蒙祥煤矿边坡稳定性分析研究(1).pdf

万方数据 万方数据 摘摘 要要 露天开采是指釆用一定的采运设备，在敞露的空间中，从地表开始作业移走矿体上 的覆盖物，得到所需矿物的过程，其特点是必须将矿体周围及上部覆盖的岩石剥离掉。 蒙祥煤矿开采范围大，最终边坡角为36，矿山的整体的运输土方工程量巨大，整体的 经济效益低下。由于其蒙祥煤矿边坡低，且在开采过程中存在边坡压矿以及土方剥离量 大的特点。为了解决这一问题矿山岩土剥离量大的问题，特对其进行边坡的最终边坡角 入手，进行讨论探究。 通过对该矿的开发利用方案以及地质报告进行分析总结，对矿山的所处的位置以及 进行了详细了解，所研究的边坡的岩层地质构造较为平缓，并且其岩性较为单一，自上 而下边坡的岩性为黄土、煤层、泥岩以及粗砂岩。并对所研究的6 号煤层、9 号煤层、9 号下煤层的煤质情况有了详细的解读。通过对煤层岩性的了解利用蒸馏水抽气法对边坡 的黄土、泥岩以及粗砂岩有了的容重进行实验分析。然后利用三轴抗压实验对岩土进行 制样，使用三轴仪进行粘聚力、以及内摩擦角的测定，接着根据测得主应力，剪应力进 行分析计算最后得出其杨氏模量，以便后面边坡模拟提供参数上的支持。并通过所采集 的样品，通过分析论证后得出其抗压强度、粘聚力和内摩擦角随着深度的增加而增大。 根据现场所采集点和所打的钻孔分析结果，利用3Dmine 软件边坡建立三维模型。整体 边坡的边坡角为36，6 号煤层在上部黄土下方，整体的厚度为15m，并且其倾向为1， 两层泥岩在6 号煤层下方，且整体倾斜近乎于水平，并且厚度较厚，属于风化性岩层， 抗压能力较差最后使用Midas 软件对其进行边坡稳定分析，对边坡从主应变、等效应 变、有效塑性应变等几个方面进行分析论证，判断出边坡稳定安全系数偏高，针对这个 问题提出了太高边坡角的解决的构思，并提出了几点防护上的安全措施。 从上述的研究方法和构思最终得出以下结论（1）上覆的黄土较厚，其厚度为 154.75m；（2）根据力学参数的实验看出这几种岩性的粘聚力以及内摩擦角随着埋藏深 度的增加而变大；（3）通过软件的模拟发现其目前的边坡的安全系数为1.213，高于临 时边坡的安全系数，因此需要对其太高边坡角定为40，其安全系数为1.135。通过使用 这种方法对边坡稳定的研究，具有方便快捷的进行分析研究，具有很高的推广性。 关键词关键词边坡稳定；Midas；安全系数；边坡角 I 万方数据 Abstract In the field of mining engineering, mining s are mainly divided into open pit mining, underground open pit mining and other mining s according to the burial conditions of the deposit. Open-pit mining refers to the process of removing the covering from the surface of the ore body and obtaining the required minerals with certain mining and transportation equipment in the open space. The characteristics of which are that the rocks surrounding the orebody and the upper part of the orebody must be stripped off. The slope of Mengxiang coal mine is high, and the characteristics of slope pressure and large amount of earth stripping exist in the process of mining. In order to solve this problem, the final slope angle is discussed and explored. Through the analysis and summary of the development and utilization plan and geological report of the mine, the location and location of the mine are understood in detail. The rock stratum geological structure of the studied slope is relatively smooth, and its lithology is relatively simple. The lithology of the top-down slope is loess, coal seam, mudstone and coarse sandstone. The coal quality of coal seam No. 6, No. 9 and No. 9 are analyzed in detail. Through the understanding of the lithology of coal seam, the bulk density of loess, mudstone and coarse sandstone of slope is analyzed experimentally by using distilled water extraction . Then using triaxial compression test to sample rock and soil, using triaxial instrument. The cohesive force and the angle of internal friction are measured, and then the Youngs modulus is obtained according to the measured principal stress and shear stress, so as to provide parameter support for the back slope simulation. The compressive strength, cohesion and internal friction angle of the samples are increased with the increase of depth. According to the results of site sampling and drilling analysis, a three-dimensional model of slope is established by using 3Dmine software. The slope angle of the whole slope is 36 , the coal seam No. 6 is below the upper loess, the thickness of the whole is 15 m, and its tendency is 1 . The slope of the body is close to horizontal, and the thickness is thicker, so it belongs to weathered rock bed. Finally, the stability of slope is analyzed by Midas software, and the main strain and equivalent strain of slope are analyzed. Based on the analysis and demonstration of effective plastic strain and other aspects, it is found that the slope stability safety coefficient is on the high side. In view of this problem, the II 万方数据 conception of solving the problem of too high slope angle is put forward, and some safety measures on protection are put forward. From the above research s and ideas, the following conclusions can be drawn the loess overlying is thicker. The thickness is 154.75 mm2 according to the experiment of mechanical parameters, the cohesive force and the angle of internal friction of these kinds of lithology become bigger with the increase of buried depth the safety factor of the current slope is 1.213, which is higher than that of temporary through the simulation of software. Safety factor of slope, Therefore, it is necessary to set the angle of the slope too high at 40 , and its safety factor is 1.134. By using this to study slope stability, it is convenient and quick to analyze and study, and has high generalization. Keywordslope stability ;Midas; safety factor;slope angle III 万方数据 目目 录录 摘 要 .......................................................................................................................................... I Abstract ........................................................................................................................................... II 1 绪论 .............................................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ........................................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 1 1.2.1 国外研究现状 ....................................................................................................... 2 1.2.2 国内研究现状 ....................................................................................................... 3 1.3 选题的目的和意义 ......................................................................................................... 4 1.4 研究内容及技术路线图 ................................................................................................. 4 1.4.1 研究内容................................................................................................................ 4 1.4.2 技术路线................................................................................................................ 5 1.5 研究方法及创新点 ......................................................................................................... 6 1.5.1 研究方法................................................................................................................ 6 1.5.2 创新点 .................................................................................................................... 7 1.6 本章小结 ........................................................................................................................... 7 2 工程地质概况及影响边坡稳定因素分析 .............................................................................. 8 2.1 交通位置及地形地貌 ..................................................................................................... 8 2.2 地质构造情况 .................................................................................................................. 8 2.2.1 地层 ........................................................................................................................ 8 2.2.2 地质构造.............................................................................................................. 10 2.3 蒙祥露天煤矿边坡特点 ............................................................................................... 12 2.4 蒙乡煤矿影响边坡稳定的因素确定 ......................................................................... 13 2.4.1 影响边坡稳定的内在因素 ............................................................................... 13 2.4.2 影响边坡稳定的外在因素 ............................................................................... 17 2.5 本章小结 ......................................................................................................................... 19 3 蒙乡煤矿数值模拟边坡模型建立 ......................................................................................... 20 IV 万方数据 3.1 蒙祥煤矿边坡工程地质剖面 ...................................................................................... 20 3.2 根据地质构造建立三维模型 ...................................................................................... 24 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 28 4 蒙祥煤矿边坡稳定性分析 ...................................................................................................... 29 4.1 蒙乡煤矿边坡岩土力学参数分析及确定................................................................. 30 4.1.1 密度确定.............................................................................................................. 30 4.1.2 内聚力与内摩檫角确定 .................................................................................... 32 4.1.3 岩土弹性模量、体积模量和抗剪切模量计算 ............................................. 37 4.1.4 岩土力学参数修正 ............................................................................................ 38 4.2 计算方法 ......................................................................................................................... 41 4.3 稳定性分析 .................................................................................................................... 43 4.4 边坡防治建议 ................................................................................................................ 51 4.5 本章小结 ......................................................................................................................... 52 5 结论及展望 ............................................................................................................................... 53 5.1 结论 ................................................................................................................................. 53 5.2 展望 ................................................................................................................................. 54 参考文献 ...................................................................................................................................... 54 在学研究成果 .............................................................................................................................. 58 致 谢 ....................................................................................................................................... 59 V 万方数据 1 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 我国国土面积辽阔，蕴藏的矿产资源也非常的丰富，特别是煤炭的储量更是局世界 前列。但是太西煤作为稀有的矿产资源，在全国的储量也是很有限的。太西煤在很多领 域都有着重要的作用，如钢铁企业、冶金领域和煤化工等等[1]。在我国乃至世界的煤炭 开采都是根据煤炭的埋藏深度来确定其采用的开采方法，有露天开采和井工开采。当煤 层埋藏较深时采用井工开采，埋藏较浅时，采用露天开采。露天开采就是在敞露的空间 中，建设一系列的开采所需建筑和装备，使其达到开采的目的，露天开采是通过机械或 是爆破的方式把覆盖在煤层上的岩土层剥离，使得煤层能够开采[2]。 为实现露天开采，会在采场中建立许多的台阶边坡，但是台阶边坡的存在可能会发 生滑坡等现象，这样就会使得靠近边坡的机械、建筑以及人生安全受到威胁。台阶的稳 定性会受到来自许多方面的影响，如边坡的地质条件、开采的技术以及对边坡采取的措 施等等。不同的煤矿其边坡环境也是不一样的，边坡受到的主要影响也是不同的，因 此，仅仅用规范来规定设计边坡角的大小来防止边坡发生破坏，显然是不科学的。也就 是说，在对一个露天矿的边坡进行设计的时候，要对矿山的地质条件进行勘测，根据地 质条件来设计开采的工艺，然后在设计边坡，这样才能使得设计满足矿山的开采[312]。 蒙祥煤矿位于准格尔旗薛家湾镇北约16 公里的地方,该矿具有良好的交通条件，主 要以专线和三级公路作为运输通道。在薛家湾镇建有丰准铁路唐公塔集装站，是该矿煤 炭运输的主要中转站。109 国道从薛家湾镇南部通过，与S103 省道（呼市～准格尔旗） 在薛家湾镇相连，路况很好，都是一级柏油路面，北至呼和浩特市120km；西至鄂尔多 斯市145km 为该矿的运输提供了良好的交通条件。 蒙祥煤矿根据煤层的赋存深度采用的是井工开采，但是在井工开采时遇到许多的困 难，如矿井通风阻力大，使得矿井通风困难，而且煤层容易自燃，局部采空区已发火， 这样不仅使得矿井的安全系数降低，还提高了矿井的运行成本。为提高矿井的生产效 率，减少成本，经专家决定对其进行技术改进，由以前的井工开采转变为露天开采，这 样就可以解决以前的困难，而且成本较低。在井工转露天时，关键的问题就是对露天边 坡的治理。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 - 1 - 万方数据 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 在露天开采中，边坡的稳定性是关键的的一个环节，因此边坡的稳定性研究也成为 了许多专家学者研究的重要课题。20 世纪50 年代，国外的专家学者就已经开始了对边 坡稳定性的研究，1959 年，法国Malpasset 坝左岸坝肩岩体崩溃及1963 年意大利Vaiont 坝上游左岸的库岸边坡滑坡等，使人们认识到边坡的重要性以及如何维护边坡稳定性的 重要性[24-31]。 滑坡现象的出现使得人们开始对边坡的稳定性加以关注，在早期。没有系统的方法 对边坡进行治理，都是通过长期的观测来记录，采用地质历史分析方法进行定性描述。 20 世纪20 年代初，专家学者们通过研究，认为边坡的稳定性治理应该是通过地质分析 与力学机制分析二者的结合来确定，此时，专家学者们提出了刚体极限平衡法[3237]。 1916 年，瑞典学者彼德森提出了最早的治理边坡的方法分条法，假设土坡稳定是一个平 面应变问题，忽略土条之间作用力，安全系数都被定义为滑动面上的总抗滑动转矩和滑 动转矩比。 后来，许多学者如Fellenius（1936），Bishop（1955），Morgenstern 和 Price（1965）和Jambu（1973）改进了分级方法。 其中，Bishop 将安全系数重新定义为 整个滑动面上的剪切强度与实际产生的剪切应力的比值，使物理意义更加清晰[4]。 1958 年，美国公路管理局的滑坡委员会组织并编制了山体滑坡和工程实践，并 随后发布了山体滑坡分析和预防。加拿大矿物和能源中心共编制了27 卷“边坡工程手 册”。理论和实践都对坡度工程进行了系统的讨论。 1986 年国际地质大会期间，国际 工程地质协会成立。同时成立了“山体滑坡等块体运动委员会”。它是世界上第一个以 边坡的防治与治理的国际性组织。组织内的工作人员每年不仅要对全球的边坡失稳进行 统计，还需要对这些较大边坡失稳事故进行总结与提出相应的解决方法，为以后的边坡 防治做预防。国际岩石力学学会，国际工程地质协会，国际地质力学和地基工程协会， 国际大坝委员会，国际地质联盟和国际地理学联合会经常召开学术会议。山体滑坡研究 对于会议来说非常重要的讨论主题。 1995 年以后，香港土木工程署对外公布了一些关 于边坡防治与治理的方法，其方法是总结香港以及许多地方的边坡失稳事件，通过科学 的理论分析，提出的一系列措施。由国际岩土力学和岩土工程学会，国际岩石力学学会 和国际工程地质学会的滑坡和工程斜坡联合技术委员会组织的国际滑坡和工程斜坡会议 每四年举行一次。第九届国际滑坡和工程斜坡会议在巴西举行。第十届国际山体滑坡工 程研讨会于2008 年6 月在西安召开[5]。 - 2 - 万方数据 滑坡现象的出现使得人们开始对边坡的稳定性加以关注。在早期的边坡研究中，没 有成熟的理论依据，往往都是通过以往的案例对边坡的稳定进行评估。直到1920 年，专 家学者们通过研究，认为边坡的稳定性治理应该是通过地质分析与力学机制分析二者的 结合来确定，此时，专家学者们提出了刚体极限平衡法。条分法最初是1916 年，瑞典学 者彼德森提出了最早的治理边坡的方法分条法，假设土坡稳定是一个平面应变问题，忽 略土条之间作用力，安全系数都被定义为滑动面上的总抗滑动转矩和滑动转矩比。后 来，许多优秀的基于瑞典三段论的边坡工程研究人员，不断完善和完善极限平衡法。例 如，使用Bishop 方法，Janbu 方法，Morgenstern 方法和Price 方法来计算极限平衡方 法。这些方法都有自己的假设，可以使计算方法更适合不同的问题，计算结果更准确 [3840]。 到20 世纪后期，电子信息的迅速发展使得许多领域得到了快速的更新，在露天边 坡的研究中，计算机的引入使得许多理论得以完善如强度折减法，模糊分析法等。这些 理论在对边坡的评价以及治理中会有不同的侧重，但总的来说对边坡的治理有着很好的 作用。一般都是通过不同的研究方法来着重研究其中的一个或几个影响因素，可以使得 边坡在各个理论侧重的方面得到最佳的评估与治理[6]。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 目前在中国，学者潘家铮已经以现有的极值定理作为基础，进一步就边坡稳定性问 题当中的最值进行研究，即最值原理，并以此为极限平衡法充分奠定了理论方面的基 础。其不但说明，在边坡出现滑坡现象的时候，边坡内部的力学作用平衡会重新调整， 借此充分地释放抗滑能力，此外，抗滑能力的最小值由其中真实的滑裂面所释放。此 后，专家陈祖煌对这种最值原理在理论方面进一步来证明[13-18]，孙君实学者提出来极限 分析法，这种方法是以最值原理作为基础，结合模糊数学理论，对潘提出的结论进一步 论证[19-23]。这种方法是先让滑动土体在倾斜面和滑动面上都保持一个平衡的状态，然后 再用虚功理论对安全系数进行分析运算[7]。 直到上世纪80 年代末，中国不少比较的大型的露天矿随着采掘深度的加深，逐渐有 向深凹型露天矿过渡的趋势，这也造成大部分边坡的高度从原来的高度增大了 150m350m，还有少数边坡增加到不止800m。时间进入1990 年之后，在露天矿的边坡 问题方面有了长足的发展，设计和生产相互之间联系的更为紧密，尤其在稳定性方面有 了许多的研究成果。当来到2000 年之后，我们国家在采掘、爆破以及运用计算机技术与 - 3 - 万方数据 采矿相结合等方面都开展了大范围的分析讨论，这些操作使得露天矿山的安全生产有了 保证，而且还可以提高生产效率，同时也对世界露天开采有促进作用[8]。 在最近这几年，用计算机与采矿相结合这方面又有了长足的发展，这也更为促进边 坡稳定性的研究。而且，方法还各有特点，对稳定性的研究出入了活力。全面地来说， 边坡稳定性的问题主要可以分成3 种计算方法第一种是极限平衡理论，以算得安全系 数为最终目的，在过程中运用图形和数学计算分析法对岩石的断裂结构面进行分析。第 二种是以实体模型为主，用数值分析法来研究边坡处的岩石变行和应力分布情况。第三 种是对岩体的结构面以及其强度等进行研究分析，此外还要总结失稳概率数据，以此来 评价稳定性[9]。 1.3 选题的目的和意义选题的目的和意义 中国作为一个矿产丰富的国家，全国600 多个城市中有七成的城市，或多或少都蕴 藏着不同的矿石，有三成城市里有比较大的矿山分布。因为采掘深度的不停止的变大， 矿山灾害现象时有发生并有上升趋势。大范围的采掘使得矿山地下出现了不少的面积不 小的、分布不规则的采空区和隧洞等空间，这些人为地破坏对地下岩层的稳定性有负面 影响。同时这些隧洞等空间在上覆岩层自身重力的作用下，在短期内有可能没有太大影 响，但是当时间一长，就会导致坍塌，对整个采区的地上地下的所有相关建筑与各个运 转系统都会造成破坏。 2011 年，为了实现灭火工程与煤矿建设的有序进行，根据内蒙古自治区煤炭工业局 “关于鄂尔多斯市露天煤矿火区治理与露天开采集中合并的批复”（蒙祥煤矿将矿田南部 的火区治理工程与露天开采集中合并，纳入露天开采统一管理。由于该公路的建设使得 本矿煤层将被大面积暴露或被压覆，加之煤矿规模偏小时也不利于煤炭资源的尽快回 收。因此，蒙祥煤矿在此基础上，结合目前的煤炭市场环境，为了积极配合新建通村公 路的建设工作，同时为加快灭火工程的推进、回收煤炭资源，拟扩大生产规模。对矿山 的首采西帮边坡进行稳定性分析和危害进行预测防治，并对西帮的边坡角进行合理确 定。 1.4 研究研究内容内容及技术路线图及技术路线图 1.4.1 研究研究内容内容 - 4 - 万方数据 （1）在查阅资料文献的基础上对边坡稳定影响因素进行分析总结，并对所读资料进 行有目的性总结； （2）利用所查到的内容和技术手段对矿山边坡进行高首采场西帮利用3DMine 建立 模型； （3）通过对现场的详细调查分析研究，利用实际的矿山内部构造分析边坡岩石等 级； （4）通过前期建立的3DMine 建立的模型导入midas 软件对边坡进行进行力学分 析，根据矿山地质资料利用其中的岩石资料，了解边坡所在地方的岩石力学信息，将模 型和midas 进行结合，对滑体进行力学压力模拟； （5）对前期进行有效的数据分析以及资料收集，做整体的力学分析，对整个滑坡进 行内在以及外在影响因素综合分析。然后对分析进行总结，得出合理的结论，最后提出 中肯的防治意见。 1.4.2 技术路线技术路线 在国内外研究现状具体了解以及对孟祥煤矿首采西帮边坡现场观测的基础上，进行 理论研究以及防治设计。采用GPS 测点的手段对现场进行测绘和现场观察岩层露头了解 解地质条件，以及岩土层走向进行探测。通过现场采集的数据以及利用3Dmine 构成三 维空间边坡模型，并和现场实际进行对比调整模型。使用midas 对模型进行力学模拟， 测定其稳定性。详细技术路线见下图1.1。 - 5 - 万方数据 提出问题 查阅文献资料现场考察 理论机理分析岩层露头观察 取样岩石力学计算现场打点测绘