普阳煤矿1号排土场边坡稳定性研究.pdf

2 硕士学位论文 普阳煤矿 1 号排土场边坡稳定性研究 Study on Slope Stability of No.1 Dump of Puyang Coal Mine 作 者罗杰 导 师舒继森 教授 中国矿业大学 二〇一九年四月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰 写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 4 中图分类号 TD824 学校代码 10290 UDC 622.2 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 普阳煤矿 1 号排土场边坡稳定性研究 Study on Slope Stability of No.1 Dump of Puyang Coal Mine 作 者 罗杰 导 师 舒继森 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 边坡工程 答辩委员会主席 评阅人_____________________ 二〇一九年四月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成 了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文，经 审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式 符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 6 ACKNOWLEDGEMENT First and foremost, I express my profound gratitude and indebtedness to Dr. Jisen SHU, professor of School of Mines for allowing me to carry on the present topic “Study on Slope Stability of No.1 Dump of Puyang Coal Mine” and later on for his inspiring guidance, constructive criticism and valuable suggestions throughout this project work. I am very much thankful to him for his able guidance and pain taking effort in improving my understanding of this project. I am thankful to my colleagues and classmates in our department for providing help during this project. All the analysis done in this project would not have been possible without their help. I extend my sincere thanks to all of them. I’m also thankful to the mine official of the Puyang Coal Mine for providing the data to complete this paper. An assemblage of this nature could never have been attempted without reference to and inspiration from the works of others whose details are mentioned in reference section. I acknowledge my indebtedness to all of them. 罗杰 2019/04/08 万方数据 I Abstract In the civilized world mining activities are synonymous with the standard of life as well as the state of any nation. It results in both economic and uneconomic materials being generated. The Uneconomic materials Wastes are stacked at different places known as waste dumps. The stability of these dumps has been a major concern over the years. The problem becomes increasingly difficult with the reduced availability of land areas for dumping. To minimize the risk associated with the design and construction of slopes, knowledge of the general setting is essential in the recognition of potential or actual landslides. The development of or potential for Landslides is dependent to a large extent upon the character, stratigraphy, structure of the underlying rocks and soils on the topography, climate, vegetation and on surface and underground waters. These factors vary widely from place to place and their variations are reflected in the kinds and rates of landslide movements that result from their interactions. In this project the main focus is the study on slope stability of No.1 Dump of Puyang coal mine. In the present paper were introduced the factors that affect slope stability and especially the water effect that is the main factor that affect the No.t Dump. The slope stability analysis for the waste dump of local coal mine has been carried based on the limit equilibrium using the circular slip failure. This paper has established a two-dimensional modeling and considering the decreasing of groundwater level on the area and the accumulation of water caused by the rainfall on the dump. Factors of safety were calculated to understand the behavior of the dump slope under groundwater conditions. These papers also established slope models using two-dimensional numerical simulation software to analysis and verify the dump slope stability and give the factors of safety. At last the results calculated on the limit equilibrium and numerical analysis were compared to understand the situation on the stability of the dump and given an uation of the dump slope stability. This paper contains 44 figures, 3 tables and 81 references Keywords Waste Dump, Slope, limit equilibrium, Numerical Analysis, uation 万方数据 II 详细详细摘要摘要 在文明世界，采矿活动是跟任何国家生活标准的同义词。露天采矿会产生两 类物质矿石和剥离物。剥离物一般被堆放在不同的地方，这些地方被称为排 土场。 排土场边坡稳定性一直是个非常重要的问题， 而且这个问题变得越来越难， 因为人们对环保的要求越来越高，适合排土的地方越来越少。为了减少排土场的 风险，了解滑坡是必不可少的。岩土的特征、地质结构、气候、植被、地表水和 地下水，对排土场边坡有很大的影响，这些因素的变化是按照每个地方的条件。 水对边坡的影响是多方面的。 水有重要的作用在边坡破坏中。 据资料的统计， 90 的滑坡发生在雨季，尤其是暴雨的时候，连续雨和地下水的作用。这证明水是个 非常重要因素，主要有降雨，地表水，地下水的作用对边坡有影响。 本论文主要内容是了解普阳煤矿 1 号排土场边坡稳定性。 第一章主要介绍论文的研究背景和研究意义。排土场边坡失稳对矿区，环境 和经济有很大的影响。从图 1-1，我们可以看到露天矿边坡滑坡的危险，这图显 示滑坡对环境和周边的建筑的破坏。为了了解排土场边坡稳定性的研究，在第一 章介绍了中国和国外边坡稳定性的研究历史发展。 中国开始研究边坡稳定性比 其他的国家要晚些。在第一章也介绍了边坡稳定性的计算方法。经常用的方法是 极限平衡方法。这方法主要包括，Fellenius、Jambu、Bishop、Taylor、 Morgenstern-Price、Spencer、Sarma 等方法。论文简单介绍了 Bishop、Fellenius 和 Morgenstern-Price 法，确定了本论文的主要内容和研究方法，并制定了合理的 技术线路。 第二章主要内容是矿区地质环境条件。 本章中介绍了矿区的交通位置气候和 水文。1 号排土场，根据收集的已有资料，普阳煤矿 1 号排土场地层主要有人工 填土、层淤泥质粘土，黏土、和灰岩。区域水文条件讲的内容是区域的地下水分 类与富水性特征。研究范围内区的地下水主要有松散层孔隙水、裂隙水及石灰岩 岩溶水三大类。本章中还介绍了排土场的地形地貌，图 2-5 是排土场的全貌。在 图 2-6 也能看到排土场的北部边坡和东部边坡的现状。 根据现场的调查， 1 号排 土场占地面积为 1.095km2，排土范围周长约 4954.5m，标高为 1033m,最大的高 差有 233.11m。北部边坡有 20 个台阶， 每个台阶的高度为 10m 左右,总体边坡 为 13.55，台阶的坡度为 30-40。东部边坡的台阶少，总体有 10 台阶，每台阶 的高度为 10m,坡度角为 13.07。 第三章开始介绍关于排土场边坡稳定性分析。 本章主要内容为排土场边坡稳 定性的影响因素。因为水对边坡稳定性的影响非常大，在这点讲的是水对边坡的 作用。主要有降雨，地表和地下水形式的作用。水对边坡的影响主要包括两个方 面水力渗透作用和 AMD（Acid Mine Drainage矿山酸性排水作用。水力渗透 万方数据 III 作用主要有两种第一种是降低岩体强度，尤其是软弱结构面抗剪强度；第二种 是改变边坡的应力状态，增加动水压力和静水压力。静水压力降低滑面的有效法 向应力和、抗滑力；动水压力的存在增加边坡下滑力。AMD（矿山酸性排水作 用） 作用是指矿山酸性水与组成边坡的岩质材料发生反应，改变岩体内部介质分 子结构和骨架组成，降低岩体层面间的粘聚力和内摩擦角。本章中分析排土场边 坡岩土层的软弱面。1 号排土场地层主要有第四系填土、淤泥质黏土、黏土和 基底地层灰岩。第四系填土为矿山采矿排弃土，其成分混杂，粗细不均匀、成层 分布的整体性软弱层。 其与下伏地层的分界面易于积水或接受下伏灰岩中岩溶水 的浸泡，易于软化形成软弱层，从而形成软弱面。 淤泥质黏土整体呈软～可塑 状，强度低，整体为软弱层。但分布范围小，仅分布于北部边坡坡脚地段。黏土 呈可～硬塑状，主要分布于原始地形的沟谷、斜坡地段，在其与下伏基岩的界面 倾向与地形坡向一致时可能成为软弱层。 下伏灰岩为较硬岩， 构成排土场的基底， 在排土场区域内其产状总体为269-275∠20-37，在排土场区域构成反倾斜 坡。排土场边坡的可能破坏模式主要有边坡形态、物质组成、基底岩土层强度、 地下水特点等所决定。 普阳煤矿 1 号排土场区域内南部、 西部为灰岩构成的山脊， 无滑坡可能，东部边坡基底也为灰岩，但填筑高度已经高出地表约 78.89m。以 北部边坡为最高，总体高度约 233.11m。由 2-2′、3-3′、4-4′剖面可知，北部边坡 的可能滑移面（弱面）为填土与下伏基岩的接触面、填土与黏土的分界面、黏 土与下伏基岩的分界面、填土与淤泥质黏土的界面已经整个淤泥质黏土层、在北 部边坡的下部， 地下水位界面地段也可能成为潜在滑移面。 由 JA1-JA1′剖面可知， 东部边坡的岩土组成为填土和下伏灰岩，灰岩为排土场的基底，而且很稳定。东 部边坡的岩土组成中无确定的软弱层，其可能弱面是填土层的圆弧滑移面。北部 边坡位于现状排土场的北部现状最大填筑标高已达 1030m 左右，总体坡度为 12-13，组成边坡的岩土层较为复杂，在北部边坡坡脚边缘地段出露软塑状淤 泥质黏土，强度低，第四系可～硬塑状黏土以及矿山排弃土。基底岩层为较硬岩 灰岩。北部边坡地段地下水丰富，埋藏浅，且下伏基底岩层中的溶洞发育， 曾经发生过滑坡。北部边坡的地层构成中，各岩层的分界面即可能成为软弱面， 且原始地形的坡向与边坡的坡向一致，组成顺倾边坡；地下水位界线面也可能是 软弱面。边坡物质容易沿软弱面发生移动变形，产生滑坡。故北部边坡可能的滑 移模式为圆弧滑动。北部边坡的总高度达 233.11m，填筑土的结构较为松散。东 部边坡位于现状排土场的东部现状最大填筑标高已达 1030m 左右，总体坡度为 12-13，组成边坡的岩土层较为简单，由 JA1-JA1’剖面可知，组成边坡的物质 为排弃土，基底为较坚硬的灰岩，基岩面坡向与边坡坡向相反，组成反倾斜坡。 该地段地下水埋藏较深，对边坡稳定性的影响较小。 东部边坡的可能滑移模式为 万方数据 IV 圆弧滑动。 表 3-1 给出了 1 号排土场的岩土物理力学指标， 表中的数据用于边坡稳定性 计算。 计算排土场边坡稳定的时候采用 Slope/W 软件， 这个软件属于 Geo-studio， 主要分析方法为极限平衡方法。 本论文计算排土场边坡稳定性采用 Bishop， 计算 中也要考虑地下水位的变化。主要研究是北部边坡的 2-2’，3-3’，4-4’剖面，和 东部边坡 JA1-JA1’剖面。 北部边坡 2-2’剖面有 4 个地层， 人工填土， 淤泥质黏土， 粘土和灰岩，总体边坡为 13.55，高度为 233.11m。3-3’剖面也有 4 个地层，但 是跟 2-2’剖面的分布有区别。总体边坡角也是 13.55，4-4’剖面跟前两剖面的地 层也相同但是分布也不一样。东部边坡只有两个地层人工填土和灰岩，组成边坡 的岩土层较为简单基底为较坚硬的灰岩，基岩面坡向与边坡坡向相反，组成反倾 斜坡。该地段地下水埋藏较深。计算安全系数的时候考虑到了圆弧法。由计算结 果，北部边坡现状在地下水作用情况下将出现不稳定，在北部边坡坡脚地段，由 于地下水埋藏浅， 分布软弱土层， 北部边坡前缘坡脚地段现状处于基本稳定状态， 在遇雨后地下水水位升高后将出现不稳定，有发生坡脚牵引式滑坡的危险性。东 部边坡现状总体是处于稳定状态。在考虑地下水作用影响下也处于稳定状态，即 东部边坡是稳定的。 第四章介绍了排土场边坡数值模拟方法。 在第四章中介绍了采用的软件。 采用的软为 FLAC/SLOPE，这个软件主要方法为有限差分方法。计算前需要建 立了北部边坡和东部边坡的模型，然后进行计算。在这个地方计算的时候也要考 虑地下水的作用。从图 4-1 到图 4-9 可以看到北部排土场的计算结果，从图 4-10 到图 4-12 为东部边坡的计算结果。从这些图来看都显示圆弧滑面。得到的计算 结果在表 4-1。 东部边坡不考虑地下水的作用为稳定， 在地下水的影响下也稳定， 说明排土场边坡不会向东滑动。 第四章主要内容有 1 号排土场边坡稳定性的评价与防治措施。 首先比较得到 的结果了，通过论文采用的软件。 得到的计算结果很相似，将把 Flac/slope 结 果为论文的依据。一般来说根据安全系数来评价边坡稳定性，首先需要考虑，地 质构造，排弃物料，总体边坡，地表和地下水的作用等因素。北部边坡在自然情 况下为基本稳定，但受水的作用属于不稳定，因为有软弱岩，有暴雨的时候地下 水位升级对北部边坡有可能发生破坏。东部边坡属于稳定状态，因为地下水埋藏 较深，对边坡稳定性的影响较小。在第四章中也介绍了 1 号排土场的防治措施。 本论文介绍的主要方法有监测措施和疏干排水方法。监测措施中介绍了地下水 的测压计。测压计可以监测地下水的压力和地下水的水位变化。测压计有两种 气压式气压计和弦式渗压计。1 号排土场为了监测地下水的压力和变化可以用弦 式渗压计，因为操作简单，能保证长期稳定，质量高，成本比较低。疏干排水主 万方数据 V 要介绍三个方案在排土场填上体中设置水平疏干孔；在排土场基底灰岩内设置 排水廊道的方法；在排土场表面通过旋挖或长螺旋引孔设置连续排渗墙。方案 1 的优点是填土层含水层内水通过疏干孔直接排出填土层，针对性强，但不能有 效地将裂隙水、熔岩水排出，后期无法检修，易被破坏；方案 2 的优点是通过排 水廊道设置能够将含水层及裂隙水有效地排出，后期易维护，但在施工中需对未 掘进廊道进行探访，防止突涌。方案 3 的优点是通过连续拍渗墙的设置，能够 将含水层及裂隙水有效地排出，但因需打穿填土层，因此，对成孔要求高。选个 方案需要考虑工程投资和技术特征。 方案 1、 方案 2、 方案 3 从排土场水文地质、 地层结构来看，均可实现排土场疏干排水的功能，但方案 1、方案 3 从施工难度 大外，方案 1 不能有效的将裂隙水、岩溶水排出，后期无法检修、易被破坏；方 案 3 因须打穿填土层，因此对成孔要求较高，资金投人较大；而方案 2 针对基底 岩溶裂隙水采用排水廊道疏排．排土场堆体内的孔隙水则采用排渗孔疏排，且排 渗孔接人下埋排水廊道，统一由廊道排出排土场外，2 种疏排措施的有机结合， 经济投人较，方案 1、方案 3 小，因此，最终选择方案 2 作为对 1 号排上场进行 疏干排水治理。 最后写了本论文的结论，主要有四个点 （1）根据地质资料分析，建立了排 土场的地质模型， 并且分析了水文条件， 确定水是主要对 1 号排土场的影响因素； （2）根据极限平衡方法和 Bishop 圆弧方法，计算结果显示排土场没有水的时候 很稳定。 在地下水的作用影响下，北部边坡出现不稳定， 东部边坡显示稳定； （3）经过数值模拟方法得到的结可以看到排土场处于稳定，但是在受地下水的 一下北部边坡会出现不稳定。在地下水情况下也属于不稳定， 东部边坡还出现 稳定的状态； （4）根据得到的结果做了个比较，得到的结论为两种方法的结果很 相似，计算安全系数的时候，两种方法出现的滑动形式为圆弧滑动面，从 Flac/slope 软件能看到边坡的变形。提出最合理的防治措施有气压式气压计来监 测地下水的压力和地下水的水位变化和在排土场基底灰岩内设置排水廊道的方 法来把地下水流出。 本论文有图 44 幅，表 3 个，参考文献 81 关键词关键词排土场, 边坡，极限平衡法，数值模拟法，稳定评价。 万方数据 VI Contents Abstract .................................................................................................................................... I Contents ................................................................................................................................ VI Table of Figures .................................................................................................................... X List of tables ........................................................................................................................ XII List of variables ................................................................................................................. XIII 1. Introduction ........................................................................................................................1 1.1 Topic Selection Background and Research Significance ................................... 1 1.2 The Development History of Slope Stability Research ...................................... 3 1.3 Research actuality of Dump slope stability .......................................................... 6 1.4 research content ..................................................................................................... 12 1.5 Research s and Technical Route ............................................................. 13 1.6 Summary ................................................................................................................. 14 2. Regional Geological Environment Conditions .........................................................15 2.1 Natural conditions ................................................................................................. 15 2.2 Regional hydrogeological conditions and Regional Engineering geology .... 18 2.3 No.1 Waste dump slope engineering geological conditions ............................ 22 2.4 Summary ................................................................................................................. 27 3 No.1 Dump slope stability analysis ...............................................................................27 3.1 Basic concept of dump slope Stability ................................................................ 29 3.2 Factors affecting the slope stability ..................................................................... 31 3.3 Soft surface in a Rock and soil layer of the Dump slope ............................... 31 3.4 Selection of the Sections ....................................................................................... 34 3.5 Analysis of possible failure modes of dump slope ............................................ 35 3.6 parameters for slope stability of No.1 dump ...................................................... 36 3.7 Introduction to Slope/W software ....................................................................... 38 3.8 Calculation of the slope stability ......................................................................... 39 3.9 Summary .................................................................................................................. 46 4 Numerical Simulation and uation of No.1 Dump ..............................46 4.1 Introduction to FLAC/SLOPE software ........................................................ 47 4.2 Calculation of factor of safety........................................................................ 49 4.3 Comparative Analysis of the Calculated Results and uation ........................... 57 万方数据 VII 4.4 Dump slope deation tendency and control measures .................................. 58 4.5 Summary .................................................................................................................. 65 5 Conclusion ......................................................................................................................... 67 References ..............................................................................................................................68 Author’s Resume .................................................................................................................74 Declaration of Thesis ..........................................................................................................75 Thesis Data Collection ........................................................................................................76 万方数据 VIII 目录目录 摘要摘要 I 目录目录 VII 图清单图清单X 表清单表清单XII 变量注释表变量注释表XIII 1. 绪论绪论 1 1.1 选题背景和研究意义 1 1.2 边坡稳定性研究发展历史 3 1.3 排土场边坡稳定性研究现状6 1.4 研究内容 12 1.5 研究方法与技术线路13 1.6 本章小结 14 2. 区域地质环境条件区域地质环境条件 15 2.1 自然地理 15 2.2 区域水文地质与工程地质条件 18 2.3 1 号排土场边坡工程地质条件 22 2.4 本章小结 27 3. 1 号排土场边坡稳定性分析号排土场边坡稳定性分析 29 3.1 排土场边坡稳定性的基本概念 29 3.2 主要对边坡稳定性的因素 31 3.3 排土场边坡岩土层中的软弱面 33 3 . 4 排 土 场 边 坡 剖 面 选 取 3 4 3.5 排土场边坡可能破坏模式分析 35 3.6 1 号排土场边坡稳定性参数