露天矿井工开采下边坡加固设计研究.pdf

青岛理工大学 硕士学位论文 露天矿井工开采下边坡加固设计研究 姓名管晓明 申请学位级别硕士 专业岩土工程 指导教师王旭春 201012 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 我国露天矿数量众多，规模宏大，露天矿边坡的稳定性直接关系到矿区的安 全生产和经济发展。进入2 1 世纪，随着开采规模和深度日益增大，露天采煤难度 加大，许多露天矿相继进入井下采煤阶段。由于矿区地质条件复杂，加上持续的 井下开采，直接导致边坡稳定性降低，严重阻碍了矿山生产的正常进行，制约了 矿山的持续、健康和稳定发展。因此，如何保证露天矿井工开采下边坡的稳定性， 已经成为日益突出和亟待解决的重大技术难题。本文以安太堡矿联井工业广场北 帮边坡工程实践为例，对露天矿在井工开采下边坡的稳定性和加固设计进行研究， 对促进煤矿企业技术进步、保障安全生产具有十分重要的意义。 【1 】通过现场实地调研，收集整理相关资料，分析了影响露天矿边坡稳定的 因素，并应用F L A C 3 D 法和M S A R M A 法分别研究了露天矿边坡在井工开采作用 下的变形稳定性和强度稳定性；井工开采会明显的降低边坡的稳定性，如遇饱水 或暴雨渗流，边坡有可能失稳破坏； [ 2 】依据露天矿边坡的加固治理原则，研究了露天矿边坡在井工开采下适用 的预应力锚索框架梁加固方式，分析了其加固原理和优点，并提出了削坡、排水、 应力和位移监测等综合治理措施； 【3 】确定了预应力锚索框架梁加固方案，研究了预应力锚索的设计原则、内 容和方法，研究了框架梁在张拉阶段和工作阶段的受力特点和内力计算方法，并 依据边坡工程实际进行了锚索和框架梁的加固设计； 【4 】应用S l i d e 软件分析了边坡加固后及井工开采下的稳定性，预应力锚索框 架梁可以显著提高边坡的稳定性，同时要重点加固坡脚和采空区；研究了岩体材 料参数、地震力与地下水和支护结构参数对井工开采下多层岩质边坡稳态的动态 敏感响应，并对锚索进行了优化设计。 本文研究的预应力锚索框架梁加固露天矿边坡在井工开采条件下的技术，显 著提高了边坡的稳定性，有效保证了矿区安全生产，具有重要的推广和工程应用 价值。 关键词露天矿边坡；井工开采预应力锚索框架梁；稳定性分析；加固设计 敏感性分析；优化设计 青岛理工大学工学硕士学位论文 A b s t r a c t T h e r ea r eal a r g en u m b e ro f a n dl a r g e s c a l eo p e np i ti no u rc o u n t r y ．S l o p es t a b i l i t y o fo p e np i ti sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o d u c t i o ns a f e t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e n to f m i n i n g ．I n t ot h e2 1s tc e n t u r y w i t hi n c r e a s i n gt h es i z ea n dd e p t ho fe x p l o i t a t i o n ，o p e n c o a lm i n i n gf a c e sm o r ed i f f i c u l t y , o p e np i th a v ea c c e s st ou n d e r g r o u n dm i n i n gp h a s e ． A st h ec o m p l e x i t yo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t o g e t h e rw i t hc o n t i n u o u su n d e r g r o u n d m i n i n g ，i th a sn o to n l yr e s u l t e di nl o w e rs l o p es t a b i l i t y , b u ta l s os e r i o u s l yh a m p e r e dt h e n o r m a lm i n ep r o d u c t i o na n dr e s t r i c t e ds u s t a i n a b l e ，h e a l t h ya n ds t a b l ed e v e l o p m e n t ． T h e r e f o r e ，h o wt oe n s u r et h es t a b i l i t yo fo p e np i ts l o p eu n d e ru n d e r g r o u n dm i n i n g b e c o m e sa l li n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ta n du r g e n tm a j o rt e c h n i c a lp r o b l e ma n dn e e dt ob e s o l v e d ．I nt h i sp a p e r , t ow e l lA n t a i b a oU n i o nI n d u s t r i a lS q u a r e ，t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e o fN o r t h S l o p ea s a l le x a m p l e ， s l o p es t a b i l i t ya n dc o n s o l i d a t i o nd e s i g n i nt h e u n d e r g r o u n dm i n i n go ft h eo p e np i ta l es t u d i e d ．T h es i g n i f i c a n c ew h i c hC a np r o m o t e c o a lm i n i n ge n t e r p r i s e st om a k et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s sa n de n s u r ep r o d u c t i o ns a f e t yi s v e r yi m p o r t a n t ．M a i nr e s e a r c hw o r k sa r e a sf o l l o w s 【1 】T h r o u g ho n - s i t ef i e l dr e s e a r c h ，i n f o r m a t i o na r ec o l l e c t e da n dt h ei m p a c to f o p e np i ts l o p es t a b i l i t yf a c t o r sa r ea n a l y z e d ．B e s i d e s ，a p p l y i n gF L A Ca n dM S A R M A m e t h o d s ，t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e n g t ho fs t a b i l i t yo fo p e np i tu n d e ru n d e r g r o u n d m i n i n ga r es t u d i e d ；u n d e r g r o u n dm i n i n gw i l ls i g n i f i c a n t l yr e d u c et h es l o p es t a b i l i t y , s u c ha st h ec a s eo fs a t u r a t e dw a t e ro rs e e p a g e ，s l o p ei n s t a b i l i t yC a ne a s i l yo c c u r ． [ 2 】A c c o r d i n gt ut h er e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l e so f t h eo p e np i ts l o p e ，T h er e a s o n a b l e a n de f f e c t i v er e i n f o r c e m e n tm e t h o do fo p e np i ts l o p eu n d e ru n d e r g r o u n dm i n i n ga r e s t u d i e d ．T h er e i n f o r c e m e n tp r i n c i p l ea n da d v a n t a g e so ft h ep r e s t r e s s e da n c h o rf r a m e b e a ms u p p o r ts y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tm e a s u r e sa r e p r o p o s e d ，s u c ha sd r a i n a g e ，s l o p ec u t t i n g ，s t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tm o n i t o r i n g ； [ 3 】T h er e i n f o r c e m e n td e s i g no fp r e s t r e s s e da n c h o ra n df r a m eb e a mt oo p e np i t s l o p ea r eg i v e n ．T h ed e s i g np r i n c i p l e s ，c o n t e n ta n dm e t h o do fp r e s t r e s s e da n c h o ra r e d i s c u s s e d ．1 1 1 ef o r c ec h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r n a lf o r c e sc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ef r a m e b e a mi nt h et e n s i o np h a s ea n dw o r ks t a g ea r ea n a l y z e d ．B e s i d e s ，b a s e do nt h ea c t u a l c o n d i t i o no ft h es l o p ee n g i n e e r i n g ，t h ed e s i g no fp r e s t r e s s e da n c h o ra n df r a m eb e a mi s c a r d e d ； [ 4 】A p p l yS l i d es o f { w a r et oa n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h er e i n f o r c e ds l o p ea n du n d e r u n d e r g r o u n dm i n i n g ．P r e s t r e s s e da n c h o rf r a m eb e a mC a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e Ⅱ 青岛理工大学工学硕士学位论文 s t a b i l i t yo ft h es l o p e ，a tt h es a m et i m et h et o ea n dg o bs h o u l db er e i n f o r c e d ．T h e s e n s i t i v i t yr e s p o n s et ot h em u l t i - r o c ks l o p es t e a d y - s t a t eu n d e rt h eu n d e r g r o u n dm i n i n g o ft h er o c km a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s e i s m i ca n dg r o u n d w a t e ra n dt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e p a r a m e t e r si ss t u d i e d ．T h eo p t i m u md e s i g nm e t h o di sp u tf o r w a r da n da n c h o r i s o p t i m i z e d ． I nt h i sp a p e r , s l o p er e i n f o r c e m e n tt e c h n o l o g yo fp r e s t r e s s e da n c h o rf r a m eb e a mi n o p e np i ts i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h es t a b i l i t yo ft h es l o p ea n dg u a r a n t e et h es a f e t yo f m i n ep r o d u c t i o ne f f e c t i v e l y , w h i c hi si m p o r t a n tf o rp r o m o t i n ga n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s ． K e y w o r d s O p e np i ts l o p e ；U n d e r g r o u n dm i n i n g ；P r e s t r e s s e da n c h o ra n df r a m e b e a m ；S t a b i l i t ya n a l y s i s ；R e i n f o r c e m e n td e s i g n ；S e n s i t i v i t ya n a l y s i s ； O p t i m u md e s i g n I I I 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．1 课题研究背景、目的及意义 1 ．1 ．1 课题研究背景 随着国民经济发展和人民生产生活需要的增长，大量的煤炭资源被开采和利 用。2 0 0 8 年煤炭产量2 7 ．1 6 亿吨，占一次性能源的7 1 ．O ％，而石油、天然气等仅占 2 9 ．O ％，煤炭资源在我国能源结构中仍起主导作用，而且在相当长的时期内会一直 保持下去。世界能源工业和我国煤炭工业发展的实践都证明，煤炭以其所具有的 资源可靠性、价格低廉性、燃烧的可洁净性，决定了其在一次性能源中不可替代 的地位【l 】。 我国露天矿数量众多、规模宏大，边坡的稳定性分析、安全性评价和防治工 作的重要性日益显现出来。据我国若干大中型露天矿山的不完全统计，不稳定边 坡或具有滑坡危险的潜在不稳定边坡占边坡总长度的1 5 ％ - - 2 0 ％左右，个别露天矿 山甚至可高达3 0 ％以上【2 1 。已建成的抚顺西露天矿，矿场长60 0 0 m ，宽30 0 0 m ， 坡高4 5 0 m 。1 9 8 7 年4 月2 6 日至5 月8 日在北帮E 8 0 0 区域连续发生滑坡，地表发 生剧烈变形，临近炼油厂区地表产生裂缝，烟囱产生向相反方向倾斜的奇异变形 现象，严重影响到矿山自身和地面工厂及建筑设施的安全。 进入2 1 世纪后，随着开采规模和深度R 益增大，国内多数大型露天矿山已进 入深凹开采或井下开采阶段。一方面，随着煤炭市场供求关系的日趋紧张，且露 天矿边帮下存在大量压煤，各大煤炭企业需要通过井工开采以形成相对稳定的产 量规模，保证项目的正常生产经营和按时还贷【3 】，如安太堡煤矿露天矿边帮内所压 暂不能利用储量为1 ．7 亿吨【4 1 ；另一方面因深凹露天矿开采条件越来越差，剥采比 大，购地费用和运输成本成倍增加，导致采矿综合成本增加，需要进行井工开采 以改善矿山经营效益。因此，越来越多的露天矿山将进行井下开采。 露天矿井工开采相比露天开采具有以下优点【5 】 1 产量规模容易保证，各自优点互补； 2 露天、井工开采生产能力可以得到充分发挥； 3 行政和生产管理机构简化、兼管、高效显著； 4 投资和效益的关系配合最优。 青岛理工大学工学硕士学位论文 露天矿高陡边坡的首要技术问题是边坡的稳定性，它是一个从矿山开发论证 直至闭坑，贯穿全过程的重大技术问题，涉及到矿山开采方案的合理性、投资规 模和矿山经济效益、采矿生产发展与安全、矿山成本以及矿山服务年限等【6 1 。露天 矿实施井下开采后，边坡稳定的重要性便凸显出来。因为边坡的稳定直接关系到 矿区区域的生产安全和经济效益，而边坡稳定性研究又是一个长期性研究课题， 也是影响或困扰矿山生产与安全的重大难题。 露天矿高陡边坡的出现，加上各煤炭企业陆续进行井工开采，使我国露天采 矿面临较大的困难和严峻的挑战。探讨如何保证露天矿井工开采下边坡的稳定性， 如何实现对露天矿高陡边坡的有效治理已成为目前迫切需要解决的技术难题。 1 ．1 ．2 研究目的 本文以平朔煤矿矿联井工业广场北帮边坡为研究实例，通过对露天矿在井工 开采下边坡的稳定性和加固设计进行研究，以求提高露天矿边坡的稳定性，避免 不必要的财产损失和人员伤亡，保证后续井下采煤任务的顺利完成，从而可以促 进整个矿区的安全生产和经济效益的稳定增长。 1 ．1 ．3 研究意义 滑坡灾害给国家和人民每年都造成了巨大的经济损失和人员伤亡，尤其是在 矿山生产中，边坡的稳定性是制约矿山安全、正常生产的主要因素。因此，本课 题的研究具有重要的理论和现实意义。 近年来，露天采矿的规模和速度得到了迅速的扩张和发展。安太堡露天煤矿 是我国规模最大、现代化程度最高的露井联采的煤炭生产企业，年煤炭产量80 0 0 万吨，仅矿联井2 0 1 0 年产煤就将达到15 0 0 万吨。随着新的大型露天煤矿的不断 开发，原有露天采场的逐年加深，造成边坡暴露的高度、面积以及维持的时间也 在不断增加；同时，随着露天开采逐渐结束，为降低生产成本，提高资源利用率 和经济效益，释放边帮大量压煤，露天矿已进入井下开采阶段，开采难度随之加 大，并将会对边坡稳定性造成较大影响【7 】。 随着工程实践的发展，露天采矿面临着新的困难和挑战，仍有很多复杂而又 具有挑战性的课题需要解决，因此，在前人研究成果的基础上，结合矿联井工业 广场北帮边坡工程实践，对露天煤矿井工开采条件下边坡工程的防治问题，继续 开展深入系统的研究，对促进煤矿企业技术进步，保障安全生产，提高经济效益 ．2 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 具有十分重要的指导意义和工程实用价值。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国外研究现状 国外关于露天矿井工开采条件下边坡稳定性和加固技术的研究起步较早，前苏联 和美国等国家研究成果较多。 1 9 8 0 年，金属矿床地下开采教研室谢尔卡诺夫教授【8 】就克里沃罗格矿区铁矿床露 天井下开采问题，开展了综合科学研究工作，包括研究地质力学特点和确定 最优参数，对岩层移动、地表下沉、边坡稳定性和边坡加固进行了综合仪器观测 和初步研究，并取得了不少成果。1 9 8 8 年，前苏联的一些科研设计院对采用露天 和地下法进行开采的杰兹卡兹甘矿露天矿边帮的稳定性进行了研究，提出了在未 确定岩层滑动位置的情况下划出可能的岩体位移方向和确定露天矿附近盘区整个 边帮的稳定性【9 】。 在露天与地下联合开采中，露天开采可能出现一系列安全问题，因此须预测 露天矿范围内二次沉陷坑的位置、深度和时间，并确定地表出现这种沉陷坑的原 因和条件，文献【1 0 】对此进行了详细的研究。r ．B ．夏温斯型1 1 】等对露天矿井下开采 法基础技术决策进行了综合研究，其中包括关于保证台阶和采空区边帮稳定性， 穿孑L 爆破、放矿和内部排土参数的选择以及现有相应的技术装备的研究。B ．X ．库梅 科夫【1 2 】等研究出分析在各种矿山地质条件下稳定岩体移动的可靠方法，并提出用 边坡覆岩加固的方法来提高露天矿边坡稳定性。 澳大利亚学者【1 3 】对露天矿边坡加固设计进行了综合研究，指出了边坡是否应 加固所遵循的原则为必要性、有效性和经济合理性，而这三者的定量化指标和定 性决策是建立在细致的工作基础之上的，即准确掌握边坡工程地质和水文地质条 件，特别是对边坡稳定起控制作用的地质不连续面的特征及力学参数，并进行稳 定性计算，以计算机为工具，多方案反复优选后决定取舍。同时研究了矿山边坡 的几种加固方式和设计方法，加固方式主要包括深层加固、浅层加固、边坡表面 处理等，设计方法则提出了边坡反分析法。 美国学者【1 4 】通过对弗兰博露天矿的边坡加固的研究，探究了锚索加固的原理、 最佳锚固方案的确定、锚索试验与安装等问题，对边坡锚固工程有重要的指导意 ．3 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 义。I ．弗里泽尔【1 5 】探讨了用锚杆 索 加固岩质边坡的可能性，并对锚杆 索 的 加固机理进行了初步研究，指出采用预应力锚杆 索 可以有效的改善边坡内部 应力状态，提高软弱结构面的抗剪强度，通过注浆可以增强边坡的整体性和稳定 性。 荷兰学者㈣对露天矿边坡的计算机设计和平面破坏的加固设计进行了深入的 研究，考虑了静态、动态条件以及被动和主动加固技术，并编制了实用、快速和 精确的计算机程序。该程序可以指示加固类型、加固件与水平面夹角、长度、间 距和灌浆长度。 1 ．2 ．2 国内研究现状 国内很多学者进行了露天矿井工开采下边坡稳定性和加固技术的研究，并取 得了不少成果。 王树仁和何满潮教授【l 】对露天与井工联合开采下露天矿边帮复杂岩移规律及 其稳定性进行了分析和评价，并针对不同类型的边坡工程提出了有效的工程防治 对策等。姚爱军博士【1 7 】在何满潮教授【1 8 】和王旭春教授【1 蛇o 】的研究基础上进一步完 善了复杂边坡稳定性的分析与评价，并引入了边坡的可靠性分析原理及模型，研 制了M S A R M A V 3 ．0 边坡稳定性评价设计系统。 王思敬院士【2 1 】从模拟试验、理论分析和实例对比三个方面，分析地下与露天 两种采动影响在边坡岩体内的相互叠加机制和相互扰动机理，为边坡的加固设计 提供了理论依据。鹿换龙[ 2 2 】、杨占掣2 3 1 研究了露天与井下开采对边坡变形和稳定 性的影响，并提出了相应的治理措施，包括边坡的动态位移监测分析与研究。煤 科总院抚顺分院孙世国、李积胜【2 4 】通过对抚顺西露天矿井工开采的研究，分析了 矿山边坡的变形机理，指出由于井下开采破坏了原有的地应力平衡，致使其影响 范围内的岩体持续变形。 卢世宗【2 5 】针对我国矿山边坡研究情况，总结了建国5 0 年来在边坡破坏机理、 稳定性分析、监测和治理等方面的技术成果，并提出应加强边坡监测预报系统、 边坡疏干降震和综台治理技术的研究。王志云【2 6 】对露天矿山边坡失稳的六个因素 及六类1 6 种破坏型式进行了研究，并对直接、间接和特殊治理加固方法的应用效 果进行了评价。金爱兵【2 7 1 、崔文斌[ 2 8 】等对露天铁矿进入深部和井下开采阶段边坡 的稳定性、边坡综合治理方案以及加固后高陡边坡的稳定性进行了详细研究。许 ．4 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 东俊‘2 9 1 提出了我国大型露天矿山以监测为先导进行稳定性评价和分期实施应急加 固和永久性综台治理的系统工程方法。 杨天鸿【3 0 】通过对抚顺西露天矿采取的抗滑桩加固工程和疏干减压工程进行数 值模拟，从而对其工程加固效果进行了评价。王文洲3 1 】等对合理确定大型钢筋混 凝土抗滑桩所承受滑坡推力和桩前抗力以取得抗滑桩工程最佳经济效益进行了研 究。王永掣3 2 】对钢筋混凝土抗滑桩的内力计算、桩体稳定条件和桩体结构设计进 行了相关研究。 吴志勇【3 3 】等通过对白云鄂博铁矿滑坡机理及边坡稳定性的研究，提出了采用 锚杆、预应力锚索和喷射混凝土共同加固的方法，可以显著提高边坡的稳定系数。 俞建【3 4 1 探讨了预应力锚索技术在加固边坡工程中的应用。彭振斌【3 5 】对锚固工程的 设计计算与施工进行了详细研究，指出锚索在边坡的深层加固方面具有很大的优 越性，尤其适用于高陡边坡的加固设计。黄武科【3 6 1 研究了拉力分散型锚索的特点， 并通过工程实例说明了拉力分散型锚索可以适用于碎裂岩体边坡的长期加固工 程。 潘鹏飞【3 7 】等通过采用有限差分程序F L A C 对边坡开挖现状、削坡方案进行数 值模拟，研究了边坡岩体中的破坏区、位移场、应力场，不平衡力等，为边坡加 固提供了科学依据。郑颖人【3 8 。3 9 】探讨了岩土材料屈服与破坏及边 滑 坡稳定分 析方法，并把强度折减法应用到边坡稳定性分析中，邓建辉【4 0 】等研究了基于强度 折减法的加固安全系数的计算问题。 露天矿边坡的形成不仅时间长，而且一直处于动态变化过程中。露天矿滑坡 在一定范围内是允许的，边坡治理的目的是保证矿山在开采期限内安全采出设计 境界内的矿石。基于这些特征，文献‘4 1 4 2 1 提出了适合露天矿边坡治理的新方法一 一动态治理法，并论证了可行性，可为露天矿边坡治理所借鉴。 1 ．3 研究内容、方法及创新点 1 、研究内容及方法 本文以平朔煤矿矿联井工业广场北帮边坡工程实践为基础，进行露天矿在井 工开采条件下边坡的稳定性和加固设计方法的研究，为边坡的治理提供科学依据。 主要研究内容有 ．5 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 通过现场实地调研，收集并分析露天矿边坡区域地质资料，分析影响露天 矿边坡稳定的主要因素； 2 运用F L A C 3 D 数值模拟方法，分析露天矿边坡在井工开采下的变形稳定性， 研究边坡的变形特点和滑移趋势，并应用M S A R M A 法计算边坡稳定系数，对边 坡进行强度稳定性分析和评价，计算边坡加固力大小； 3 依据露天矿边坡的加固原则，通过分析露天矿井工开采下边坡的失稳特 点，确定边坡合理有效的加固方式，分析其加固原理与优缺点，并提出边坡的综 合治理措施； 4 提出露天矿边坡采用预应力锚索框架梁加固的工程设计步骤和方法，研究 预应力锚索加固边坡的设计原则及方法，分析框架梁在不同阶段的受力特点，研 究采用静力求解法和库伦土压力法与倒梁法计算其在工作阶段和张拉阶段的内力 求解方法，并根据露天矿边坡工程实际进行相关的设计和计算； 5 应用S l i d e 软件计算加固后边坡的稳定系数，分析露天矿井工开采下边坡 稳定性，研究井工开采下多层岩质边坡稳态对岩体材料参数、地震力与地下水和 支护结构参数等敏感性因素的动态响应，提出优化设计方法。 2 、创新点 1 采用F L A C 3 D 和M S A R M A 法分别研究了露天矿边坡在井工开采下的变形 和强度稳定性，研究了露天矿高陡边坡在井工开采下的预应力锚索框架梁加固稳 定性； 2 研究了岩体材料参数、地震力、地下水和支护结构参数对井工开采下的多 层岩质边坡稳态的动态敏感响应。 1 ．4 研究技术路线 根据课题的研究内容，确定研究的技术路线图，如图1 ．1 所示。 ．6 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 边坡加固治理实施阶段 图1 ．1 研究技术路线图 一一7 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章边坡工程概况及稳定性分析 2 ．1 自然地理概况 1 、地形、地貌 矿联井工业广场北帮边坡工程位于山西省平朔矿区安太堡露天矿西北部，井 下采煤属I 号井工矿。本露天矿井田东有洪涛山，西北有西石山脉，南与朔县平原 相接。井田内山丘连绵，沟壑纵横，植被稀少，基本为第四系黄土覆盖，地形大 致为中部低、两边高，最高处位于井田的东北部，海拔标高为 14 9 0 ．O m ，最低处 位于井田南缘现有露天矿己开采末回填的坑底，海拔标高 12 3 2 ．O m ，最大高差 2 5 8 ．O m 。 井田南部为安太堡露天矿露采未回填矿坑，原始地表已不复存在，地势由矿 坑底部向四周自下而上呈台阶状分布，其矿坑外为安太堡露天矿现排土场。矿坑 底部南北宽约1 3 0 m ，东西长约2 7 0 m ，面积约3 5l O O m 2 。矿坑北部自下向上3 0 m 一个台阶，台阶宽度约4 0 m 。 2 、气象情况 本区大陆性气候，素有十年九旱之称。春季干旱多风沙，冬季长而寒冷，夏 季甚短，夏末秋初降水较多，全年气温变化剧烈，无霜期短。年平均气温5 ．3 8 ℃， 1 月份最冷，平均气温零下1 1 ．4 ℃，7 月份平均气温2 0 ℃，以温差大为特点。每年 1 0 月下旬至次年4 月为结冰期，冻结深度在1 ．3 m 左右。年降雨量2 7 2 “ - 6 3 7 m m ， 平均4 5 0 m m ，多集中在6 、7 、8 三个月，占全年降雨量的6 7 ％以上。年蒸发量为 20 2 8 “ - 25 1 6 r a m ，平均2 3 5 1 m m 左右。 本区每年有风时间占总时间的7 0 ％，以西北风为主，平均每年8 级以上的大 风有2 5 天以上，风沙日在2 9 天以上，多集中于冬春季节。 3 、地震烈度 根据中国地震烈度区划图 1 9 9 0 年 ，划定平朔矿区地震烈度为7 度。 2 ．2 工程和水文地质条件 2 ．2 ．1 地质特征 井田内黄土广布，根据地表出露和钻孔揭露，地层由老至新有奥陶系中统 ．8 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 上马家沟组 0 2 s ，石炭系中统本溪组 C 2 b 、石炭系上统太原组 C 3 t 、二叠系下统山 西组 P l s 、二叠系下统下石盒子组 P l 。 、二叠系上统上石盒子组 P 2 。 ，第三系上新 统 N 2 ，第四第 Q 等。现分述如下 1 、奥陶系中统上马家N ．垒I I c 2 。 为灰色、深灰色厚层状石灰岩，质纯性脆，致密坚硬。中夹棕褐色黄色斑点 状的豹皮灰岩，灰绿色钙质泥岩或泥岩。底部为灰褐色同生角状灰岩。厚约1 4 0 r e 。 2 、石炭系中统本溪组 C 2 b 本组多为灰色砂质泥岩、泥岩及灰白、浅黄色中粒砂岩，中部一般有两层灰 色石灰岩，下层常定为标志层K 1 ，致密，偶夹海相化石，中上部偶夹凸镜状煤线， 底部多为青灰色铝土泥岩及褐红色铁质泥岩。厚度2 3 ．0 , - - - - 5 4 ．0 m ，一般厚4 2 ．0 m 。 与下伏奥陶系灰岩呈平行不整合接触。 3 、石炭系上统太原组 C 3 0 为本区主要含煤地层，主要含矿、矿、l l 煤层。其顶部主要为一厚煤层组及 砂质泥岩之薄层互层，其煤层间多夹有高岭土、砂质泥岩和炭质泥岩；上部为一 厚层砂带，夹有一不稳定薄煤层；中部为一煤层组，赋存有薄煤层与砂质泥岩互 层，其厚煤层间夹有高岭土、炭质泥岩、砂质泥岩等；下部主要为砂质泥岩、薄 层泥灰岩、砂岩并夹一厚煤层。其厚度为4 3 ．O ～1 1 2 ．0 m ，一般厚9 0 ．0 m ，与本溪组 呈整合接触。 4 、二叠系下统山西组 P I s 本组主要为灰白、灰黄色厚层状中、粗砂岩，偶夹薄层状砾状砂岩，其次为 灰色、暗灰色或黄绿色粘土质泥岩及砂质泥岩，中下部局部夹l ～2 层发育不稳定 煤层，底部粗砂岩或砾状砂岩定为标志层K 3 。本组厚度3 8 ．0 , - - - , 9 0 ．0 m ，一般厚 5 8 ．0 m ，与下伏石炭系上统太原组地层呈整合接触。 5 、二叠系下统下石盒子组 P l x 本组主要为灰黄绿及浅黄色厚层状中粗砂岩，间或与青灰色泥岩、青灰色砂 质泥岩互层，砂岩岩性及厚度变化均较大，胶结较疏松，交错层理，中部常夹1 ～ 3 层硬质及软质耐火粘土，砂质泥岩及泥岩中常含植物化石，底部常有一层不稳定 粗砂岩或砾状砂岩，定为标志层K 4 。本组厚度4 0 “ - 1 2 0 ．0 m ，一般厚8 0 ．0 m ，与下 伏山西组地层呈整合接触 9 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 6 、二叠系上统石盒子组 P 2 。 与下伏下石盒子组地层呈整合接触关系。岩性为兰灰、灰色、灰绿、暗紫红 色砂岩砂质泥岩、粉砂岩，中夹灰绿色、浅紫色中粗粒砂岩。下部为厚层状灰白～ 黄绿色粗砂岩，分选差，常含砾石及泥质团块，多形成砂岩陡壁，上部疏松，易 风化。底界标志层为灰白、灰绿色含砾粗砂岩，含绿色矿物及肉红色长石，交错 层理极其发育。本组地层厚约6 0 m 。 7 、第三系上新统州2 ． 本统地层与下伏地层呈角度不整合接触。岩性为棕红色粉砂质亚粘土，内含 黑色铁锰质斑点，中下部常夹3 ～5 层钙质结核。 8 、第四系 Q 1 中、上更新统 Q 2 ～3 上部为土黄色粉砂质亚沙土，垂直节理发育，．其底部有2 , - V 6 m 的砾石层；下 部为鲜红色沙质粘土，其底部有2 “ - - 4 m 沙砾层。厚5 “ - - - 8 0 m ，一般为5 0 m 左右。 2 全新统 Q 4 冲积层，为现代河床、河漫滩堆积物，以砾石为主，间有一些沙土；二级阶 地为亚沙土次生黄土，含较多的腐植土。厚约2 5 m 。 2 ．2 ．2 地质构造 1 、区域构造 本井田地处宁武煤田北部，宁武煤田为一继承性向斜构造盆地。 宁武向斜轴走向井坪～阳方口近S N ；阳方口～静乐为N E 3 0 。，向斜轴除 朔县平原偏向西部外，一组偏向东部，且东翼地层倾角大于西翼，为一不对称向 斜。 宁武煤田东部构造较西部复杂，地层倾角3 0 。以上，有的达7 0 。～8 0 。，甚 至直立、倒转。大的逆断层多分布于此。中部地层倾角平缓，一般在1 0 。以下， 无急剧褶曲，微倾斜波状起伏比较发育，其两翼倾角一般在2 。～5 。左右。 断裂发育在煤田东西两侧，主要在东部。一组走向为N E 2 0 。“ - 5 0 。，数量较 多，多为高角度的正断层，逆断层较少。另一组为N W l 5 。“ - 4 5 。，但数量稀少， 规模较小，影响甚微。 ．1 0 ． 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 、井东区构造 井东区构造形态基本为一个向斜，地层走向大致为北西～南东向，地层倾角 1 ．5 。～3 ．5 。，一般为2 。左右。 S 1 向斜轴向北西一南东向，即沿4 2 5 号孔至4 2 8 号孔，两翼地层倾角基本 对称。 3 、边帮区构造 边帮区位于宁武煤田朔州矿区东部，宁武向斜北端。区内仅南部边界有一处 断层，末见陷落柱和岩浆岩侵入。 4 、断裂构造 在井东区中部发育一条F 1 正断层，走向北西～南东向，倾向北东，倾角7 0 。， 落差7 ．0 m ，井田内延伸约l3 8 0 m 。 2 ．2 ．3 水文地质概况 平朔矿区位于朔州盆地水文地质单元，其地表水为海河流域的桑干河水系， 深部奥灰水属神头泉域，其直接补给区为西部的管涔山和东南部的吕梁山、恒山 基岩裸露区及河流渗漏段。在接受大