白音华一号露天煤矿南帮软岩边坡稳定性研究.pdf

致 谢 致 谢 硕士研究生的学习生活是紧张而又充实的，本论文是在此期间来所学知识的总 结，是经历了长时间的思考、讨论、资料准备、大量计算的最后汇总写作，几经修 改并最终得以顺利完成。在此期间，得到了许多老师与同学的关心和帮助，在此对 所有对这篇论文的完成有过帮助的老师与同学表示衷心的感谢 本论文是在导师曹兰柱教授的悉心关怀和指导下完成的，在论文的选题、调研、 撰写以及定稿的过程中无不凝聚着曹老师的辛劳和鼓励。在研究生期间的生活中， 曹老师一直对我的学习、工作和生活给予无微不至的关怀和教导，给我提供了良好 的学习、科研环境。同时曹老师活跃的学术思想，渊博的学识，严谨的治学态度， 理论与实践相结合的科研方法，以及对工作和科研不断求索、忘我工作的精神，深 深影响着我，将使我终生受益。在他的教诲和帮助下，使我不断战胜学习、工作中 的困难，使我对学习和工作更加充满信心，使我在科研的道路上不断地成熟起来。 在论文完成之际，特向多年来给予我精心培养、严格要求和热情关怀的导师曹兰柱 教授表示最诚挚的感谢和敬意 - I - 摘 要 摘 要 边坡稳定是露天矿安全高效生产的基础。随着我国锡盟地区露天煤矿产量规模及数量 的不断增加，软岩露天矿边坡稳定性及其治理问题日渐突出。如何针对露天矿实际条件， 科学评价软岩边坡稳定性，提出合理的治理措施，是露天采矿工程技术人员致力解决的问 题。论文综合运用工程地质踏勘、理论分析、极限平衡法和数值模拟等方法和手段，对白 音华一号露天煤矿南帮顺倾软岩边坡稳定性及其治理问题进行了较为系统的研究。 论文结合白音华一号露天煤矿采场南帮工程实际，分析了地层结构、岩性、地下水等 因素对边坡稳定性的影响，判定了边坡的潜在破坏模式；基于极限平衡理论，应用简化 Bishop 法和剩余推力法对边坡稳定进行了分析，应用 FLAC3D对边坡的稳定性进行了数值 模拟，阐明了边坡岩体应力分布状态、位移分布规律及塑性区分布特征，揭示了滑坡机理； 在滑坡原因分析的基础上，提出了合理的边坡治理方案，为确保边坡的稳定、矿山安全生 产提供了技术支持。 关键词软岩边坡；极限平衡法；边坡稳定性；数值模拟；边坡治理 II Abstract Abstract Slope stability is the basis for open pit mine safe and efficient production.With the development in construction and mining of open pit coal mine, the problem of slope stability is standing out. Especially in the soft rock slopes deation instability. How scientific uation of soft rock open pit slope stability, reasonable stability of the control measures, the open pit mining engineering and technical personnel to address the problem. Integrated use of engineering geological reconnaissance,Theoretical analysis,Limit equilibrium , numerical simulation and other s . there has an systematic study on soft rock dumping along the south slope stability of Baiyinhua open pit mine. The paper is according to the Baiyinhua open pit mines hydrogeological investigation and engineering geological prospecting, analysis the influence to slope stability from stratal configuration and ground water. Analysis the potential break model of Baiyinhua open pit mines south slope. Application of rigid body limit equilibrinm on sound a number of south slope stability of open-pit coal mine, Based on limit equilibrium theory, simplified Bishop ,residual thrust and analysis of slope stability,use the FLAC3D with numerical simulation in slope stability, distribution of rock mass stress,displacement distribution and plastic zone, announce the mechanism of side slopes coast and at last confirm the landslide model. According to the result of numerical simulation, put forward the corresponding slope treatment schemes, to ensure the stability of the slope，mine safe production of objective, is a very real significant work. Key WordsSoft rock slope；Limit equilibrium ；Slope stability；Numerical simulation ；slope treatment III 目 录目 录 摘 要 ........................................................................................................ Ⅰ Abstract........................................................................................................... Ⅱ 1 绪论 ............................................................................................................ 1 1.1 问题提出的依据及意义 ................................................................... 1 1.2 边坡稳定性研究的发展概况 ............................................................ 1 1.3 论文研究的主要内容 ....................................................................... 4 1.4 论文的技术路线............................................................................... 5 2 工程概况及地质条件分析........................................................................... 6 2.1 自然概况.......................................................................................... 6 2.1.1 地理位置及交通概况 .................................................................. 6 2.1.2 气候特征..................................................................................... 7 2.1.3 地形地貌..................................................................................... 8 2.1.4 地震 ............................................................................................ 8 2.2 区域地质条件分析 ........................................................................... 8 2.2.1 区域地层..................................................................................... 8 2.2.2 区域构造..................................................................................... 8 2.3 边坡工程地质特征分析 ................................................................... 9 2.3.1 岩体结构类型 ............................................................................. 9 2.3.2 岩性及组合特征........................................................................ 10 2.3.3 地层 .......................................................................................... 14 2.3.4 地质构造................................................................................... 15 2.3.5 水文地质条件 ........................................................................... 15 2.4 小结 ............................................................................................... 17 3 露天矿边坡稳定性影响因素及滑坡模式分析........................................... 18 3.1 边坡稳定性影响因素分析.............................................................. 18 3.1.1 自然因素................................................................................... 18 3.1.2 工程因素................................................................................... 19 IV 3.1.3 时间效应................................................................................... 20 3.2 边坡潜在滑坡模式分析 ................................................................. 20 3.2.1 软岩边坡变形破坏模式分析 ..................................................... 20 3.2.2 白音华一号露天煤矿南帮边坡潜在滑坡模式分析 ................... 22 3.3 小结 ............................................................................................... 22 4 边坡稳定性定量计算 ................................................................................ 23 4.1 极限平衡法基本原则 ..................................................................... 23 4.2 安全储备系数及岩体物理力学指标的确定.................................... 23 4.3 南帮边坡稳定性分析 ..................................................................... 24 4.3.1 边坡稳定性分析基本思路......................................................... 24 4.4 小结 ............................................................................................... 28 5 基于 FLAC3D的边坡滑坡机理数值模拟 ................................................... 29 5.1 FLAC3D简介 .................................................................................. 29 5.1.1 理论基础................................................................................... 29 5.1.2 强度折减法的基本原理 ............................................................ 30 5.2 南帮边坡失稳数值模拟 ................................................................. 30 5.2.1 南帮边坡失稳数值模拟模型的建立.......................................... 30 5.2.2 数值模拟相关初始参数的确定 ................................................. 31 5.2.3 数值模拟结果分析.................................................................... 32 5.3 小结 ............................................................................................... 36 6 边坡治理方案研究 .................................................................................... 37 6.1 传统的滑坡防治分析研究.............................................................. 37 6.2 滑坡原因分析 ................................................................................ 37 6.3 治理方案研究 ................................................................................ 38 6.4 小结 ............................................................................................... 53 7 结论与展望 ............................................................................................... 55 7.1 结论 ............................................................................................... 55 7.2 展望 ............................................................................................... 55 参 考 文 献................................................................................................... 56 V 作 者 简 历................................................................................................... 58 学位论文原创性声明 ...................................................................................... 69 学位论文数据集.............................................................................................. 60 - 1 - 1 绪论 1 绪论 1.1 问题提出的依据及意义 1.1 问题提出的依据及意义 白音华一号露天矿的设计规模为 7.00Mt/a，开采工艺为单斗卡车半移动 破碎站带式输送机半连续开采工艺。开采方法为剥离物水平分层，煤层倾斜分 层顶板露煤整层开采。开采程序为工作线走向布置，沿南部煤层露头走向拉沟降 深，工作线倾向推进平行发展。 该矿根据煤炭市场的需求，在 2003 年收购的白音华小露天煤矿的基础上不断 扩建，至 2010 年原煤产量已达 10Mt/a。目前主采 1煤、2煤，并开始扩南帮，采 剥工程向开采 3煤延深扩建。扩建后露天矿生产规模将达到 15Mt/a。 滑坡给露天矿安全生产造成极大影响，经济损失巨大。其中白音华二号露天煤 矿 2 次滑坡，其中滑坡体压煤 3Mt 无法开采，直接经济损失约 1.5 亿元；滑坡后 迫使当年 2000 万 m3的内排量外排，增加运距 2km，立米公里费用按 1 元/m3km 计 算，增加直接成本约 4000 万元；另外，诸如剥采比加大、运距增大、外排扩容征 地、运输系统改造、滑坡区的整治费用，以及滑坡造成的其他损失间接损失也是巨 大的。 造成白音华二号露天煤矿主要因素有以下几个方面 第一、 软岩边坡， 强度低， 第四系砂土易垮塌；第三系红粘土含蒙脱石，遇水膨胀，形成内部剪切滑面。第二、 煤层水浸润底板泥岩，演化成弱层，易形成多层弱面。第三、滑面上覆岩层、排土 场荷载作用。随采矿工程推进，受前缘卸荷，上覆岩层在排土加荷的作用，呈现塑 性破坏，被下伏的软岩载驮的复合边坡体将整体向临空方向位移，并于后缘处产生 拉裂造成陷落，从而逐层形成整体滑移。其中下伏的软岩为潜在滑移面，当潜在滑 移面被剪断贯通导致滑坡。白音华一号露天煤矿的煤岩赋存条件、工程地质条件、 开采方法与二号露天煤矿相同。前车之鉴，防患与未然，为确保白音华一号露天煤 矿在这种特殊软岩条件下安全、经济、高效开采，所以有必要对白音华一号露天煤 矿南帮边坡稳定进行分析。 因此， 本文的研究不仅对白音华一号露天煤矿的开发具有较重要的理论指导意 义和实用价值，而且丰富了软岩露天矿开采、设计的理论和方法，其成果具有广阔 推广应用前景。 1.2 边坡稳定性研究的发展概况 1.2 边坡稳定性研究的发展概况 露天矿边坡稳定性研究是一项关系到矿山设计、矿山安全生产、矿山可持续发 - 2 - 展、提高矿山经济效益以及矿山闭坑后综合利用的关键课题。据估算，对于大型露 天矿边坡每加陡 1，可带来近亿元乃至更多的收益[1-2]。但同时边坡过陡造成滑坡 也会给矿山生产和安全带来严重后果。 因此露天矿边坡问题已成为影响露天开采技 术经济的最重要因素之一，越来越引起大家的重视。 1 露天矿边坡研究的发展历史 我国的露天矿边坡工程研究始于 20 世纪 60 年代，在 20 世纪 7080 年代得到 了飞速发展，与此同时，我国在边坡工程总体技术水平上，已居于国际先进行列。 进入 20 世纪 80 年代后期，我国已有越来越多的露天矿山转入深凹露天开采，边坡 高度从 100300m 增加到 300500m，有的甚至超过 700m。90 年代以来，我国露天 矿的边坡稳定性研究亦取得不少新的进展，主要表现在研究、生产与设计之间的密 切结合，在边坡稳定性研究方向则更强调多种分析评价方法的综合评价[3-4]。 2 露天矿边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析是边坡研究的核心， 其目的是通过采用先进的研究手段和系统 优化的科学方法[5]，在保障边坡安全的前提下，寻求剥岩量小，可采矿量大，以及 滑坡处理和补救工程费用低，矿山收益最大的边坡设计方案。矿山边坡稳定性分析 方法分定性、定量和不确定性三种。 ① 定性分析方法 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能 的变形破坏方式及失稳的力学机制等进行分析， 对已变形地质体的成因及其演化史 进行分析， 从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势定性的说明和解 释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，主要方法有范例推理、专家 系统及图解法等等。 ② 定量分析方法 定量方法主要有极限平衡法和数值法两大类。 a 极限平衡法 目前常用的极限平衡法主要有 Ordinary、Bishop、Morgenstern-Price，Jambu、 Spencer、Sarma 和推力系数等方法。其中 Ordinary 和 Bishop 适合于土质边坡稳定 性 计 算 ， 其 余 的 几 种 方 法 都 可 以 应 用 于 岩 质 边 坡 稳 定 性 计 算 ， 其 中 Morgenstern-Price 方法与 Sarma 方法都同时考虑力矩平衡与力的平衡，推力系数法 是我们国家岩土工程勘察规范国标推荐的方法[6]。我国早期 5060 年代的露天矿山 多采用极限平衡法进行， 近几年深凹露天矿边坡也利用极限平衡法搜索最危险滑动 面，然后结合数值分析方法进行综合计算。 b 数值分析方法 - 3 - 数值分析方法主要有有限元法、离散元法、边界元法、无单元法、DDA 方法、 流行元法、蒙特卡罗法和拉格朗日元法等。 有限元法是边坡稳定分析中用的较多的一种数值方法。 用该方法可对二维或三 维范围内的边坡安全系数进行预测， 即利用有限单元法， 考虑土的非线性本构关系， 求出各单元的应力及变形后， 便可以根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范 围的扩展情况， 并设法将局部破坏与整体破坏联系起来， 求得合适的临界滑面位置。 离散元法是一种适用于不连续岩体稳定分析的数值方法，其最大的特点是允 许单元之间的相对运动，不需要满足位移连续和变形协调条件，可以模拟系统的大 变形及破坏过程。二维离散元法 80 年代中期引入我国。 边界元法该方法只需对已知区的边界极限离散化，因此具有输入数据少的特 点， 故边界元法的计算精度较高， 在处理无限域方面有明显的优势。 其不足之处为 不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。另外，边界元法在处理材料 的非线性和严重不均匀的边坡问题方面，远不如有限元法。 无单元法这种采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数。它保留了 有限元的一些特点，但摆脱了单元限制，克服了有限元的不足。无单元法只需结点 信息而不需单元信息，处理简单，计算精度高，收敛速度快，提供了场函数的连续 可导近似解。基于这些优点，无单元法具有广阔的应用前景。 非连续变形分析DDA方法是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新 的数值分析方法。DDA 法是兼具有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方 法。 流行元法流形元法是石氏继创立块体理论和 DDA 后，并在此基础上首创的 一种新的现代数值方法。它以拓扑流形为基础，应用有限覆盖技术，吸收有限元法 与 DDA 法各自的优点。 蒙特卡罗法蒙特卡洛法根据随机变量X的分布函数选取随机数输入到分析 中，得到一个安全系数。此方法可考虑粘聚力、内摩擦角、地震荷载、卸荷裂隙、 地下水深等对边坡稳定的影响。 拉格朗日元FLAC法为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷， 人们根据有限差分法的原理，提出了 FLAC 数值分析方法[7]。此方法 90 年代在我 国边坡研究中得到重视和应用。 ③ 不确定性分析方法 随着科学技术的进步和滑坡、边坡理论研究的深入，人们已普遍认识到传统的 边坡稳定性分析中还存在许多不确定性因素。 近年在评价边坡稳定时将这些不确定 性因素考虑了进去，其主要方法有可靠度评价方法、灰色系统理论分析法、模糊综 - 4 - 合评判法和人工神经网络分析方法等。 a 可靠度评价方法 边坡工程可靠性分析是近 20 年发展起来的评价边坡工程状态的新方法，它把 边坡岩体性质，荷载，地下水，破坏模式，计算模型等作为不确定量，借鉴结构工 程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率来评价边坡 安全度。 b 灰色系统评价法 灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有已知的，又有未知的或不确 定的，它们所在的系统则称为灰色系统[8]。把系统中的一切信息量看作灰色量，采 用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理，确定边坡稳 定性各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。 c 模糊综合评价方法 模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其 属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。 1.3 论文研究的主要内容 1.3 论文研究的主要内容 为保证避免滑坡灾害的发生，必须对白音华一号露天煤矿南帮边坡进行稳定性分析， 在此基础上提出合理的边坡治理方案，为露天矿安全生产提供技术保障。本文主要研究内 容如下 1 工程概况及地质特征分析 ① 分析露天矿工程概况，确定边坡重点研究区段； ② 进行工程地质调查，分析露天矿首采区的工程地质、水文地质及岩体物理 力学指标。 2 边坡稳定性影响因素及滑坡模式分析 ① 分析岩性、地质构造、岩体结构、地下及地表水等因素对边坡稳定性的影 响； ② 分析边坡的潜在滑坡模式。 3 边坡稳定性定量计算 选取典型的计算剖面，对边坡的稳定性进行评价； 4 滑坡机理数值模拟 ① 结合边坡工程地质条件，建立边坡数值模拟模型；并对边坡失稳特征进行 分析，揭示滑坡机理； 5 边坡治理措施研究 - 5 - 根据边坡稳定性极限平衡计算及数值模拟结果，提出合理边坡治理措施。 1.4 论文的技术路线 1.4 论文的技术路线 本项目拟采用理论分析、刚体极限平衡法及数值模拟相结合的研究方法，所 采取的技术路线如图所示。 图 1.1 技术路线图 Fig. 1.1 Flow chart of technical route - 6 - 2 工程概况及地质条件分析 2 工程概况及地质条件分析 掌握工程概况及地质特征是科学评价边坡稳定性、 充分认识滑坡机理的前提和 基础。因此，有必要对白音华一号露天煤矿首采区南帮边坡开展系统全面的矿区概 况和工程地质调查，分析边坡的工程地质特征，初步评价其稳定性。 2.1 自然概况 2.1 自然概况 2.1.1 地理位置及交通概况 2.1.1 地理位置及交通概况 白音华煤田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华镇和哈日根台 镇境内，地理坐标为东经 11822′12″11852′30″ ，北纬 4445′00″4515′00″。 该煤田呈 NE-SW 方向展布，长轴 60km，短轴 8.5km，面积约 510km2（见图 2.1） 。 煤田内沿 NE-SW 走向分别规划为 4 个露天矿和多个井工矿，其中一号露天矿位于 白音华煤田西南部（行政区隶属哈日根台镇） 。 图 2.1 白音华一号露天煤矿位置示意图 Fig. 2.1 Baiyinhua diagram of first coal mine 区内交通以公路为主，白音华矿区－巴彦乌拉镇（西乌珠穆沁旗政府所在地） 78km 二级公路已建成通车。 白音华矿区林东镇（巴林右旗政府所在）150km 原有砂石路也将改造成二级 - 7 - 公路。 此外，白音华矿区霍林河矿区（霍林郭勒市）130km 也将修建三级公路（见 图 2.2） 。 图 2.2 交通位置图 Fig. 2.2 Transportation location 为满足白音华矿区煤炭外运需求，赤（峰）大（板）白（音华）铁路正在 建设之中。据悉，白音华一号露天煤矿通辽电厂铁路运煤专线已拟开工建设，白 音华经赤峰至锦州港282km赤峰-锦州铁路已开工建设， 届时区内交通将变得较 为便利。 2.1.2 气候特征 2.1.2 气候特征 本区属中温带大陆性干旱半干旱草原气候区，气候特征表现为春季多风易干 旱，夏季温热雨不均，秋季凉爽霜雪早，冬长寒冷冰雪厚。据西乌珠穆沁旗气象局 1954 年至今观测资料 多年最高气温 37.4℃ （1987 年 7 月 29 日） ， 最低气温-38.6℃ （1964 年 2 月 4 日） 。 1971-2000 年间平均降水量 345.9mm， 年最大降水量 564.5mm （1998 年） ，多年一次最大降水量 95.8mm（1995 年 6 月 29 日） ，多年连续一次最 大降水量 100.1mm （1995 年 6 月 28 日-29 日） ， 多年十分钟最大降水量 277mm （1974 - 8 - 年 8 月 4 日） 。多年平均风速 3.6m/s，瞬时的最大风速 21.0m/s，风向多为 w 风。多 年最长冻结期 273d（1979 年 8 月 28 日－1980 年 5 月 26 日） ，多年冻土平均深度 2.30m，最大冻土深度 3.27m。 2.1.3 地形地貌2.1.3 地形地貌 白音华煤田地处内蒙古高原中东部，大兴安岭南段西坡之北侧。区内周边是由 剥蚀作用形成的低山丘陵地形， 向内则是由剥蚀堆积和风蚀作用形成的缓坡状丘陵 地形，中间煤田范围内是由堆积作用形成的平缓草原、沼泽地形。区内东北高，西 南低，地面高程一般 1000.01144.2m，相对高差 144.2m。 2.1.4 地震 2.1.4 地震 根据中国地震动参数区划图 （GB18306-2001） ，本区地震动峰值加速度为 0.05g，对照地震烈度为Ⅵ度区。 2.2 区域地质条件分析 2.2 区域地质条件分析 2.2.1 区域地层 2.2.1 区域地层 白音华煤田系大兴安岭西坡诸多中生代含煤盆地之一，属于二连坳陷（亦称二 连盆地群）东端乌尼特断陷带内一个山间断陷含煤盆地，该盆地在 NE-SW 长条状 展布中，长短轴比近似于 51，盆地规模近似 600km2，最大沉积厚度约 1500m。 该煤田为全掩盖煤田，煤田外围出露有石炭、二叠系浅变质岩和侏罗系大面积 火山岩。该区地层属天山兴安地层区兴安分区西乌旗小区地层。区内地层由下 至上分别为古生界石炭、二叠系；中生界侏罗系上统兴安岭群，白垩系下统巴彦花 组；新生界第三系、第四系。 2.2.2 区域构造 2.2.2 区域构造 白音华一号露天矿大地构造位置属天山内蒙古中部兴安地槽褶皱区（Ⅰ 级） ， 内蒙古中部地槽褶皱系 （Ⅱ级） ， 爱力格庙锡林浩特中间地块的中部 （Ⅲ级） 。 区测资料证实，区内古生代地层构成中生代盆地的基底并形成较大规模的复背斜、 复向斜且下伏于兴安岭群之下；中生代含煤盆地不整合上覆于兴安岭群之上，产状 平缓，褶皱开阔，构造简单；新生代地层则近似水平。 - 9 - 2.3 边坡工程地质特征分析 2.3 边坡工程地质特征分析 2.3.1 岩体结构类型 2.3.1 岩体结构类型 岩体的力学性质取决于岩体的结构特征， 岩体的破坏模式受控于岩体的结构模 式。因此岩体的结构类型是岩体的基本特征反映，它控制着岩体变形和破坏的力学 机制。 1 松散土体结构 松散土体指第四系、第三系松散地层，依据岩性及物理力学性质的不同又可划 分为以下两段。 ① 第四系松散砂层 该层主要由细砂、中砂、粉砂质粘土及砾砂等构成，区内普遍发育厚度变化在 3.50～17.35m 之间，其岩体结构形状态为细颗粒均匀介质，力学性质各向同性，属 不稳定土体，受地下水作用易于流动，地下水会加剧边坡失稳。 ② 第三系粘土岩层 该层绝大部分为棕红色粘土岩层局部含少量砂质及砂粒成份， 赋存厚 度一般 0.00～28.20m，因系泥质胶结并呈半胶结状，故岩体固结程度较差，可 视为均质连续的介质。该粘土岩层粘结性较强，一般呈硬塑状，风干后破碎， 由于其亲水性好，工程地质性质差，边坡失稳率亦高，但其稳定性较第四系为 好。