的具体因素和环境是不同的，有的用于滑面呈圆弧状的滑体，有的用于岩土 边坡不连续的切割面的块体。当然极限平衡法也有一些较为明显的缺点，与另外几种 定量法相比，该方法只是在力学上做了简化的假设。当然，也正是因为该方法简化了 力学参数， 抓住了问