巴隆图露天矿内排土场边坡稳定性分析.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目 巴隆图露天矿内排土场边坡稳定性分析 英文题目 巴隆图露天矿内排土场边坡稳定性分析 英文题目 Study on the stability of the slop of the in-pit dump of Balongtu Open Pit Mine 学位类别学位类别工程硕士 研 究 生 姓 名研 究 生 姓 名于世哲学号学号2013022378 学科领域名称学科领域名称矿业工程 指导教师指导教师韩万东职称职称教授 协助指导教师职称协助指导教师职称 2015 年 6 月 5 日 分类号分类号TD824TD824密级密级公开公开 U D C 学校代码学校代码1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 II 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘要摘要 露天矿排土边坡稳定性是保证安全， 正常生产作业人员和设备的安全的前提和基 础。如何对排土场边坡进行了稳定性的科学评价，制定合理的边坡稳定性控制措施， 采矿工程技术人员应结合实际情况制定合理的方案，以解决工程问题。 针对巴伦图露天煤矿实际情况， 综合运用极限平衡计算和数值模拟的方法和工具 对巴伦图露天矿内排土场边坡的稳定性进行深入研究， 在理论上分析了内排土场南帮 的滑坡模式，应用极限平衡分析法优化内排土场的西帮、北帮边坡形态，确定内排土 场不同排弃高度条件下的排土参数，以实现内排空间的最大化。 在稳定性分析的基础 上采用 FLAC 3D 数值模拟手段揭示边坡失稳过程坡体内部应力、应变和塑性区分布规 律，阐明了滑坡机理；制定相应的地表位移监测方案和内排土场稳定性控制方案。 研究结果表明 巴隆图露天矿内排土场基底无软弱夹层， 基底物理力学性质较好， 潜在滑坡模式为圆弧滑动。随着堆排高度的增加，西帮、北帮最终帮破角逐渐减小， 内排土场东帮最优工作平盘宽度逐渐增大。 数值模拟结果与传统刚体极限平衡法计算 结果有较好的一致性。 关键词关键词内排土场；边坡稳定性；极限平衡法；地表位移监测 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract The slope stability of Opencast is to ensure the safety of security personnel and equipment normal production operations the premise and foundation. How to uate the dump slope stability scientifly and develop a reasonable control measures. Mining engineering and technical personnel should be combined with the actualsituation todevelopa reasonable program to solve engineering problems. According to Balongtu open pit mine actual conditions, the slope stability was researched by limit equilibrium calculations and numerical simulation s to study the stability of BaLongTu Opencast. And analysis Waste-dump landslide in the South. Using limit tequilibrium analysis to optimize the dump in West, NorthSlopeshape,determinedundertheconditionofdifferentrowsof abandoneddumpheightinrowsofsoilparameterstomaximizetherow space.Based on the Stabi- lity analysis, using the FLAC 3D numerical simulations reveal the slope instability of the slope distribution of internal stress, strain and plastic zone, explain the landslide mechanism. Develop appropriate monitoring of ground surface displacement and dump stability controlling scheme. The results showed that the basement of the in-pit dump has fine physic- mechanical properties. The potential landslide mode is circular slip. Along with the stacked height increases, tnd angle of slope angle of the west,north landside will decreases,optimal working berm of the east landside increases gradually. The simulation results is close to the the traditional limit equilibrium results. KeyWords KeyWords In-pit dump；Slope stability；Limit equilibrium ；Surface displacement monitoring 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录目录 摘要........................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................II 1 绪论...............................................................................................................................1 1.1 选题依据及意义...........................................................................................1 1.2 边坡稳定性研究的发展及国内外研究现状..................................................2 1.3 主要研究的内容及方法..............................................................................4 1.3.1 主要研究内容.....................................................................................4 1.3.2 主要研究方法.....................................................................................5 1.4 本文的技术路线..............................................................................................6 2 露天矿概况及其地质条件...........................................................................................7 2.1 工程概况........................................................................................................7 2.1.1 矿区位置及交通.................................................................................7 2.1.2 地形地貌.............................................................................................8 2.1.3 气候条件.............................................................................................9 2.2 区域地质条件..................................................................................................9 2.2.1 地层岩性.............................................................................................9 2.2.2 地质构造.............................................................................................9 2.2.3 水文地质特征...................................................................................10 2.3 矿区地质条件................................................................................................12 2.3.1 地层岩性...........................................................................................12 2.3.2 地质构造...........................................................................................13 2.4 小结................................................................................................................13 3 排土场稳定性影响因素及主要滑坡模式................................................................ 14 3.1 影响排土场稳定性因素的分析....................................................................14 3.1.1 基底形态...........................................................................................14 3.1.2 排弃物料和基底强度特性...............................................................14 内蒙古科技大学硕士学位论文 3.1.3 水的影响...........................................................................................15 3.1.4 排土场形态.......................................................................................15 3.1.5 排土工艺...........................................................................................15 3.2 确定排土场滑坡模式....................................................................................16 3.2.1 常见排土场边坡滑坡模式.......................................................... 16 3.2.2 巴隆图露天矿内排土场潜在滑坡模式确定...................................19 3.3 小结.............................................................................................................. 19 4 内排土场边坡稳定性分析........................................................................................ 20 4.1 安全储备系数确定........................................................................................20 4.2 稳定性定量分析简介....................................................................................20 4.2.1 极限平衡理论概述...........................................................................20 4.2.2 边坡稳定性计算方法选取...............................................................21 4.3 极限平衡分析................................................................................................24 4.3.1 计算指标选取...................................................................................24 4.3.2 边坡形态对外排土场边坡稳定性影响...........................................25 4.3.3 不同坡高条件下东帮平盘宽度确定...............................................33 4.4 小结.............................................................................................................. 40 5 基于 FLAC 3D的滑坡机理数值模拟.............................................................................41 5.1FLAC 3D 简介....................................................................................................41 5.2 理论基础......................................................................................................41 5.2.1 增量弹性法则...................................................................................42 5.2.2 屈服函数和势函数...........................................................................42 5.2.3 塑性修正.........................................................................................44 5.2.4 强度折减法的计算原理...................................................................45 5.3 数值模拟模型构建.................................................................................... 45 5.4 数值模拟结果分析.................................................................................... 47 5.4.1 排土场北帮边坡模拟结果分析.......................................................47 5.4.2 排土场东帮边坡模拟结果分析.......................................................51 5.5 小结.............................................................................................................. 54 内蒙古科技大学硕士学位论文 6 边坡稳定性控制方案研究........................................................................................ 55 6.1 滑坡防治措施.............................................................................................55 6.1.1 常用滑坡防治方法分析...................................................................55 6.1.2 滑坡防治措施...................................................................................57 6.2 安全监测方案制定.................................................................................... 57 6.2.1 监测数据分析原理...........................................................................57 6.2.2 监测设备选择及监测点布置...........................................................58 6.3 小结.............................................................................................................. 61 结论结论........................................................................................................................62 参考文献参考文献......................................................................................................................63 在校研究成果在校研究成果.............................................................................................................66 致谢致谢..................................................................................................................... 67 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 绪论1 绪论 1.1 选题依据及意义1.1 选题依据及意义 露天矿排土场边坡的稳定对露天矿生产是非常必要的，它是露天矿持续、 高效生 产和保证设备、人员安全的前提和基础。近年来，露天矿生产规模不断增加，排土场 边坡稳定问题日益突出，滑坡灾害频繁发生。因此，采矿工程技术人员应该根据不同 露天矿的具体情况对排土场边坡进行深入系统的研究提出客观的评价， 提出切实可行 的边坡稳定控制技术。 巴隆图露天煤矿在基建期即可开始实现内排，因此， 内排土场占露天矿总排弃量 的绝大部分。 巴隆图露天矿内排土场采用单斗卡车工艺配合推土机辅助作业进行排 土，设计最终帮坡角 16，单台阶排土高度 20m，台阶坡面角 33，内排土场工作 平盘宽度 60m。随着工作帮的向前推进，逐步形成上部排土台阶，最终排弃标高为 1500，最终排弃高度为 200m，位于地表以上的西帮、北帮部分为 80100m。 内排土场边坡稳定性受基底形态与岩性、基岩形态、排弃物料力学性能、水以及 边坡形态等诸多因素影响， 如果排土场边坡发生失稳破坏时， 正常的生产将被迫中断， 人员、 设备的安全将会受到很大的威胁，由于缺乏内排空间将会对二采区剥离带来很 大困难，对矿山的生产活动造成严重影响。随着排土工程的进一步的发展，内排土场 边坡稳定问题将会更加突出，主要表现在以下几个方面 1内排土场基底由砂岩、粉砂岩、泥岩等组成，为中软岩石，泥岩遇水易软化 形成弱层，进而诱发内排土场边坡发生失稳破坏。 2初设中设计内排土场最终排弃标高为1500 水平，超出地表 100m，最终形成 帮坡角为 16。 而内排土场西帮、北帮当排弃高度为1500 水平时局部排弃高度不足 80m，初设中没有考虑到排土场的各向异性，采用同一标准设计内排土场，使内排土 场存在潜在的滑坡危险。一旦北帮发生滑坡，滑体将进入二采区位置，给二采区剥离 造成困难，产生二次剥离量。 3随着工作线逐渐向东推进，露天矿剥离量逐渐增加，如果内排土场东帮继续 按初始设计进行排弃，将导致内排空间浪费，排弃物将运往外排土场，运输距离大大 增加。 4内排土场设计排弃高度为 200m，属于高边坡，东帮布置着开拓运输道路，一 旦发生失稳，将会对设备及人员造成危险。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 图 1.1 工程地质平面图 针对巴隆图露天矿内排土场存在的上述问题， 研究认为有必要对初设中设计的内 排土场参数进行优化， 对影响内排土场稳定性的各因素进行深入系统的研究， 针对初 设对内排土场边坡形态参数进行优化设计，以实现内排空间的最大化。 优化排土场东 帮工作平盘宽度，提出合理的边坡稳定性控制措施，为实现露天矿安全、高效生产提 供技术支持， 与此同时也为类似条件下边坡工程设计与施工提供参考和指导， 具有广 阔的推广应用前景。 1.2 边坡稳定性研究的发展及国内外研究现状1.2 边坡稳定性研究的发展及国内外研究现状 边坡稳定性问题一直是国内外岩土工程领域研究的一个重要内容。 边坡稳定性研 究发展的过程， 同时又是一个边坡稳定性分析方法不断发展和完善的过程 [1]。 1916 年 由 Prantle 提出，Fellenius [2]和 Taylor 发展的圆弧滑动法、1955 年 Bishop[3]的 条分法、1954 年 Janbu [4]条分法和 20 世纪 70 年代的王复来分析方法等形成了极 限平衡理论 [5-9]，是建立在刚塑性体模型基础上的破坏理论研究，它的建立可能要用 到损伤力学，最后要完成对边坡破坏过程的数学模拟。近二十年来，以上常用的极限 平衡分析法主要经历了由二维向三维方向的发展 [10-14]。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 几个世纪以来， 许多研究人员都致力于边坡稳定分析， 极大的丰富了边坡稳定性 分析理论。多年的发展，使边坡稳定性分析方法较多，并有自己独特的特点和使用范 围。目前，从研究手段上可分为定性分析法、极限平衡分析法、数值分析法、可靠 度分析法和其他非线性方法 [15]。 定性分析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因素进行分析， 对已变形地质体的成因及其演化史进行 分析，从而给出边坡的稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释 [16-19]。工程地 质比拟法只有相似程度较高的边坡才能进行类比，即类比的原则是相似性。 此方法具 有经验性和地区性的特点，适用于中小型边坡稳定性分析 [20,21]。自然历史分析法是研 究边坡的形成历史和所处的自然地质环境，它主要用于天然斜坡的稳定性评价 [22,23]。 图解法主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析 [24-26]。 目前定量分析法严格意义上不能算是完全的定量计算， 应用最为广泛的为平衡分 析法，该方法利用力（力矩）平衡计算已有滑面上的稳定系数，或者通过大量的假设 滑面位置寻求最危险滑面。定量分析可分为两大类，即极限平衡分析和数值分析。此 外，数学，科学和科学技术的发展，近年来出现了一些新的理论和方法，例如，可靠 性评价方法、 模糊分类评价法、神经网络分析法等分析方法应用在边坡稳定性研究分 析且应用空间广阔 [27,28]。 在中国，由于工业发展水平比较落后，露天矿开采规模小，缺乏相应的理论技术 支持，在边坡稳定性分析所用的方法比较传统，对诱发滑坡的因素考虑不全面，治理 措施及手段比较落后。 在 20 世纪 70 年在露天矿边坡稳定性研究领域取得了突破性进 展，进入 70 年代以后，随着我国露天矿的发展，相关工程技术人员在边坡稳定性分 析工作中做了大量的工作。进入 20 世纪以来，随着我国对能源需求的急剧增长，露 天煤矿的规模越来越大， 边坡稳定性问题也越来越引起人们的重视。 边坡稳定性分析 理论日益完善，理论研究和具体的露天矿相结合，在充分详细的地质资料的基础上， 采用数值模拟手段从本质上解释滑坡机理，现代数学方法的引入产生一些新的理论， 如可靠度分析理论，灰色系统预测理论，基于神经网络的分析理论等。 综上所述， 在世界上许多国家在大的岩土开挖工程中， 由于对边坡稳定性的认识 不足出现大量的滑坡灾害，造成不可挽回的经济损失，甚至人员的伤亡，因此人们对 边坡稳定性问题重视程度逐渐加大，对边坡失稳机理认识也不断加深， 大量学者从不 同的角度去阐述边坡失稳机理，极大的丰富了边坡稳定性分析理论。总体而言，边坡 稳定性分析发展历程可大致概括为四个阶段第一阶段， 以古典土力学为基础对边坡 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 稳定性进行分析；第二阶段，以地质历史分析为主的定性分析法；第三阶段，80 年 代以后兴起的数值模拟、模型试验模拟为主的半定量分析方法；第四阶段，采用现代 数学理论为基础发展起来的一些新的研究方法手段 [29,30]。 1.3 主要研究的内容及方法1.3 主要研究的内容及方法 1.3.1 主要研究内容1.3.1 主要研究内容 为解决巴隆图露天矿建设伴随而来的是排土场边坡稳定问题， 对内排边坡稳定性 优化设计，并提出合理的控制措施。本文主要研究内容如下 （1）了解露天矿工程概况，分析排弃物料和排土场基底力学特性 ①对巴隆图露天矿进行踏勘了解工程概况； ②通过实验方法确定排弃物及基底岩土体强度指标，分析其物理力学特性。 （2）查清排土场稳定性影响因素，分析内排土场潜在滑坡模式 ①查清影响排土场稳定性的因素，如排弃物力学特性、排土参数、基底形态等； ②确定潜在滑坡模式，选择合适的边坡稳定性评价方法。 （3）内排土场的评价及最终形态优化 ①根据边坡重要程度、 服务年限以及滑坡的潜在危害等因素选定排土场边帮安全 储备系数； ②根据各区段排土场基底形态、力学参数，分析内排土场边坡稳定性； ③在边坡稳定性计算基础上，做出边坡形态与稳定性系数之间的关系曲线图， 分 析二者之间的关系； ④以内排土场稳定性分析结果为基础，重新设计边坡，优化排土参数。 （4）内排土场边坡失稳演化机理研究 ①根据边坡地质条件，建立排土场模型，进行数值模拟分析； ②根据数值模拟结果，从坡体内部应力应变分布规律揭示边坡失稳演化机理。 （5）内排土场稳定性控制措施研究 以极限平衡分析法和数值模拟法的计算结果为基础， 结合地质勘探结果分析影响 边坡稳定性的因素，针对性的提出切实可行的提高边坡稳定性的技术手段。如，对边 坡进行实时监测、合理优化边坡形态、适当对基底进行处理等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 1.3.2 主要研究方法1.3.2 主要研究方法 在本论文中， 主要采用传统的刚体极限平衡法和大型岩土分析软件 FLAC 3D数值模 拟手段相结合， 综合分析图巴伦露天矿边坡稳定性， 并在此基础上进一步优化内排土 场参数，使内排空间最大化，并提出切实可行的技术手段来提高边坡的稳定性。 1 理论分析 分析整理巴隆图露天矿资料，在实地踏勘基础上，结合岩体力学实验、确定排弃 物料及基底岩土体的物理力学参数，并分析边坡稳定性影响因素， 判定排土场边坡的 潜在滑坡模式。 2 刚体极限平衡法 截止到目前为止， 刚体极限平衡法在边坡稳定性分析中应用最为广泛， 最主要的 原因是因为其清晰的计算思路、 简单的计算过程和丰富的工程数据。 虽然方法众多但 主要原理都是在假设的滑面上利用抗滑力（力矩）和下滑力（力矩）之间的关系建立 平衡方程， 求出滑面上的稳定性系数。本文经过综合分析在确定潜在滑坡模式的基础 上，主要采用 Bishop 法和剩余推力法基于 CAD 开发软件对边坡稳定性进行评价。 3 数值模拟 传统的刚体极限平衡法虽然在工程界被广泛的认可， 只能从宏观上对边坡的稳定 性进行评价， 但其没有考虑排土场边坡体内部排弃物料的应力应变关系， 无法从微 观揭示边坡失稳演化机理。 因此，本论文采用目前比较流行通用的大型岩土工程分析 软件 FLAC 3D，基于郑颖人等人提出的强度折减理论，对巴隆图露天矿的内排土场进行 数值模拟分析，根据边坡体内应力应变分布规律，阐明边坡失稳破坏机理，进一步佐 证极限平衡法在分析边坡稳定性的正确性。 内蒙古科技大学硕士学位论文 6 1.4 本文的技术路线1.4 本文的技术路线 图 1.2 技术路线流程图 内蒙古科技大学硕士学位论文 7 2 露天矿概况及其地质条件2 露天矿概况及其地质条件 掌握边坡工程地质特征是分析边坡稳定性影响因素及滑坡机理， 确定潜在滑坡模 式及岩土体物理力学参数的前提和基础。本章在分析露天矿工程开采现状的基础上， 重点对内排土场边坡区域工程地质条件进行调查研究， 分析边坡稳定性的影响因素及 潜在的滑坡模式，为稳定性计算和滑坡机制的研究提供必要的支持。 2.1 工程概况2.1 工程概况 2.1.1 矿区位置及交通2.1.1 矿区位置及交通 巴隆图煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区铜川镇境内， 具体位置在东胜煤 田铜匠川详查区的第 7～第 15 勘探线之间。行政区划隶属东胜区铜川镇管辖。其地 理坐标为东经11006′47″～11010′44″，北纬3948′45″～3953′ 00″。 矿区为一不规则多边形，南北最大长度 7.85km，东西最大宽度 4.60km，面积 26.9740km2。批准开采深度为海拨标高 1403～1265m。 矿区位于东胜区铜川镇东北部， 矿区中心西南距鄂尔多斯市政府所在地东胜区直 线距离约 25km，北距达拉特旗树林召镇直线距离 60km。包（头）～神（木）铁路从 矿区外侧的西部通过，矿区中心距东胜火车站直线距离 25km；矿区中心西距 G210 线 直线距离 25km、南距 G109 线直线距离 2km；其间均有运煤简易公路相通，风雨无阻， 区内交通尚属方便。东胜区沿 G210 线北到树林召镇 76km、到包头市 108km，沿 G210 线南到陕西省榆林市 204km；东胜区沿 G109 线西到乌海市 385km，沿 G109 线东到薛 家湾镇 120km、到呼和浩特市 246km；其间有高速公路或二级柏油公路相通，区外交 通十分便利，其交通位置详见图 2.1。 内蒙古科技大学硕士学位论文 8 图 2.1 交通位置图 2.1.2 地形地貌2.1.2 地形地貌 矿区地形总体为南高北低，最高点位于矿区南部边界附近，海拔标高 1490.9m； 最低点位于矿区东北部边界附近的哈拉不拉沟西侧， 海拔标高 1320m， 最大高差为 170.9m，属于低山丘陵区。矿区内具典型的高原侵蚀性丘陵地貌特 征，植被稀少，地形切割强烈，树枝状沟谷较为发育，地形相对复杂。 内蒙古科技大学硕士学位论文 9 2.1.3 气候条件2.1.3 气候条件 1 气象条件 矿区内气候特征是夏季炎热，冬季寒冷,春季干旱多风，秋季凉爽多雨。全年降 水量小且集中，每年 7、8、9 三个月为雨季，年蒸发量是年降水量的 7～10 倍。无霜 期较短，结冻期较长，属于干旱的半沙漠高原大陆性气候。 区内最高气温 40.2℃，最低气温-34.5℃，年平均气温为 5.5℃～7.3℃；年平均 日照时间为 3044～3186 小时；历年平均年降水量 281.2～401.6mm，年平均蒸发量 2082.2～2535.0mm；最大风速 20m/s，平均风速 3.6m/s，一般多为西北风；最大冻土 深度 1.50m，一般冻土深度