抚顺西露天矿北帮边坡稳定性分析与防治.pdf

Y8 磊53 6 冬 分类号⋯．．工Q 熙生．L ⋯⋯⋯ U D C 密级⋯公⋯开- ⋯⋯ 编号⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 学位论文 T H E S I SF O RD E G R E E 抚顺西露天矿北帮边坡 稳定性分析与防治 作者王王国． 申请学位级别．．硒 专业名称地魇王程 L I A O N I N GT E CH N I C A LU N I V E R S I T Y 摘要 本文主要对抚顺西露天矿的北帮边坡进行研究。根据其边坡的主要影 响因素是软岩，水和采动，在研究软岩力学性质特别是软岩蠕变特性的基 础上，通过分析边坡水的渗流状况，以及软岩在水的作用下发生蠕变，采 动问题影响边坡的稳定性。在此基础上，选择W 2 0 0 一W 6 0 0 剖面之阳_ J 的边坡， 用A N S Y S 进行对其进行数值模拟。从而验证W 2 0 0 一W 6 0 0 剖面之间的边坡稳 定性受各种因素的影响。通过计算预测，北帮W 2 0 0 一W 6 0 0 剖面间边坡的变 形将继续恶化并提出了相应的治理措施。 关键词露天矿边坡软岩水渗流采动蠕变 A B S T R A C T T h ist h e s i si sm a i n l yt os t u d yt h en o r t h e r ns l o p eo fF u s h u nW e s tO p e n p i t ． T h em a i ni n f l u e n c ef a c t o ro ft h eb a s i Si Sw e a k - r o c k 、w a t e ra n da d o p tt om o v e ． B ys t u d y i n gt h ee s p e c i a l l yc r e e po ft h ew e a kr o c k m e c h a n i c sp r o p e r t y t o c h a n g et h ef o u n d a t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ep e r m e a b i l i t yt h a tp a s s e st h e a n a l y t i c a ls i d es l o p ew a t e rf l o w st h ec o n d i t i o n ，a n dt h ew e a kr o c ki su n d e rt h e f u n c t i o no ft h ew a t e ro c c u r r e n c ec r e e pc h a n g e ，a d o p t i n gt h es t a b i l i t yo fm o v e t h ep r o b l e mi n f l u e n c es i d es l o p e 。O nt h i sf o u n d a t i o n ，s i d es l o p eb e t w e e nt h e c h o i c eW 2 0 0 一W 6 0 0s e c t i o n ，c a r r yo nw i t ht h eA N S Y Sa st oi t ’Sc a r r yo nt h e n u m b e re m u l a t i o n ．T h u sv e r i f yt h es i d es l o p es t a b i l i t yb e t w e e nW 2 0 0 - W 6 0 0 s e c t i o nt ob ea f f e c tb yv a r i o u sf a c t o r ．P a s st h ec a l c u l a t i o ne s t i m a t e ，t h en o r t h h e l p st h es e c t i o nas i d eo fW 2 0 0 一W 6 0 0s l o p et ot r a n s f o r ma n dw i l lc o n t i n u e w o r s e na n dp u tf o r w a r dt oc o r r e s p o n do fm a n a g et h em e a s u r e ． K e y w o r d ；s l o p eo fo p e n p i t ，w e a kr o c k ，w a t e r ，p e r m e a b i l i t y ，a d o p t st o m o v e ，c r e e p 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 基本地质条件 西露天煤矿位于我省著名的煤都抚顺市区西南面。目前，采场东西长6 ．6 K m ， 南北宽约2 ．2 K m ，地表标高 8 0 m ，坑底标高一2 9 0 m ，采深3 0 0 m 。辽宁省第四大河一 浑河从西露天矿北侧流过，西露天矿北帮边坡离浑河最近距离为1 0 0 0 m 。在北帮边 坡和浑河间有抚顺石油一厂、发电厂、水泥厂等大型企业和商业区等。 抚顺西露天矿基本设计是于1 9 8 3 年5 月由国家经委审批的改扩建项目，总投资 为2 ．4 亿元。其设计规定生产能力由年产3 0 0 万吨提高到5 0 0 万吨，1 9 8 9 年达产， 2 0 0 7 年闭坑。西露天矿从1 9 8 3 年开始，按基本设计规定的边坡境界和速度组织生产 设计与施工。 露天矿边坡系指露天矿场四周由台阶、平台和运输道等构成倾向采场的岩体， 常称为露天矿边帮。边帮又可分为非工作帮 永久边帮、最终边帮 和工作帮。影 响露天矿边坡稳定性的主要因素有工程地质条件、水文地质条件、采矿技术等。 本论文所研究的边坡范围是扰顺西露天煤矿北帮西区的W 2 0 0 至w 6 0 0 音0 面之间的 边坡。这段边坡纵向长为4 0 0 m ，北帮西区边坡高度大约3 0 0 m 一2 2 0 ～ 7 5 ，总体边 坡角为2 0 。～2 1 ．5 。，如图卜1 所示。 一一／7 夕／一一／浑河一一／ 图卜1 抚顺两露天矿平面位置图 1 ．1 ．1 北帮边坡工程地质和采矿技术特征 抚顺煤| ； F 『为新生代老第三系内陆沼泽相沉积地层“”1 。煤田内地层系统包括太古 界鞍山群，下白垩统龙凤坎组、老第三系抚顺群和第四系。前两者构成煤田基底和 下部地层，抚顺群各组赋存于煤系向斜核部和两翼。由于地质构造作用，北部的太 古界鞍山群与下自垩统分别沿断层R ．、F I 仰冲，与煤系地层呈断裂接触。地质构造 和岩石组合特征为 1 断裂构造特征 辽宁工程技术大学硕士学位论文 浑河断裂的主干断裂F ，．以及其次级断裂F ．，均为压扭性断裂，分别由地面石油 一厂、北帮边坡上部和抚顺电厂院内通过。F ．．走向为8 0 。～8 5 。倾向北西，倾角为 7 0 。～7 5 。，上盘岩石为基底片麻岩系，下盘为白垩系玄武岩。断层破碎带宽度在 西北帮为5 9 ～8 0 m ，在石油一厂厂区内为3 0 m 左右。破碎带主要由夹角砾的断层泥 构成，断层泥厚度约5 Ⅲ左右，灰黑色、质软。石油一厂厂区内变形破裂严重的建筑 物多位于F 。。以断层破碎带上。走向北东8 0 。左右，倾向北西，倾角4 7 。～5 2 。，与 西露天矿北帮边坡走向呈1 0 0 。的央角。在北帮西区W 1 0 0 0 ～E 8 0 0 区间上部坡面均 有出露，至E S 0 0 出坑。F 。断层上盘为白垩系地层，下盘为第三系地层，断层破碎带 的宽度为2 ～3 0 m ，断层带内发育有断层泥、断层角砾岩。F ，断层在与绿色泥岩接 触部位，破碎带宽度变薄，但拖拉揉皱带宽度变大。该断层于W 2 0 0 剖面进入北帮上 部主要干线，斜交平盘达1 0 0 0 m ，严重恶化了干线平盘的稳定状况。其他尚有3 条 规模较大的断裂，但对北帮边坡稳定控制作用较小。在北帮边坡深部还有一些小规 模的张性断裂构造，井工丌采已有揭露，对北帮整体边坡稳定起到一定控制作用。 2 褶曲构造特征 由于受F 。右旋兼逆冲错动，在断层下盘第三系岩层中形成一组与断层走向呈锐 角相交的褶皱构造，其中北帮西部的牵引向斜和西端帮背斜是该区段岩层赋存形态 影响最大的褶曲构造。西端背斜位于W 1 2 0 0 以西，轴线走向为N 4 0 。～6 0 。E ，轴 面倾向北西，该背斜两翼不对称，西北翼缓，岩层倾角1 0 。～3 0 。，东南翼陡，岩 层倾角6 0 。～8 0 。，由于该背斜的扬起作用，使煤系地层于W 1 6 0 0 ～W 1 2 0 0 范围内 抬起，并被断层斜切封闭，致使W 1 0 0 0 以西，北帮岩层倾向与边坡倾向一致形成顺 层边坡。牵引向斜在W 1 2 0 0 ～W 8 0 0 之间，核部呈不对称形态，北翼受F ，断层切割， 南翼为边坡切割。北翼产状直立或倒转，南翼平缓轴线扬起方向2 4 7 。，扬起角 1 2 。，轴面产状倾向3 4 5 。，倾角5 8 。，当边坡角加陡后，向斜北翼地层产生倾倒 变形，南翼岩层有顺层滑移倾向。在牵引向斜南翼绿色泥岩层中，由W 4 0 0 ～E 1 8 0 0 发育有一组复式褶曲，由三条次级向斜和三条次级背斜组成，轴线方向与牵引向斜 一致，呈雁行式展布，轴面倾向北西，倾角6 0 。左右，褶曲形念北翼陡、南翼缓， 褶超发育深度由西向东逐渐变浅，呈北东向扬起。在E 1 0 0 0 以东，随着断层远离矿 坑，坑内次级褶曲减弱，至E 1 8 0 0 坑内不再有次级褶曲发育。在此区段极易产生局 部滑坡现象。 3 岩石组合特征 影响边坡及地面变形和边坡稳定的主要岩组为断泥层一构造角砾岩组和软、 硬互层的褐色页岩与绿色泥岩互层组。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ①断泥层～构适角砾岩组F ．。断层破碎带水平宽度4 0 ～8 0 m ，由黑色断层泥和 央角砾岩断层泥构成，断层泥遇水软化，呈塑性。一厂地面变形严重区大部分处于 此地带。F ，断层破碎带较为复杂，在下盘岩石为油母页岩、煤和凝灰岩部位，断层 泥发育较厚，一般为1 ～3 m ，呈紫红色，质软。在下盘岩石为绿色泥岩部位，其南 侧存在有宽1 0 ～3 0 m 的拖拉揉皱带，层理混乱，小褶皱密集，岩石极为破碎。 ②软、硬互层的绿色泥岩组北帮边坡W 9 0 0 以东，F ．断层南侧绿色泥岩边坡， 基本上由软、硬互层绿色泥岩系构成。硬质的绿色泥岩与软质褐色页岩相间发育， 绿色泥岩的总厚度大于褐色页岩的总厚度。一般褐色页岩单层厚度为0 ．3 ～2 ．O m ， 最厚者达5 J 】】左右。在褐色页岩中含有3 ～5 个泥化层，泥化层的为厚度一般为5 ～ 1 5 c m ，分布连续，天然含水率在2 5 ％以上，多呈可塑性。这种软、硬互层结构的边 坡极易产生倾倒变形。 4 采矿技术特征 露天矿的深部煤层，深部井和胜利矿曾用水砂充填法开采过，北帮边坡处于井 采岩移带以内，因北帮岩体结构曾受到重复扰动，使岩体强度降低，对边坡稳定带 来不良影响。北帮边坡的基底坐落在充填物和部分煤柱的基础上，而且处于井采岩 移带的范围之内。随着北帮边坡逐渐到界，边坡加陡，边坡内应力重新分布，将会 引起边坡变形。 1 ．1 ．2 北帮水文地质条件和特征 西露天矿位于北面浑河河床与南面丘陵山地所夹的狭长平面带上，地形较缓、 地势较低，地面标高在 7 0 ～ 8 0 m ，总趋势是东北略高、西南略低，地形坡度为2 。左右。由于受海洋性气候影响，空气湿润、雨量充沛，年降雨量4 6 0 ～1 1 3 5 m m ， 平均降雨量8 8 0 m m ，大部在夏季七、八月份以暴雨形式出现，最大的日降雨量为 1 8 5 ．9 m m ／d ，最大连续降雨量2 6 3 ．5 m m ，平均蒸发量为9 6 5 ．9 m m ／a 。 露天矿北帮冲积层上部多为厚约1 7 m 的人工堆积物覆盖，渗透性强，在北帮地 面的迁流条件下大部分渗入北帮冲积层中。北帮上部的发电厂、石油一厂、水泥厂 等企业及周围民用住宅群，也以工业、生活污水排渗入冲积层中，成为降雨自然补 给和周围河流以外的充水补给源。 露天矿地表水系北有浑河、西有古城子河。浑河由东向西横贯抚顺，水力坡度 l _ 2 ％左右，矿坑北部区段内水位标高通常为 6 8 ～ 6 9 m ，洪峰季节最高水位可达 7 5 m ，最大流量2 7 0 0 m 3 ／S ，最小流量3 5 0 m 3 ／S 。北帮冲积层底板低于浑河常年水位 约3 ～l O m ，矿坑距浑河最近距离1 0 0 0 m ，北帮与河床之间冲积层连续分布，基底 以约2 ‰的坡度缓向矿坑，使浑河成为定水头充水补给源，冲积层地下水位随季 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ①断泥层～构适角砾岩组F ．。断层破碎带水平宽度4 0 ～8 0 m ，由黑色断层泥和 央角砾岩断层泥构成，断层泥遇水软化，呈塑性。一厂地面变形严重区大部分处于 此地带。F 断层破碎带较为复杂，在下盘岩石为油母页岩、煤和凝灰岩部位，断层 泥发育较厚，～般为i ～3 m ，呈紫红色，质软。在下盘岩石为绿色泥岩部位，其南 侧存在有宽l O ～3 0 m 的拖拉揉皱带，层理混乱，小褶皱密集，岩石极为破碎。 软、硬互层的绿色泥岩组北帮边坡w 9 0 0 以东，F 。断层南侧绿色泥岩边坡， 基本上由软、硬互层绿色泥岩系构成。硬质的绿色泥岩与软质褐色页岩相间发育， 绿色泥岩的总厚度大于褐色页岩的总厚度。一般褐色页岩单层厚度为03 ～2 ．O m ， 晟厚者达5 m 左右。在褐色页岩中含有3 ～5 个泥化层，泥化层的为厚度一般为5 ～ 1 5 c m ，分布连续，天然含水率在2 5 ％以上，多呈可塑性。这种软、硬互层结构的边 坡极易产生倾倒变形。 4 采矿技术特征 露天矿的深部煤层，深部井和胜利矿曾用水砂充填法开采过，北帮边坡处于井 采岩移带以内，因北帮岩体结构曾受到重复扰动，使岩体强度降低，对边坡稳定带 来不良影响。北帮边坡的基底坐落在充填物和部分煤柱的基础上，而且处于井采岩 移带的范围之内。随着北帮边坡逐渐到界，边坡加陡，边坡内应力重新分布，将会 引起边坡变形。 1 ．1 ．2 北帮水文地质条件和特征 两露天矿位于北面浑河河床与南面丘陵山地所夹的狭长平面带上，地形较缓、 地势较低，地面标高在 7 0 ～ 8 0 m ，总趋势是东北略高、西南略低，地形坡度为2 。左右。由于受海洋性气候影响，空气湿润、雨量充沛，年降雨量4 6 0 ～1 1 3 5 m m ， 平均降雨量8 8 0 m m ，大部在夏季七、八月份以暴雨形式出现，最大的日降雨量为 1 8 5 ．9 m m ／d ，最大连续降阿量2 6 35 m m ，平均蒸发量为9 6 5 ．9 r r t m ／a 。 露天矿北帮冲积层上部多为厚约1 7 m 的人工堆积物覆盖，渗透性强，在北帮地 面的迁流条件下大部分渗入北帮冲积层中。北帮上部的发电厂、石油一厂、水泥厂 等企业及周围民用住宅群，也以工业、生活污水排渗入冲积层巾，成为降雨自然补 给和周围河流以外的充水补给源。 露天矿地表水系北有浑河、西有古城子河。浑河由东向西横员抚顺，水力坡度 1 _ 2 ％左右，矿坑北部区段内水位标高通常为 6 8 ～ 6 9 m ，洪峰季节最高水位可达 7 5 m ，虽大流量2 7 0 0 m 3 ／s ，最小流量3 5 0 m V S 。北帮冲积层底板低于浑河常年水位 约3 ～I O m ，矿坑距浑河最近距离1 0 0 0 m ，北帮与河床之间冲积层连续分布，基底 以约2 ‰的坡度缓向矿坑，使浑河成为定水头充水补给源，冲积层地下水位随季 以约2 ‰的坡度缓向矿坑，使浑河成为定水头充水补给源，冲积层地下水位随季 辽宁工程技术大学硕士学位论文 节波动幅度不超过l m ，古城子河位于矿坑境界以西，河床宽5 0 m 左右，最大流量为 6 ．6 m 3 ／S ，最小流量0 ．8 m 3 ／S ，由南向北汇入浑河。 由于F ．。和F ．断层均为压扭性断裂，且有较厚的断泥层，因而隔水性能很好，所 以F 。断层以北基岩可划分为两个水文地质单元F ．。以北片麻岩构造裂隙水单元；F 。 与F 、断裂间的自垩系构造裂隙水单元。F ，断层以南的第三系岩层，由于井工重复采 动的影响，不但使原有构造裂隙进一步贯通，而且形成新的离层裂隙和切层裂隙， 渗透率高。据此把F ，断层以南的第三系岩层划分为两个水文地质单元导水裂隙单 元，绿色泥岩上部构造裂隙水单元。这两个单元问有水力联系，但渗透性能不同而 己。冲积层分布于整个矿坑的北帮及西帮，平均厚约2 3 m ，由上、下两部分组成。 上部由人工填土及不稳定分布的粘土、亚粘土透镜体组成，一般厚6 ～1 4 m ；下部 由卵石、粗砂及细砂组成，一般厚为7 ～9 m 。渗透系数K 3 x l O 一‰／s ，单位涌水量为 p 1 7 ．6 7 ～2 4 ．7 7 L ／s m 。北帮冲积层与浑河河床毗邻，含水层连续分布，直接受浑 河定水头补给，水力联系密切。第四系冲积层孔隙含水层受浑河常年定水位补给， 加上工业、企业废水及民用污水补给，水量丰富。冲积层下伏片麻岩构造裂隙含水 单元及白垩系构造裂隙含水单元，均受冲积层的越流补给。冲积层潜水沿基岩接触 面溢流坑内，一部分被挡截排出，一部分补给己揭露的白垩系构造裂隙含水单元和 绿色泥岩构造裂隙含水单元。另外井工采动影响或断层泥厚度不大的部位，有可能 产生片麻岩向白垩系及白垩系向第三系的越流补给。大气降水也是地下水的补给来 源。 1 ．2 边坡变形问题的研究现状 我国大中型露天矿山众多，规模宏大，占地面积广，其设计最终边坡高度一般 为3 0 0 ～5 0 0 m ，有的甚至达到7 0 0 m 。随着露天矿山开采深度的增加，边坡高度逐年 加大而采掘生产条件却越来越差，导致其边坡稳定性即边坡变形问题日益突出。人 们习惯上将边坡未发生滑坡时的变形视为边坡变形，如露天矿台阶面和地表面出现 断续裂缝，运输铁轨出现轻度的弯曲等，此时边坡并不失其完整性。边坡的失稳破 坏是指边坡变形到一定程度而导致边坡解体、崩落、滑落而言的。边坡变形常是边 坡破坏的前兆，但在一定条件下如能加以整治，边坡往往不至于破坏。 1 ．2 ．1 边坡稳定性评价方法 1 有限元方法 有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法，是目前最广 泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。 其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变 辽宁工程技术大学硕士学位论文 大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，可近似 地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制；但它还不能很好地求解大变形 和位移不连续问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不理想。 2 自适应有限元法 自2 0 世纪7 0 年代开始自适应理论被引入有限元计算，主导思想是减少前处理工 作量和实现网格离散的客观控制。现己基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗 流分析等领域的平面自适应分析系统，能使计算较为快速和准确。陈胜宏、熊文林 开发的弹塑性自适应有限元分析软件A C O R E ，对三峡船闸第二闸室边坡的开挖施工 过程进行了模拟计算，效果较好。 3 离散单元法 自从C u n d a l l 首次提出了离散单元D E M d i s t i n c t e l e m e n t m e t h o d 模型以来，这 一方法已在岩土工程和边坡问题中得到日益增长的应用。离散单元法的一个突出功 能是它在反映岩块之间接触面的滑移，分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块 内部的变形与应力分布。因此，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、 粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构 岩体边坡比较合适。它利用显式时间差分法 动态松弛法 求解动力平衡方程，求 解非线性大位移与动力稳定问题较为容易。此法在岩质高边坡稳定分析中有较广泛 的应用。 4 D D A 方法 由石根华与G o o d m a n 提出的块体系统不连续变形分析是基于岩体介质、非连续 性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节理面切割岩体形成不同的块体单元，单 个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系，但块体间不满足变形协调关 系，块体间的本构关系是通过假定刚度来实现，D D A 中的本构关系为块体所受的合 外力与块体位移之间的关系。此法的计算网格与岩体物理网格一致，可以反映岩体 连续和不连续的具体部位。它考虑了变形的不连续性和时间因素，既可以计算静力 问题，又可以计算动力问题。它还可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的 大位移，如滑动、崩塌、爆破及贯入等，特别适合于边坡极限状态的设计计算。 5 拉格朗F 1 元法 有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出的。在处理有限 变形问题时，对材料的非线性给予考虑，使由变形造成的对内外力平衡的影响在计 算中得以体现，所以需要一种兼顾材料非线性和几何学上的非线性的一般非线性解 析方法。为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，人们根据有限差分法 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的原理，提出F L A C f a s tL a g r a n g i o na n a l y s i so fc o n t i n u e 数值分析方法。该方 法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。它已有 不少的商用程序，如P ．A ．C u n d a l l 提供的F L A C 一3 D 是一显式时间差分解析法，它无 需建立刚性矩阵，所需内存少，时问少，但也有不足之处。 6 数值流形方法与无单元法 石根华通过研究D D A 与有限元的数学基础，于1 9 9 5 年提出了D D A 与有限元法的 统一形式一一数值流形方法N M M n u m e r i c a lm a n i f o l dm e t h o d 。N M M 以流形分析中 的有限覆盖技术为基础，使得连续体、非连续体的整体平衡方程都可以用统一的形 式来表达。张有天，周维垣的岩石高边坡的变形与稳定用改进后的程序分析了 三峡船闸高边坡的稳定，分析了船闸边坡的变形规律和稳定性。 无单元法可看作是有限元法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函 数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年来已比较广泛地应用于非线性问题、动 力问题和不连续问题的求解。其优点是有效地解决了有限元方法的“边界效应”及 人为确定边界的缺点，在动力问题中尤为突出，显著地减小了求解规模，提高求解 精度和计算效率，这一点对三维问题尤为显著。 7 界面元方法 章青，卓家寿。”提出了基于累积单元变形于界面的界面应力元模型，建立了适 用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及能够完全模 拟各类锚件复杂空间布局和开挖扰动的界面元理论和方法，为复杂岩体的仿真计算 提供了一种新的有效方法。此外，基于工程稳定性问题力学机理，建立了评判岩体 稳定性的干扰能量准则。判据与干扰能量法成功地解决了岩体稳定性的客观判据、 潜在滑面、危险滑面、稳定薄弱部位和最小抗滑稳定安全系数等难题，将岩体稳定 性的数值评判提高到了一个新的水准。 8 可靠度方法 传统上，一直以安全系数作为边坡工程稳定性的评价指标，然而，安全系数不 是一个常数，而是一个由设计因素变异性所决定的随机变量。2 0 世纪7 0 年代后期， 边坡工程界开始接受不确定性的概念，构造随机模型，采用概率论和数理统计的知 识，如可靠指标和破坏概率来评价边坡的安全度。祝玉学等在边坡可靠性分析中作 了大量的、卓有成效的工作；但同时，他指出，可靠性分析方法只是所有安全度问 题的一种方法，是确定性方法的发展与补充。因随机因素太多，难以确定各因素的 概率，此方法刚走向实际工程应用阶段，还需要进一步研究。 9 模糊方法 辽宁工程技术大学硕 学位论文 模糊理论是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性 的相关因素，进而进行等级或级别评价。边坡性质及稳定性的界限是不清楚的，具 有相当的模糊性，故可采用此理论进行研究。此法的难点在于相关因素及各因素的 边界值的确定。应用模糊理论，构造了边坡稳定性的模糊综合评价模型及关联因素 边界值矩阵，通过对某一大型露天矿边坡工程的研究，得到各关联因素的实测值， 进而评价了该边坡的稳定性。 1 0 灰色系统理论 灰色系统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有已知的，又有未知的或不确 定的，他们所在系统则称为灰色系统。把系统中的一切信息量 包括随机的 看作 灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理， 可在不完全的信息中，通过一定的数据处理，找出它们的关联性，确定边坡稳定性 各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。 1 1 聚类分析法 事物的分类有其内在的规律。按照数学观点，类是最佳集合。两个变量能够归 为一类，彼此一定很靠近，或者说它们之间的距离一定最短。每个变量都可看成多 维空间的一个点，点与点之间的距离可用欧氏距离表示。在实施聚类过程中，应使 样品自成一类，然后计算各样品之间的距离，按距离最近原则将两个样品合成为一 类，再计算类与其它各类的距离，继续按最近原则合并，使类的数目进一步减少， 直到所有样品归为一类为止。运用聚类分析来寻找实例库中各实例问的关联，藉此 可对工程中的相似的边坡做出预测。 1 2 专家系统 功能主义方法把大脑看作是能对输入信息进行处理并输出结果的一只黑箱，只 要掌握输入输出关系，就可在功能上模仿人类大脑的高级智力活动。专家系统就是 用人工智能语言编制出这样一种程序软件。由于影响边坡的各种因素的不确定性， 在许多情况下仍主要依赖于专家经验和类比，因此，专家系统在边坡工程领域有很 好的适宜性。但也有经验收集、知识获取难的问题，而对于像边坡工程这样复杂的 巨系统，其知识获取是一件很不容易的事。 1 3 神经网络 人工神经网络是依据人脑结构的基本特征发展起来的一种信息处理体系或计算 体系。它仅是对神经系统的数学抽象和粗略的逼近和模仿。它由输入层、隐含层、 输出层组成。神经元是其基本处理单元，神经元之间有连线，知识由各神经元之间 的连接强度表达，网络记忆存储行为表现为各单元之阳_ 』连接权重的动态演化过程， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 网络学习的目的就是寻找一组合适连接强度。它以并行方式处理数据和信息，具有 良好的容错性、很强的自学能力和对环境的自适应能力，通过搜索非精确的满意解 来达到输入和输出非线性映射，特别适宜处理知识背景不清楚，推理规则不明确等 复杂类型模式识别且难以建模的问题。 1 4 遗传算法 遗传算法是一类随机算法，它模仿生物的进化和遗传，从某一初始群体出发， 根据达尔文进化论中“生存竞争”和“优胜劣汰”原则，借助复制、杂交、变异等 操作，不断迭代计算，经过若干代的演化后，群体中的最优值逐步逼近最优解，直 至最后达到全局最优。它将问题的解以位串编码形式表示来实现这些操作。它不受 搜索空间的限制性假设的约束 如连续性、导数存在等 ，从一群点开始搜索，能 从离散的、多极值的、含有噪音的高维问题中以很大的概率找到全局最优解，且适 用于大规模并行计算。肖专文，张奇志的基于圆弧滑动面假设哪’，提出一种用遗传 算法搜索边坡最危险滑动面及最小安全系数的方法，减小了工作量。 1 5 复合法 任何一种分析方法都不是万能的、唯一的、排它的方法，而把两种或多种方法 融合起来，取长补短，是未来发展的一种趋势。如神经网络的学习包括了两个优化 过程，分别是网络连接权重的优化和网络拓扑结构的优化。而优化权重的最著名的 方法是B P 算法，但B P 的最大弱点是局部极小问题和无法学习网络拓扑结构。遗传算 法作为对自身演化过程学习的一种优化算法，与神经网络结合可解决这个问题。将 人工神经网络和遗传算法相结合进行位移反分析，并已成功地用于岩石边城的分析 研究中。在专家系统的设计中，目前遗传算法已成功应用于推理方法的选取、隶属 函数形状及参数的选取和相关权重的确定等，对其中一些参数用遗传算法进行调谐 可大大提高专家系统的性能。 此外，模拟退火，反分析法，半解析元法等都有长足发展。 1 ．2 ．2 我国的边坡发展现状 边坡变形问题显然是一个时效变形体问题，即蠕动体变形，其动态变形至失稳 破坏，即破坏滑移面的形成是一个与时间有关的复杂累进性过程。边坡稳定性与变 形问题比较复杂，在不同时期，人们用不同的方法从不同的角度对边坡进行了大量 研究。我国对边坡工程””””⋯””1 的研究大致可分为3 个阶段 1 9 8 0 年以前，对边坡的研究从边坡崩塌 滑 造成的地质灾害出发，定性的分 析边坡失稳的地质环境条件，进而利用类比法对边坡的稳定性进行初步评价。对边 坡的稳定分析与变形计算采用了二维极限平衡方法、块体理论法及数值方法。边坡 辽中工程技术大学硕士学位论文 的变形监测则以岩体裂缝和地表观测及应变式地下位移监测仪为主。 1 9 8 0 年～1 9 9 5 年，为适应大型露天矿建设和改扩建需要，开展了大量的区域工 程地质条件研究，在大量野外实地调研基础上，总结、分析各类边坡中的工程地质 条件与采矿工程对边坡地质影响问题。本阶段在理论上更先进了，引入了统计学、 弹塑性力学、流变力学、灰色预测系统等理论和计算机技术。 1 9 9 5 年以后，在采矿和区域工程地质条件研究的基础上，进行了边坡变形与破 坏的动态研究，即蠕动边坡滑坡的变形破坏机制研究和稳定性动态评价。在研究方 法上广泛引入了数学力学、分形几何、边坡控制技术等，对于具有复杂几何特征的 边坡变形问题与稳定性评价问题，把它作为三维的问题来处理。初步引用蠕变分析 法、模糊数学法、三维极限平衡分析法”“等。 目前，在采矿边坡工程中，应用了非线性科学方法论和思维观。即建立在非线 性科学基础上的三维蠕动边坡的统一变形、破坏、失稳动态分析理论与边坡控制技 术。对具有复杂几何形状的高大边坡岩体进行三维蠕变变形计算。另外，还将神经 网络、极限平衡、数值计算等多种方法进行集成，建立了集成智能系统”1 ，对边坡 的变形与稳定性进行综合分析与评价。在国外，一些发达国家对露天矿边坡工程的 研究已广泛应用了非线性科学理论。在监测手段上，己开发出岩移大变形监测设备 及技术，利用卫星定位技术 G P S 及探地雷达等高技术时时跟踪蠕动边坡变形、破 坏及失稳全过程，提高了对露天矿边坡防灾减灾的预测预报精度和研究水平。 1 ．3 西露天矿边坡问题提出和解决思路 抚顺西露天矿北帮的工程地质条件极为复杂，加上井工采动的影响，在如此复 杂的工程地质和采矿技术条件下进行露天开采而形成的高大边坡，其边坡变形破坏 规律极为复杂。在北帮西区曾发生多次局部边坡变形与滑坡，局部边坡变形的形式 有坐落式滑移变形，倾倒变形和倾倒滑移变形。这些变形的部位大多集中在一段站 地区W 2 0 0 地区和W 6 0 0 地区。其中较严重的有1 9 8 6 年1 2 月～1 9 8 7 年4 月期间，在 W 2 0 0 N 面附近的二十八干线上、下的倾倒滑移变形；1 9 8 7 年4 月1 8 日发生的E 8 0 0 沉 陷区的滑坡和1 9 8 8 年4 月在W 6 0 0 N 面附近的大坡道上、下的倾倒滑移变形。这些变 形与滑坡灾害使露天矿生产运输安全受到一定的影响。同时，北帮的地面变形也有 所发展，使位于北帮地面紧邻矿坑的扰顺石油一厂的厂基变形由小到大，由浅变深 已历经2 0 多年了。特别是1 9 8 8 年以后，出于北帮特定的工程地质、水文地质条件， 加之露天开采临空边坡的存在，加剧了厂基变形和建 构 筑物的破坏，建 构 筑物的倾斜和裂缝宽度不断增大。另外，石油一厂地测办所有观测点的位移方向均 指向矿坑，且距矿坑边越近变形值越大；距边坡越远变形越小。厂区变形以地表下 辽宁] 二程技术大学硕士学位论文 沉为主；在坑边及断裂带上地表下沉和水平位移同时发展。这也说明露天采矿是厂 区变形的主要原因。在春季融冰和夏天雨季，北帮边坡蠕动变形呈加速趋势，这主 要是由于地表水入渗断层中，使断层泥物质发生软化和泥化，其粘结力减弱而导致 岩体整体强度降低，并且断层泥在水作用下会发生自身膨胀而对两倒岩体产生膨胀 力。同时，由于北帮西区边坡的中间大部分是由软岩绿色泥岩组构成的，它们在水 的作用下强度降低而抵抗变形能力减弱，这时在外力和自身重力的作用下更易于变 形，另外断层中蓄水量增加也会对周围岩体产生静水压力。 本论文针对抚顺西露天矿北帮w 2 0 0 ～w 6 0 0 剖面之间边坡的变形问题，在研究软 岩力学性质特别是软岩蠕变特性的基础上，分析这段边坡水的渗流状况，通过大型 通用有限元程序A N A S Y S 5 ．7 对这边坡变形以及采动进行了三维数值模拟计算，随着 时间的推移，水的不断渗入，北帮西区边坡的变形将会进一步恶化，并就边坡变形 趋势提出了相应的治理措施。 本论文研究的边坡范围是抚顺西露天矿北帮西区W 2 0 0 ～W 6 0 0 剖面之间，南边切 厩境界是N 4 0 0 ，北面切面境界是N 1 5 0 0 ，坡顶标高是 7 5 ，底板切面标高是一5 0 0 ， 即边坡纵向长4 0 0 m ，南北宽1 0 0 0 m ，南边切面高2 2 0 ～3 0 0 m ，北边切面高5 7 5 m 的一 段实体边坡。如图卜2 所示前面为W 2 0 0 边坡剖面，后面为W 6 0 0 边坡剖面。 油母页岩 一2 5 0 隧刃 堋鼷 N 5 0 0 图l 一2W 2 0 0 一W 6 0 0 剖面剖面图 7 5 5 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 北帮岩石的物理力学性质 西北帮高达3 9 0 m 的边坡是由白垩系的第三系岩层组成。西北帮局部边坡的失稳 和滑坡主要是在一段站的白垩系边坡和十三段站的第三系绿色页岩的边坡中出现。 随着西露天矿的不断延伸，北帮边坡加陡，边坡稳定的问题就愈显重要，就愈加需 要更多可靠的岩石力学指标以提供安全生产和边坡研究设计所用。组成边坡岩石的 物理力学性质是影响边坡稳定性的重要因素。要对北帮岩体的变形进行分析计算， 就需要对北帮的各种岩石进行各类物理力学性质试验“⋯。 2 ．1 岩石的物理力学性质 岩石的物理性质主要包括容重、孔隙度、湿度、透水性、可溶性等。力学性 质主要包括抗压 剪 强度、内摩擦角、粘聚力、弹性模量、泊松比等。本论文 所采用的北帮西区岩石物理力学试验数据 部分 均来自抚顺矿务局西露天矿和煤 炭科学研究总院抚顺分院协作对北帮岩体进行的物理力学试验结果“⋯。 2 ．1 ．1 常规物理力学试验 整个北帮各种岩石力学试验方法“2 1 均按照国家有关部委的岩石试验规程和露天 矿边坡稳定分析的要求及岩石试验设备的状况而进行的，以下是常规试验方法的简 介 1 直剪试验采用G J 一2 型应变直剪仪，根据库仑强度理论，求取粘聚力C 和 内摩擦角口的值，强度方程为 f C 占t a n 口 2 - 1 式中‘，6 一分别为剪切面上的剪应力和『F 应力 2 小三轴试验“⋯采用S J 一1 型三轴剪力仪，根据库仑一莫尔准则，求取三轴 试验抗剪强度指标，强度方程为 11 寺 4 一也 C c o s p 音 4 8 3 s i n ‘p 2 - 2 式中卤文一分别为最大和最小主应力。 3 点荷载强度试验采用X D 一1 型点荷载仪，经试验得到点荷载指数 1 n p ，。 尝。按煤炭部规程，低