莫阿蒂泽露天矿采场边坡稳定性分析.pdf

- 硕士学位论文 莫阿蒂泽露天矿采场边坡稳定性分析 Stability Analysis of the Stope Slope in Moatize Open Pit Mine 作 者常诺 导 师彭洪阁 副教授 中国矿业大学 二〇一九年五月 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定， 意本人所撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意国国 家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号TD824 学校代码10290 UDC 622 密 级公开 中国矿业大学 硕士学位论文 莫阿蒂泽露天矿采场边坡稳定性分析 Stability Analysis of the Stope Slope in Moatize Open Pit Mine 作者 常诺 导师 彭洪阁 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 边坡稳定 答辩委员会主席 评阅人 二〇一九年五月 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 常诺 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位 论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文 撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专 家评审。 导师签字 年 月 日 。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本文是在导师彭洪阁副教授的悉心指导下完成的。在论文的写作过程中，无 论是论文的选题、资料查询、理论分析、模拟研究还是论文的最终定稿无不凝聚 着彭洪阁老师的心血。研究生学习期间，在学业和生活中都得到了彭洪阁老师无 微不至的关怀和照顾，在此表示对彭洪阁老师最衷心的感谢导师严谨求实的治 学态度和兢兢业业的工作态度将对我产生深远的影响，是我终生学习的楷模；我 将认真学习彭洪阁老师思考问题的方法和科研工作中的团队合作精神。 深切地感谢才庆祥教授、 李克民教授、 尚涛教授、 姬长生教授、 车兆学教授、 周伟老师、陈树召老师在论文的选题和研究进程中给予的热情关怀和帮助 在论文的撰写过程中，得到了韩流、里奥，罗杰兄弟的热情支持和帮助；在 攻读硕士学位期间、 办公室殷实老师等多位老师给予了作者无微不至的关怀和指 导，在此一并致以诚挚的谢意 感谢本论文所引用的各位专家、学者对本论文的启发和帮助 在攻读硕士学位期间，得到了家人的理解、支持和鼓励，在此致以深深的谢 意 最后作者特别感谢各位专家在百忙之中抽出时间为本论文进行评审和答辩 工作，并提出宝贵意见。 2019 年 5 月于中国矿业大学 万方数据 I Abstract Large open pit coal mine slope stability is the key technical issues related to the production of safety, is also an important subject and long-term research in geotech- nical engineering. This paper made a servery of Moatize open pit coal mine, and found out the stratum structure and the physical and mechanical parameters of differ- ent lithology and the water occurrence situation of slope. And conducted a compre- hensive uation of engineering geological conditions, according to the Moatize open pit slope structure and physical and mechanical parameters of different lithology. Combined with geological conditions, for the end slope of Moatize Open-pit Coal Mine, slope shape and exposure time are the external factors affecting its stabil- ity, and rock mechanics properties are the internal factors affecting the slope. The precondition of analyzing the stability of End-Slope is to judge the potential landslide mode of the slope, and then select the appropriate of slope stability analysis. Moatize Open-pit Coal Mine mining to the first mining area of the current position of the south side slope basement is anti-dip, the north side slope basement is near the level. Through the analysis of the engineering geological condition of the mine, it is found that the main constituents of the end slope are coal, mudstone and sandstone, which have large thickness, many layers, good permeability and high strength. The potential landslide mode is preliminarily judged to be arc sliding. Generally speaking, slope deation is usually the precursor of slope failure. Slope failure does not occur instantaneously, only when the slope deation accu- mulates to a certain extent, it will lead to the ultimate failure. Deation and failure of open-pit coal mine slope mainly includes spalling, caving, sliding, settlement and flow according to the specific of occurrence. Deation and failure of the same slope may be one or several of them, and there will be a certain degree of trans- ation between failure modes. Sliding deation is one of the most frequent and serious failure modes of open-pit mine slope. According to the type of ation five geotechnical boreholes enabled soil me- chanics testing by taking undisturbed samples using Shelby tubes. SK-1, SK-3, SK-5, SK-6, SK-11 are the names of these five boreholes. The 1-7 section slopes of permanent slopes in southwest and northwest China are analyzed. A factor of safety value of 1.50 for permanent slopes was decided to be sat- isfied for planned water table level. 7 sections with 21 overall slope angle having 5 万方数据 II benches were analyzed. The slip surface having lowest factor of safety was detected and the section 3 had the lowest factor of safety 1.47. Flac3D was used to explicit finite-difference for analyzing Moatize failure, Temporary and Permanent slopes were designed in the safe range of safety factor as steep as possible. Finite Difference Analysis and Limit Equilibrium Analysis in Temporary Slopes were carried out in order to observe displacements and confirmation of the stability of the slope and the production slopes were analyzed and considered as safe, and was obtained the factor of safety analysis of slopes with different water level and different angles by limit analysis, the factor of safety of the weakest part was analyzed by Flac3D software of the model was 1.73. In fact, factor of safety value is higher for an overall instability condition. The strength reduction for determining factor of safety was implemented in Flac3D by SOLVE FS command. Flac3D found 1.22 factor of safety value for permanent slopes having 21 overall slope angle which is the same value 1.20. Fi- nite difference model was modified for different overall slope angles and the effect was investigated when the overall slope angle is steepened. Overall slope angles of 21, 27, 35 and 36 were modeled. When the model had overall slope angle of 35, was still stable and 36 was found as a boundary for stability. When the angle was raised to 36 instabilities drastically increased and a collapse could be predicted. It was understood that factor of safety was 1.00 when the overall slope angle is between 35 and 36.When deciding the stability-instability boundary, some graphical outputs are considered as beneficial. Factor of safety analysis of slopes having 35 and 36 overall slope angles were computed by using Flac3D software. Flac3D computed 1.13 for 35 and 0.96 factor of safety for 36 overall slope angle. Factor of safety values for 21, 35 and 36 slope angles are summarized on the Figure 4-39 by using Flac3D factor of safety calculation property. A drastic change is also take attention between the overall slope angles of 35 and 36. Results of Flac3D / Slide for factor of safety results ratio is 1.26. It is observed that the results calculated by Slide is lower than the Flac3D results. In permanent slopes the factor of safety was analyzed with three different water levels by Limit Equilibrium Analysis and Finite Difference Analysis. from the shear strain rate contour of the finite difference analysis and Janbu 万方数据 III Simplified was used in the analysis as follow 1 For conditions constituting local weaker parts like benches, shear strength re- duction principles on Flac3D will result in finding a factor of safety dedicated to overall stability. Moreover, Flac3D may be upgraded for different options for finding factor of safety for this kind of particular conditions as considered. 2 If an overall slope having 21 angle is established and dewatering target is not satisfied, the situation must be foreseen. Thus, a water table level which was 50 m deep from the surface and a water table on the surface was constructed on to the mod- els and circular failure analyses were conducted. The slip surfaces having lowest fac- tor of safety was detected for two distinct dewatering conditions. Limit equilibrium analyses are presented in the Slide Software Graphical Outputs for permanent slopes having ground water level 50m below the surface. 3 When the ground water level was raised to the 85m and maintaining the slope angle, the Factor of safety instability drastically increased and a collapse could be predicted. It was understood that factor of safety was 1.474 when the overall slope. 4 The stability of end slope is closely related to slope angle, and the stability co- efficient of each section decreases linearly with the increase of slope angle. When the slope angle of S section is steeper to 28, the slope stability coefficient is 1.127, and that of N section is steeper to 26, the slope stability coefficient is 1.109. Both of them can meet the requirement of safety reserve factor 1.1 before pressing, and take into account the safety and economy of the end-to-end steep slope mining. There are 74 figures，21 tables and 100 references. Keywords Open-pit mine; Stope slope; Stability analysis; Limit equilibrium ; Numerical simulation 万方数据 IV 摘要 摘要 大型露天煤矿边坡稳定性是关乎生产安全的关键技术问题,也是岩土工程领 域长期研究的重要课题,本文对莫阿蒂泽露天煤矿地质概况进行了调查分析,查 明了地层结构并获得了不同岩性的物理力学参数及边坡中的水位赋存情况,对露 天矿的工程地质条件进行了综合评价， 根据莫阿蒂泽露天矿的边坡结构和不同岩 性的物理力学参数。 结合地质条件，经分析确定，对于莫阿蒂泽露天煤矿端帮边坡，边坡形状和 暴露时间是影响其稳定性的外部因素， 岩石力学性质是影响边坡稳定性的内部因 素。分析边坡稳定性的前提是判断边坡潜在的滑坡模式，并合适的边坡稳定性分 析方法。 莫阿蒂泽露天煤矿开采至第一采区，目前南侧边坡基底位置为逆倾， 北侧边坡基底接近水平。通过对该矿工程地质条件的分析，发现该矿端坡主要成 分为煤、泥岩、砂岩，厚度大，层数多，渗透性好，强度高。初步判断潜在滑坡 模式为圆弧滑动。 一般来说，边坡变形是边坡破坏的前兆。边坡破坏不是瞬间发生的，只有当 边坡变形累积到一定程度时，才会导致最终的破坏。露天煤矿边坡的变形破坏主 要包括剥落、崩落、滑动、沉降、流动等，根据具体的产状而定。同一边坡的变 形破坏可能是其中的一种或几种，破坏模式之间存在一定程度的转换。滑动变形 是露天矿边坡最常见、最严重的破坏形式之一。 非洲大陆主要由新元古代、石炭纪-侏罗纪和白垩纪-第四纪-侏罗纪的摇篮 和带-太古代家具组成，由细长的弯曲带、古老的元古代寒武纪和相关的喷出岩 覆盖。 莫桑比克位于东非，由一个基底结晶时代与太古代寒武纪和一个岩石覆盖层 与显生宙划分。该结晶基底由副片岩、变质表壳、麻粒岩和混合岩、正片麻岩和 火成岩组成。 莫阿蒂泽褐煤床处于阿尔卑斯造山运动后托罗斯山脉抬升形成的封闭盆地 中，区域基底是由过碳酸钙老灰岩形成的。 在东非造山带上观察到新第三纪地层的露头，在其他地方，地层被第四纪的 老降水所覆盖。厚度约 300-400 米，上第三系岩性自下而上为（1）红色、棕 色粗粒碎屑沉积；（2）红棕色、砂质、泥灰岩沉积；（3）绿色、蓝色；（4） 褐煤底部塑性粘土和泥灰岩；（5）褐煤；（6）Gyttja；（7）褐煤顶部的绿色、 蓝色、塑性粘土和泥灰岩。 Gyttja 在该地区很重要，有煤和 Gyttja 的过渡层。Gytja 在北部和东北部 逐渐变薄，消失了，上新世形成的褐煤，位于 Gyttja 之下，厚度 10-80 米，煤 的厚度由东向西、由北向南增加。在南部地区发现断层。 万方数据 V 影响软岩边坡稳定性的因素很多，如岩体本身的性质岩体的矿物组成、岩 体的结构面、岩体的外部条件水、振动、构造应力、工程活动、风化和温差变 化等，都将影响软岩边坡的稳定性。Y 在边坡稳定性中起着更大甚至决定性的作 用。这些因素将在下面单独分析。 1岩石矿物成分的影响 边坡岩体中各种岩石的矿物组成不同，矿物强度的变化往往导致岩体强度的 差异。例如，在现代矿产开发的深度，岩浆岩中的矿物通常非常坚硬，在地应力 作用下不易被破坏。有些岩石含有由钠、钾、钙和镁等元素生成的化合物。水的 作用非常敏感，岩石的强度由于风化而逐渐降低。然而，当矿物坚硬时，岩石的 强度不一定很大。矿物的结晶度、粒度、矿物在岩石中的空间排列组合对岩石的 强度也有重要影响。综上所述，岩石强度往往取决于其矿物组成、矿物组合和环 境。 2岩体结构域中结构面的影响 岩体中的强度削弱面一般称为结构面。影响边坡的主要结构面有1）软弱 夹层；2）岩层和层理；3）断层；4）节理和裂缝；5）片理和页岩。 构造面按成因可分为沉积构造面、火成岩构造面、变质构造面、构造面和次 级构造面。 根据结构面宏观力学特性，可分为硬结构面和弱结构面。其中，软弱结构面 往往是软岩边坡失稳的主要途径。 边坡变形失稳的外部表现与软弱结构面的发育 程度和组合密切相关。 结构面的力学性能主要取决于结构面的材料组成、结构特点和环境因素，尤 其是水的作用。 结构面力学效应实质上是结构面的存在对岩体力学性质的影响。结构面对岩 体力学性质的影响主要表现在a）结构面作为岩体中较薄弱的部分，广泛存在 于大小、产状和性质不同的岩体中，造成岩体的不连续性和多样性。岩体的各向 异性和非线性特征、介质特性和力学性质在很大程度上取决于结构面特征；b） 岩体结构面在一定荷载作用下对控制岩体的变形破坏模式和强度特性起着重要 作用 c 条件；c）近地表岩体的结构面不仅显示了岩体受外力的转化程度，而且 还显示出风化作用。地下水和其他外力相对活跃的区域，是岩体内部进一步改造 活动的重要渠道。 3）地震影响 一般认为，地震对岩质边坡稳定性影响的主要原因是地震惯性力导致边坡整 体下滑力增大，从而降低了边坡的安全系数。边坡的破坏模式、分布和规模取决 于地震烈度和边坡的物理力学特性。地震造成的破坏是巨大的，往往造成大量的 万方数据 VI 人身和财产损失。为此，国内外学者数十年来对各种边坡工程在地震作用下的稳 定性进行了收集、调查和分析。 （4）地应力的影响 边坡任一点的地应力是自重、构造作用、水、振动和温度变化共同作用产生 的合力。自重应力和结构残余应力是影响地应力大小的主要因素。地应力与深度 近似呈线性关系。随着深度的增加，地应力也相应增加。边坡的构造应力会使岩 体向空方向变形，引起边坡岩体卸荷裂隙，或使原裂隙扩大，从而降低边坡岩体 的强度，从而降低边坡的稳定性。 （5）其他因素的影响 影响露天矿边坡稳定性的因素很多。除了前面介绍的岩石矿物组成、岩体结 构面、水、振动和地应力外，还有一些因素，如边坡的使用寿命、边坡形状、矿 山活动等，这些因素对边坡的稳定性有很大的影响，应在边坡设计、维护和支护 过程中予以考虑。治疗的适当考虑。 6边坡使用年限 边坡暴露时间越长，自然风化或爆破的影响越大，岩体强度减弱越明显，导 致边坡稳定性下降。莫阿蒂泽露天矿由于连续暴露时间的影响，其端部边坡具有 明显的时效性。 7边坡形态 边坡形状对边坡稳定性有明显影响。例如，当其它条件相同时，凸形边坡的 稳定性优于凹形边坡。 8工程活动 采矿工程在开挖下边坡岩层及软弱地层、下采良好的山羊等时，会影响边坡 的稳定性，降低边坡的稳定性。 根据破坏机理， 滑动变形可分为平面滑动、 圆弧滑动、 楔块滑动和倾倒破坏。 其中，圆弧滑动是边坡最常见的破坏形式。 现场研究是边坡稳定性分析的起点。从岩土钻探中获取样本，用于测试土壤 或岩石单元。划分了主要岩类和土壤单元，研究了水文地质条件。 本研究分为五章，每章内容简述如下 （1）第一章提供了选题的文献背景和研究意义，介绍了国内外研究现状、 主要研究内容、研究目标、研究方法和技术路线。 （2）第二章区域地质、滑坡工程地质、边坡稳定性影响因素分 类介绍了影响边坡稳定性的因素及滑坡模式分析。 （3）第三章介绍了莫阿蒂泽露天矿边坡稳定性分析，岩体力学参数的计算 方法选择和确定，计算剖面和安全系数的选择。 万方数据 VII （4）本章提出了基于 FLAC3D 的优化治理方案、模型构建、临时和永久边坡 稳定性分析。 （5）第 5 章总结了本研究的结果，本章给出了本研究的结论和未来研究的 建议。 根据地层类型，五个岩土钻孔通过使用谢尔比管采集原状土样来进行土壤力 学测试。SK-1、SK-3、SK-5、SK-6、SK-11 是这五个钻孔的名称。 分析了西南、西北永久边坡的 1 至 7 号剖面边坡。确定永久性边坡的安全系 数为 1.50，以满足规划的地下水位。分析了 7 个具有 21全坡角、5 个台阶的 断面。检测到安全系数最低的滑动面，截面 3 的安全系数最低，为 1.47。 采用 FLAC3D 有限差分法对莫阿蒂泽断裂进行了分析，在安全系数的安全范 围内，尽可能陡地设计了临时边坡和永久边坡。 为了观察边坡位移，确定边坡和生产边坡的稳定性，对临时边坡进行了有限 差分分析和极限平衡分析，并将其视为安全的，得出了不同水位边坡的安全分析 系数。通过极限分析，采用 Flac3D 软件对模型中最薄弱部位的安全系数进行了 分析，分析结果为 1.73。事实上，对于整体失稳情况，安全系数更高。 通过求解 FS 命令， 在 Flac3D 中实现了确定安全系数的强度折减方法。 Flac3D 发现，对于最终边坡角度为 21的永久性边坡，安全系数为 1.22，与发现的相 同值（1.20）。对不同坡角的有限差分模型进行了修正，研究了坡角变陡时的影 响。 模拟了 21、 27、 35和 36的最终边坡角。 当模型的最终边坡角为 35 时，仍然稳定，并以 36作为稳定边界。当角度升高到 36时，不稳定性急剧 增加， 并可预测坍塌。 据了解， 当总坡角在 35和 36之间时， 安全系数为 1.00。 在确定稳定性失稳边界时，一些图形输出被认为是有益的。 采用 Flac3D 软件计算了 35和 36全坡角边坡的安全系数。对于 35和 0.96 的安全系数，Flac3D 计算出 36最终边坡角的安全系数为 1.13。图 4-39 使用安全计算特性的 Flac3D 系数总结了 21、35和 36坡度角的安全系数。 在 35和 36的最终边坡角之间也会发生剧烈变化。 Flac3D/滑片的安全系数结果比为 1.26。 通过极限平衡分析和有限差分分析， 发现滑坡计算结果低于 Flac3D 计算结果，在永久性边坡中，采用三种不同水位 对安全系数进行了分析。 根据有限差分分析的剪切应变率等值线和 Janbu 简化方法，分析如下 对于构成局部薄弱部分（如工作台）的条件， Flac3D 上的抗剪强度折减原 则将导致找到一个专门用于整体稳定性的安全系数。 此外， 考虑到这种特殊情况， 可针对不同的安全系数选择升级 Flac3D。 如果建立了一个 21角的最终边坡角度， 并且不能满足排水目标， 则必须预 万方数据 VIII 见这种情况。因此，在模型的基础上建立了一个距地表 50 米深的地下水位和一 个地表水位，并进行了循环破坏分析。在两种不同的脱水条件下检测出安全系数 最低的滑动面。在滑动软件图形输出中，对地下水位低于地表 50 米的永久性边 坡进行了极限平衡分析。 当地下水位升至 85m 并保持坡角时，安全失稳系数急剧增大，可预测崩塌。 据了解，当最终边坡角为 1.474 时，安全系数为 1.474。 端部边坡的稳定性与坡角密切相关，各断面的稳定系数随坡角的增大呈线性 减小。当 S 段坡角陡于 28时，边坡稳定系数为 1.127，N 段坡角陡于 26时， 边坡稳定系数为 1.109。二者均能满足压前安全储备系数 1.1 的要求，兼顾端到 端陡坡开采的安全性和经济性。 该论文有图 73 幅，表 21 个，参考文献 100 篇。 关键词关键词露天矿；采场边坡；稳定性分析；极限平衡法；数值模拟 万方数据 IX Contents Abstract ......................................................................................................................... I Contents ..................................................................................................................... IX List of Figures ......................................................................................................... XIII List of Tables ....................................................................................................... XVIII List of Variables ....................................................................................................... XX 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Background of Topic Selection and Research Significance .................................... 1 1.2 Research Actuality at Home and Abroad ................................................................. 2 1.3 Main Research Contents ........................................................................................ 12 1.4 Research Objectives ............................................................................................... 13 1.5 Research and Technique Routes ............................................................... 13 1.6 Chapter Summary .................................................................................................. 15 2 Factors Affecting Slope Stability and Analysis of Landslide Mode ................... 17 2.1 Regional geology ...............................