黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技术研究.pdf

分类号 U D C 密级 学位论文 黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技术研究 作者姓名纪玉石 指导教师杨天鸿教授 东北大学采矿工程研究所 申请学位级别博士学科类别工学 学科专业名称采矿工程 论文提交日期2 0 1 2 年11 月论文答辩日期加偿罕7 蝌 学位授予日期乙。l 舟 目 答辩委员会主席L 囊糯} 评阅人侔唔咖，朱乃戍．巷耳I 、自砰2 ，吾审弓 东北大学 2 0 1 2 年11 月 AD i s s e r t a t i o ni nM i n i n g E n g i n e e r i n g T h e I n s t a b i l i t yM e c h a n i s m a n d S t a b i l i t y C o n t r o l T e c h n o l o g yR e s e a r c ho nL o e s s S u b s t r a t eD u m p b yJ iY u s h i S u p e r v i s o r P r o f e s s o rY a n g T i a n h o n g N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y N o v e m b e r2 0 1 2 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二也 思0 学位论文作者签名嬲于’阻p 匕人I 卜侣笠佃’乃L ／∽P 日期加I2 ，f 上．叼 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年乜r一年口一年半口 学位论文作者签名彳宅乃石 签字日期 口r z ，z z 7 两年口 导师签名 签字日期 子。 协L ∞丫 ．p ，元眨 勿m 七1 h 东北大学博士学位论文 摘要 黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技术研究 摘要 安太堡露天煤矿南排土场滑坡是排土场基底岩土在浸水作用下产生流变变形而导 致的一类重要地质灾害，降雨及水位变化是导致基底岩土流变变形发展的主导因素。开 展排土场基底岩土在水作用下的流变特性研究，对相似排土场滑坡的预测和防治均具有 较强的指导意义。 安太堡露天煤矿位于山西大同市西南1 4 5 k m 处，于1 9 8 7 年正式投产，年生产能力 1 5 0 0 万吨，外排总量为2 ．2 9 亿r n 3 ，由两个排土场承担。其中南排土场容量1 ．1 6 亿m 3 ， 其排弃总坡角为2 2 0 3 7 ’，堆置高度1 5 0 m 。1 9 9 1 年1 0 月2 9 日零时1 0 分，南排土场发生 大规模滑坡。滑体最大走向长度1 0 9 5 m ，海拔高度1 3 1 5 ～1 4 5 0 m ，滑落体积约1 0 0 0 万 m 3 ，造成了巨大的经济损失。 本文以国内特有的黄土基底排土场为研究对象和工程背景，应用物理实验、现场调 查及监测、数值模拟相结合的方法深入研究了黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技 术，得到了覆载作用下基底黄土的微细观结构演化特征，黄土基底浸水弱层形成机理， 具有重要的理论与实际应用价值，主要工作分为以下三个方面 首先，明确黄土基底排土场的工程地质条件、水文地质条件、气象条件等。掌握影 响排土场稳定性的各项因素，并确定黄土基底排土场中各项影响因素，确定滑坡模式。 其次，通过大量的现场及实验室试验确定排土场各层介质的力学参数，从排土场基 底结构力学特性、黄土基底弱层流变特性等不同方面研究黄土基底排土场的破坏机理。 揭示了基底饱和黄土的孔隙水压力消散度规律、高速加载导致黄土强度瞬间折减诱发低 围压脆化破坏的力学性质；建立了黄土基底排土场演化弱层数值模拟模型；在对排土场 基底结构的力学特性及黄土基底演化弱层的演化规律进行系统研究的基础上，分析了排 土场基底黄土的过载破坏、雨水渗透形成储水结构、湿陷、遇水软化、形成大面积演化 弱层的过程，揭示了迅速排弃导致基底黄土超孔隙压、强度突降，巨大重力势能在瞬间 转换为滑坡动能，以整体滑坡方式释放，形成沿基底黄土滑坡的机理。 通过对排土场基底弱层岩体流变特性及其强度参数的研究，以及对水动力作用下模 拟排土场稳定性的评价，从而对水．岩力学作用下岩体强度的时变特性进行了比较深入 的研究。整个从定性到定量分析的过程，形成了一套比较系统的排土场滑坡变形机理及 稳定性分析方法；引入动态稳定系数的概念；提出了黄土基底排土场设计与稳定控制技 东北大学博士学位论文摘要 术，本文的研究成果从基底演化弱层及弱层流变方面揭示了排土场滑坡失稳原因，对相 似条件下排土场的变形破坏及稳定性的评价预测具有一定的借鉴意义。 关键词排土场滑坡；粉粘土弱层；流变特征；时变强度参数动态稳定性 东北大学博士学位论文 A B S T R A C T T h eI n s t a b i l i t yM e c h a n i s ma n dS t a b i l i t yC o n t r o lT e c h n o l o g y R e s e a r c ho nL o e s sS u b s t r a t eD u m p A b s t r a c t T h eS o u t hD u m pl a n d s l i d ea tA n t a i b a oO p e n c a s tC o a lM i n ei sas e v e r eg e o l o g i c a lh a z a r d w h i c hi sc a u s e db yt h er e s e r v o i rw a t e r - r o c ki n t e r a c t i o ni nr e s e r v o i ra r e a ．R a i n f a l la n dt h e f l u c t u a t i o no fr e s e r v o i rw a t e ra r et h em a s t e rf a c t o r sw h i c he f f e c to nt h es t a b i l i t yo fl a n d s l i d e s ． T h es t u d yo nt h eg e o t e c h n i c a lr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e su n d e rt h ea c t i o no fw a t e ri ss i g n i f i c a n t f o r t h ef o r e c a s ta n dr e i n f o r c eo fs i m i l a rd u m pl a n d s l i d e ． T h eA n t a i b a oO p e n c a s tC o a lM i n ei sl o c a t e di nt h es o u t h w e s t14 5 k mf r o mD a t o n gC i t y , S h a n x i ．T h ec o a lm i n ei sf o r m a l l yp u ti n t oo p e r a t i o ni n19 8 7 ，t h ea n n u a lp r o d u c t i o nc a p a c i t y i s15m i l l i o nt o n s ，a n dt h et o t a la m o u n to ft h et w od u m pi s2 2 9m i l l i o nm ’．T h ea b a n d o n e d s l o p ea n g l ei s2 2 0 3 7 ’，a n dt h ep i l eh e i g h ti s 15 0 m ．A t0 10o nO c t o b e r2 9 ，19 91 ，t h es o u t h d u m pm a s s i v el a n d s l i d et o o kp l a c e ．T h em a x i m u ms t r i k el e n g t ho ft h es l i p p e r yb o d yw a s 1 0 9 5 m ，t h ea l t i t u d ew a s1 3 1 5 - 1 4 5 0 m ，t h es l i p e e dv o l u m ew a s1 0m i l l i o nm 3 ．T h a tc a u s e d h u g ee c o n o m i cl o s s e s ． I nt h i sp a p e r , t h el o e s ss u b s t r a t ed u m pl a n d s l i d ei sa sac a s ef o rr e s e a r c h ．A p p l i e dm e t h o d o fc o m b i n i n gp h y s i c se x p e r i m e n t s ，f i e l ds u r v e y sa n dm o n i t o r i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， i n - d e p t hs t u d yo fl o e s sb a s ed u m pm e c h a n i s mo fi n s t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yi s s t a r t e d ．T h em i c r oc o n c e p ts t r u c t u r ee v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h el o a db a s a ll o e s si s a c h i e v e d ，t h a th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e ．T h em a i nt a s k sc o n t a i nt h e f o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s A tf i r s t ，i ti sc l e a r e dt h a tt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，w e a t h e rc o n d i t i o n so ft h el o e s ss u b s t r a t ed u m p ．T h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e d u m ps t a b i l i t ya r eg r a s p e d ，a n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h el o e s ss u b s t r a t ed u m pt o d e t e r m i n et h el a n d s l i d em o d ea r ed e t e r m i n e d ． S e c o n d ，i ti sb a s e do nal a r g en u m b e ro ff i e l da n dl a b o r a t o r yt e s t s ，t h a tt h ew e a kl a y e r m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h ed u m pw e r ed e t e r m i n e d ．T h ef a i l u r em e c h a n i s mo ft h el o e s s s u b s t r a t ed u m pi ss t u d i e dt h r o u g ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ed u m pb a s es t r u c t u r ea n d t h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h el o e s ss t r u c t u r ew e a kl a y e r ．I tw a sr e v e a l e dt h a ti st h el a wo f ．．I I I ．． 东北大学博士学位论文 A B S T R A C T s u b s t r a t es a t u r a t e dl o e s sp o r ew a t e rp r e s s u r ed i s s i p a t i o na n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h i c h i s h i g h s p e e dl o a d l e a dt o t h el o e s ss t r e n g t hr e d u c t i o ni n d u c e dl o wc o n f i n i n gp r e s s u r e e m b r i t t l e m e n td a m a g ei n s t a n t l y ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee v o l u t i o no fal o e s sb a s e d u m pw e a kl a y e rw a se s t a b l i s h e d ．B a s e do ns y s t e m a t i cs t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ed u m pb a s es t r u c t u r ea n dt h er h e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h el o e s ss t r u c t u r ew e a kl a y e r , t h e o v e r l o a dd e s t r u c t i o no ft h ed u m pl o e s ss t r u c t u r e ，w a t e rs t o r a g es t r u c t u r ec a u s e db yr a i n w a t e r i n f i l t r a t i o n ，c o l l a p s i b l e ，w a t e rs o f t e n i n g ，f o r m i n gal a r g e a r e ae v o l u t i o nw e a kl a y e r , T h e m e c h a n i s mi sr e v e a l e dt h a tt h ea b a n d o n e d q u i c k l yl e a dt os u b s t r a t el o e s se x c e s sp o r ep r e s s u r e ， a n di n t e n s i t yd r o p p e ds u d d e n l y , a n dt h eh u g eg r a v i t a t i o n a lp o t e n t i a le n e r g yc o n v e r s i o n l a n d s l i d ek i n e t i ce n e r g yi na ni n s t a n t ，t h e nr e l e a s e dI nt h em a n n e ro fo v e r a l ll a n d s l i d et of o r m t h eb a s e m e n tl o e s sl a n d s l i d e s ． F i n a l l y , t h r o u g ht h es t u d yo nr h e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r e n g t hp a r a m e t e r so f t h ew e a k l a y e ra n ds i m u l a t e dd u m ps t a b i l i t ye v a l u a t i o nu n d e rt h e a c t i o no fh y d r o d y n a m i c ，t h e t i m e - - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr o c km a s ss t r e n g t hu n d e rt h ea c t i o no fw a t e r - - r o c km e c h a n i c s w a ss t u d i e di n - d e p t h ．T h ew h o l ea n a l y s i sf r o mq u a l i t a t i v es t a g et oq u a n t i t a t i v es t a g ef o r m e da s y s t e m i cw a yo nd u m pl a n d s l i d ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n ds t a b i l i t ye v a l u a t i o n ．T h e c o n c e p to fd y n a m i cs t a b i l i t yc o e f f i c i e n tw a si n t r o d u c e d ．L o e s sb a s ed u m pd e s i g na n ds t a b i l i t y c o n t r o lt e c h n o l o g yw a sp u tf o r w a r d ． T h e r e f o r e ，t h ep r o d u c to ft h i sp a p e rr e v e a l e dt h er e a s o n so fd u m pl a n d s l i d e ，t h a tm a y p r o v i d es c i e n t i f i cb a s e sf o rt h et r e a t m e n to fl a n d s l i d ei ns i m i l a rc o n d i t i o n so nac e r t a i nd e g r e e ． K e yw a r d s D u m pl a n d s l i d e ，C l a yw e a kl a y e r , R h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，T h et i m e - v a r y i n g s t r e n g t hp a r a m e t e r s ，D y n a m i cs t a b i l i t y ．I V ． 东北大学博士学位论文 目 录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I ．1 3 L 1 5 ；1 } l a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 第l 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 ．1 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 国内外研究现状及趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 研究趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 主要研究内容及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 1 ．3 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．4 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 第2 章黄土基底排土场边坡失稳模式及稳定性研究的基本方法1 1 2 ．1 黄土基底排土场边坡稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．1 排土基底的工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 2 ．1 ．2 排弃物的物理力学性质有关⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．1 ．3 排土工艺、排弃高度和排弃强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 ．4 水文地质、气象条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．2 黄土基底排土场边坡设计规范要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12 2 ．2 ．1 排土场位置的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．2 ．2 排土场边坡的管理与排土场的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 东北大学博士学位论文 目录 2 ．2 ．3 黄土基底排土场滑坡防治⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 黄土基底排土场边坡破坏模式及安全危险性评估预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1 基底土体应力状况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．2 地下水作用机制分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．3 ．3 弱层控制下排土场边坡破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．3 ．4 排土场边坡危险性评估预测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 2 ．4 黄土基底排土场边坡稳定评价基本方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．4 ．1 工程地质类比方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 2 ．4 ．2 数值方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 6 2 ．4 ．3 物理模型试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 2 2 ．4 ．4 滑坡反分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 2 ．4 ．5 极限平衡分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 2 ．4 ．6 排土加载过程中土力学应力路径分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 2 ．4 ．7 动态过程稳定性控制的综合评价方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 2 ．5d 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 第3 章黄土基底排土场岩土性能实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．1 现场常规试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 9 3 ．2 散体物料试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 3 ．3 粘土层的流变特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 3 ．4 土层不同含水量的强度特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 5 3 ．5 土层的孔隙压力消散规律试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 3 ．6 土层的高压压缩特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 3 ．7 ／J 、结⋯．。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 l 第4 章黄土基底排土场破坏机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 4 ．1 排土场基底结构力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 东北大学博士学位论文 目录 4 ．1 ．1 排土场黄土基底过载现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 4 ．1 ．2 排土场基底黄土湿陷⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 7 4 ．1 ．3 孔隙压力的消散⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8l 4 ．1 ．4 黄土基底不排水导致的脆化现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 4 ．1 ．5 基底黄土的微结构类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 l 4 ．2 黄土基底演化弱层⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 4 ．2 ．1 黄土基底承载后演化弱层形成规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 4 ．2 ．2 演化弱层的变形强度特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 7 4 ．2 ．3 黄土基底演化弱层数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。9 9 4 ．3 黄土基底排土场滑坡机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 17 4 ．4d 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯118 第5 章软弱夹层蠕变力学特性及动态演化机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 9 5 ．1 软弱夹层蠕变规律的研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 9 5 ．2 软弱夹层流变实验方法及主要方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 0 5 ．3 安太堡露天矿南排土场软塑带土粉粘土弱层流变特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 5 ．3 ．1 流变试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 5 ．3 ．2 正应力．剪应力关系方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 5 5 ．3 ．3 剪切模量的时间效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 1 5 ．3 ．4 软弱夹层的流变方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 5 ．4 软弱夹层长期强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 31 5 ．4 ．1 蠕变方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。131 5 ．4 ．2 加速破坏极限应变量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 5 ．4 ．3 长期强度基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 5 ．5 极限平衡法确定边坡安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 3 5 ．5 ．1 边坡安全系数计算模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 3 5 ．5 ．2 边坡安全系数的计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 5 东北大学博士学位论文 目录 5 ．6 安太堡露天矿南排土场滑坡的F L A C 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。13 6 5 ．6 ．1 计算模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 6 5 ．6 ．2 数值模拟成果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 7 第6 章黄土基底排土场边坡设计与稳定控制技术实例研究⋯⋯．．1 4 3 6 ．1 黄土基底排土场边坡设计与稳定控制技术基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 6 ．2 平朔安太堡露天煤矿南排土场滑坡稳定性分析与滑坡防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3 6 ．2 ．1 工程地质条件和滑坡概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 4 4 6 ．2 ．2 稳定性评价结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 4 6 ．2 ．3 滑坡防治技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 5 1 6 ．3 ／J 、结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 3 第7 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。15 5 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．15 5 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。15 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。l5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。16 5 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 7 ．．I V ．． 东北大学博士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 选题的背景及研究意义 1 ．1 ．1 选题背景 露天开采煤炭具有生产能力大、建设周期短、开采成本低、劳动生产率高、资源回 收率高、劳动生产条件好、生产安全、土地复垦与环境重建容易、便于采用数字信息技 术等优点，世界各国均将优先发展露天采煤作为增加煤炭产量的主要途径。在对煤炭资 源进行开采时，埋藏较浅的煤层优先考虑采用露天开采。如世界煤炭总产量中露天采煤 比重从1 9 1 3 年的6 ．7 0 ％，发展到1 9 6 2 年的2 3 ．4 ％，1 9 8 1 年的4 0 ．1 ％。至2 0 世纪8 0 年 代美国露天采煤比重占6 0 ．3 ％，俄罗斯占4 2 ％，澳大利亚占6 1 ．3 ％，捷克占7 0 ％。我国 也是如此，露天开采比重从2 0 世纪6 0 年代初的2 ．7 ％至7 0 年代的4 ．0 ％，至2 0 0 6 年末 占5 ．5 ％，2 0 0 8 年接近7 ．O ％。随着一大批大型特大型露天煤矿的兴建，我国煤炭露天开 采的比重将有可能提高到1 0 ％～1 5 ％。 我国露天煤矿主要是新中国成立后发展起来的。大致分为三个阶段，第一阶段主要 是解放后，上世纪五、六十年代建设投产的，已开采五十年以上，目前资源已近枯竭或 接近枯竭的老露天煤矿，如阜新海州露天煤矿、抚顺西露天煤矿、平庄西露天煤矿、鹤 岗岭北露天煤矿、灵泉露天煤矿、新疆哈密三道岭露天煤矿等，这些矿区主要分布在东 北、内蒙地区，仅义马北露天矿分布在黄土地区。 第二阶段主要是上世纪七、八十年代开始建设、并逐步投产的现代化大型露天煤矿， 其中以五大露天煤矿为代表，包括内蒙古的元宝山、准格尔黑岱沟、伊敏河、霍林河、 山西的安太堡。这些矿区大多数分布在黄土或黄土状土地区。之后又建设投产了山西的 平朔安家岭、内蒙古的宝日希勒、胜利等大型露天煤矿，现在均已发展成千万吨级露天 煤矿。 第三阶段为现在正在建设或规划建设的以大型、特大型为主的露天煤矿。第二、第 三阶段建设的露天煤矿主要分布在山西、陕西、内蒙、新疆、云南、黑龙江等地区，黄 土或黄土状土地区占半数以上。如山西平朔安太堡、平朔安家岭及拟建的平朔东露天矿， 内蒙古的准格尔黑岱沟、哈尔乌素、胜利、白音华、扎哈淖尔等等。我国露天煤矿的发 ，展史表明我国露天采煤事业特别是黄土地区千万t 级露天煤矿得到了蓬勃迅猛的发展， 黄土基底排土场在这些矿区的建设具有普遍性。 东北大学博士学位论文第1 章绪论 长远看，我国适合露天开发的大型矿区共1 3 个，主要分布在晋、陕、蒙西区 中 部区 、东北区 包括东北、蒙东 、西部区 包括云南、新疆等 。其中分布在黄土及 黄土状土地区的露天开采矿区同样占了半数以上。 我国适合露天开采的保有煤炭资源量约为7 6 0 亿吨，主要分布在内蒙、新疆、云南、 山西、黑龙江、陕西、辽宁等省区。其中分布在黄土或黄土状地区的有山西、陕西、宁 夏、内蒙等地区，约占半数以上。即黄土及黄土状土地区的露天开采储量可达4 0 0 亿吨 以上。其中山西储量约1 0 0 亿吨、内蒙古储量约3 8 0 亿吨 其中约半数为黄土及黄土状 土 、陕西神符储量7 ．8 6 亿吨、榆神储量1 6 亿吨，宁夏等地区还有部分储量。 至2 0 0 8 年，我国千万吨级以上煤矿有2 4 个，其中露天煤矿占7 个，分别是神华准 格尔的黑岱沟、神华北电胜利、神华宝日希勒、中煤平朔安家岭、中煤安太堡；华能伊 敏；中电投霍林河南露天。正在建设和规划建设的千万t 级煤矿有2 4 个，其中露天煤矿 就占1 4 个，分布在内蒙有1 1 个、山西1 个、新疆1 个、黑龙江1 个。黄土与黄土状地 区也占了近一半。因此我国黄土地区露天煤矿特别是大型特大型露天煤矿的发展占了很 大比例。黄土地区露天煤矿的黄土基底排土场边坡稳定研究是十分重要与必要的。 煤炭开采在保障我国能源供给的同时总是要发生破坏地貌地形、占用土地、污染与 破坏环境、发生各种安全事故、甚至引发滑坡、泥石流等地质灾害等一系列问题。露天 开采对土地资源的占用、生态地质环境的影响、引发的安全事故与地质灾害，在种类、 范围、危害等方面具有明显的特征。因此在露天开采中为确保高效安全生产，在露天矿 设计与生产中尽量少占土地、搞好环境保护与滑坡防治就尤为重要。特别是矿坑与排土 场边坡稳定、滑坡防治问题，更是确保露天矿高效安全生产的最重要问题。它是贯穿于 露天煤矿设计、建设、生产、直至终采闭坑全过程的一个关系露天矿生产安全的关键技 术、难点技术，一直是露天煤矿安全生产研究的重大课题。 露天煤矿开发