海州露天矿南帮边坡稳定性与治理方法研究.pdf

分类号T D 8 2 4 U D C6 2 2 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 海蝌露天藏南帮边坡稳定性与治理方法研究 R e s e a r c ho ns t a b i l i t ya n dG o v e r n a n c eo ft h es o u t hs l o p eo f H a i z h o uO p e n p i tM i n e 作者姓名商貉 指导教师苏仲杰教授 申请学位工学硕士 学科专业 研究方向 岩土工程 岩土工程新技术 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽室王程堇盔太堂有关保留、使用 学位论文的规定，同意辽主工程堇苤太堂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，学校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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名囱望 2 刀／』年易月lf 日 导师答名．舫 导师签名丛 工竺 V l 肄6 月Ib 日 万方数据 致谢 首先我要把最真挚的感恩之心和感激之情献给我的导师一苏仲杰教授。从文献的查阅 到论文的选题、构架，从理论上的分析再到论文的撰写、定稿，导师都倾注了大量的心血。 作者在攻读硕士学位期问，导师在学习、工作以及生活等方面给予了诸多的指导和关怀， 他深厚的学术造诣、敏锐的科学洞察力、严谨的治学态度和求实的工作作风使我受益匪浅， 是我今后努力践行的榜样，将激励着我在今后的学习、工作生活和中不断地探索和进取。 值此论文完成之际，谨向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的谢意 感谢辽宁工程技术大学土木与交通学院的培养，尤其感谢本专业教授及老师在本人学 习、工作及论文撰写过程中提供的指导和帮助，与他们的探讨使我开阔了思路。在撰写论 文过程中，得到了海州露天矿各位领导的大力支持和帮助，在此向海州露天矿领导和全体 员工表示感谢。 在即将完成学业之际，衷心的感谢我的父母、亲人多年来对我的理解与支持 感谢所有关心和帮助过我的人 万方数据 摘要 倾斜煤层铁道运输露天矿在最终丌采结束后，一般会形成面积数平方公里至十几平方 公里、四周为高陡边坡的大型深坑，并由此引发一系列矿山地质灾害、环境及社会问题。 海州露天矿自2 0 0 5 年闭坑以来，形成了长4 k m 、宽2 k m 、深3 5 0 m 的废弃矿坑，2 0 0 7 年 丌始建设矿山地质公园。南帮边坡的变形破坏、地面沉降、残煤自燃等地质灾害严重影响 了矿山地质公园的建设。 论文以海州露天矿闭坑后南帮高陡边坡为工程背景，综合运用现场调研、理论分析、 极限平衡、数值模拟等方法和手段，对影响边坡稳定性的因素进行探讨，分析边坡的潜在 滑坡模式，对南帮边坡稳定性进行评价，确定南帮边坡的滑坡机制，对削坡减载对南帮边 坡稳定性的影响规律进行分析，提出南帮边坡综合治理措施。 研究结果表明海州露天矿南帮边坡的滑坡模式为圆弧滑动；南帮W 5 、W 3 、E 2 ～E 5 剖面不符合安全储备要求，得出W 5 、W 3 剖面需削减到3 7 。，E 2 - E 5 剖面需削减至3 6 。； 提出了以削坡减载为主的南帮危险区段综合治理措施。 关键词稳定性分析；削坡减载；边坡治理；数值模拟 万方数据 A b s t r a c t A f t e rt h ee n d i n go fm i n i n go fo p e n - p i tm i n et h a ts e a n li si n c l i n e da n dt r a n s p o r tb yr a i l w a y ， t e n dt of o r ms e v e r a ls q u a r ek i l o m e t e r st om o r et h a n10s q u a r ek i l o m e t e r s ，s u r r o u n d e db yal a r g e d e e pp i tf o rh i g ha n ds t e e ps l o p e ，a n dt h er e s u l t i n gs e r i e so fm i n eg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ， e n v i r o n m e n t a la n ds o c i a lp r o b l e m s ．H a i z h o uO p e n p i tM i n ep i t ss i n c e2 0 0 5 ，f o r m e dal o n g4k m ， 2k mw i d e ，3 5 0md e e pa b a n d o n e dm i n e s ，m i n eg e o l o g i c a lp a r kc o n s t r u c t i o nb e g a ni n 2 0 0 7 ．S o u t hs l o p ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft h eg e o l o g i c a lh a z a r d s ，s u c ha s ，l a n ds u b s i d e n c e ，t h e r e s i d u a l c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ns e r i o u s l ya f f e c tt h ec o n s t r u c t i o no ft h em i n eg e o l o g i c a l p a r k ． I nt h i sp a p e r , t a k es o m hh i 曲a n ds t e e ps l o p eo fH a i z h o u O p e n - p i tM i n ea st h ee n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，t h ei n t e g r a t e du s eo ff i e l dr e s e a r c h ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dl i m i te q u i l i b r i u m ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa n dm e a n s ，t h ee f f e c tf a c t o r so fs l o p es t a b i l i t yw e r ed i s c u s s e d ， a n a l y s i so ft h es l o p ep o t e n t i a ll a n d s l i d em o d e l ，t oe v a l u a t et h es t a b i l i t yo fs o u t hs l o p e ，d e t e r m i n e t h es o u t hs l o p eo ft h el a n d s l i d em e c h a n i s m ，t h ec u t t i n gs l o p et or e d u c el o a do nt h es t a b i l i t yo f s o m hs l o p ei ni n f l u e n c el a ww e r ea n a l y z e d ，a n dt h es o u t hs l o p ei n c o m p r e h e n s i v et r e a t m e n t m e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es o u t hs l o p ei nH a i z h o uO p e n p i tM i n el a n d s l i d em o d e li sc i r c u l a r s l i d i n g ；W 5 ，W 3 ，E 2 ～E 5p r o f i l eo fs o u t hh e l pd on o tc o n f o r mt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es a f e t y s t o c k ，i ti sc o n c l u d e dt h a tW 5 ，W 3p r o f i l es h o u l db ec u tt o3 7o ，E 2s h o u l db ec u tt o3 6o ～E 5 p r o f i l e ；P r o p o s e di sg i v e np r i o r i t yt ow i t hc u t t i n gs l o p et or e d u c el o a ds o u t hf o rd a n g e r o u s s e c t i o no ft h ec o m p r e h e n s i v ec o n t r o lm e a s u r e s ． K e y w o r d s s t a b i l i t ya n a l y s i s ；c u t t i n gs l o p ea n du n l o a d i n g ；s l o p et r e a t m e n t ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； II 万方数据 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1边坡稳定性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．2 闭坑露天矿边坡治理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．4研究方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 边坡工程地质条件及变形破坏机制分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 ．1工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．1南帮边坡现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 ．2 南帮边坡地质环境问题分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2工程地质特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 2 ．2 ．1地层岩性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．2地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．2 ．3地震⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 ．4 水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 边坡稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．1露天开采对边坡稳定性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．3 ．2井工丌采对边坡稳定性的影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．3 ．3露井联合开采对边坡稳定的性影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4潜在滑坡模式分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3南帮边坡稳定性现状评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1计算方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．1 极限平衡理论概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 ．2 计算方法选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 万方数据 3 ．2 典型计算剖面选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 岩土体物理力学指标的选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．4 南帮边坡稳定性现状评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 3 ．4 ．1安全储备系数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 3 ．4 ．2边坡稳定性现状评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 滑坡机理数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 4 ．1 F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．2理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 ．1 增量弹性法则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．2 ．2 屈服函数和势函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．2 ．3塑性修『F ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．2 ．4 强度折减法原理及失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．3模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．4数值模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 5南帮边坡综合治理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 5 ．1南帮危险区段削坡治理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．1削坡后边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 ．1 ．2削坡减载工程整治措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 南帮边坡监测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．2 ．1监测设备的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．2 ．2监测点的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 5 ．3其他问题治理方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 万方数据 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 万方数据 辽。卜I 科技术人学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1选题背景和意义 倾斜煤层铁道运输露天矿在最终丌采结束后，一般会形成面积数平方公里至十几平方 公罩、四周为高陡边坡的大型深坑，一旦露天矿位于人口密集的城市中心或城市周边地区， 在闭坑后形成的深坑及高陡边坡由于受到井工扰动、残煤自燃自燃等因素的影响，加之长 期缺乏必要的治理和维护，造成滑坡、地表塌陷等地质灾害频发，生态环境恶化并引发一 系列社会问题。 海州露天矿自2 0 0 5 年闭坑以来，形成了长4 k m 、宽2 k m 、深3 5 0 m 的废弃矿坑，2 0 0 7 丌始，政府开始将露天矿坑建设成矿山地质公园，并投入大量经费用于边坡的治理和维护， 但由于前期治理工程均集中在北帮，而南帮治理工程尚未开始。海州露天矿南帮为高陡边 坡，自建矿以来发生大小滑坡1 6 次，南帮原设计到界边坡角为3 8 。3 87 ，近年来，由于 受到南帮边坡表层残煤自燃、深部井工矿采空区及巷道塌陷、坡脚残煤回采等多方面因素 影响，导致南帮边坡地质灾害同趋严重，主要表现为滑坡、地裂缝，边坡影响范围内的地 表发生沉降、塌陷，边坡表层残煤自燃以及地貌景观破坏等。南帮边坡灾害造成了一系列 社会问题及环境问题，严重影响了矿【l J 地质公园的建设。 综上，复杂因素影响下南帮边坡的综合治理已成为现阶段影响矿山地质公园建设进程 中亟待解决的问题，本文以海州露天矿闭坑后形成的南帮高陡边坡为工程背景，对影响南 帮边坡稳定性的露天及井工丌采因素进行探讨，分析边坡的潜在滑坡模式，对南帮现状边 坡稳定性进行评价，采用数值模拟手段确定南帮边坡的滑坡机制，对不符合安全储备要求 的区段进行边坡治理，同时针对南帮边坡存在的地质灾害及环境问题，提出南帮边坡综合 治理措施。 海州露天矿南帮边坡的综合治理工程可为其他露天矿山闭坑后的边坡灾害治理与综 合防治提供借鉴，对阜新市的经济发展、社会稳定、生念环境改善作用显著，同时对保证 人民的生命财产安全，提高人民的生活水平和生活质量也具有重大意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1边坡稳定性研究现状 边坡稳定性问题一直是岩土工程领域研究的一个重要内容，经过国内外学者一个多世 纪的研究，形成了许多边坡稳定性计算方法。边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个 万方数据 辽0 I 群技术人学硕十学位论文 边坡稳定性分析方法不断发展和完善的过程。目6 仃，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【lJ 。 1 定性分析法 定性分析方法也称为工程地质分析法，是在掌握工程地质勘察资料的基础上，通过分 析影响边坡稳定性的主要因素及已变形地质体的成因及其演化史，对边坡可能发生的变形 破坏方式及失稳的力学机制等进行解释和说明，从而对被评价边坡的稳定性状况及发展趋 势进行定性的分析和判断怛J 。由于对边坡稳定状态进行评价时，往往以人的经验为主，因 此采用定性分析法对边坡做出的评价具有很大的主观随意性1 3 J 。 2 极限平衡法 极限平衡法最早由P e t t e r s o n 于1 9 1 5 年提出，是当前国内外应用最为广泛的边坡稳定 性分析方法。是在已知滑移面的基础上对边坡进行静力平衡计算，进而求得边坡安全系数 的方法1 4 j 。极限平衡法以安全系数作为度量边坡稳定性的指标，经过长期的工程实践，被 证明是一种有效和实用的方法。常用的极限平衡分析方法有F e l l e n n i u s 法、B i s h o p 法、J a n b u 法、S p e n c e r 法、S a r m a 法等1 5 - 7 1 。我困学者何满朝、姚爱军、陈祖煜等人对上述方法进行 提出了了部分改进1 8 。1o J ；2 0 11 年王旭春等采用极限平衡法对安太堡露天矿西北帮边坡的稳 定性进行了研究，探讨了岩土体物理力学参数对边坡稳定性影响的敏感性规律【l ，2 0 1 2 曾维国等改进了B i s h o p 法，提出了一种更为合理的最危险圆弧滑面搜索方法，提高了 B i s h o p 法在露天矿边坡稳定分析中的准确性【l 2 | 。 3 数值分析方法 随着计算机技术的不断发展，各种大型计算软件如有限元软件A N S Y S 、有限差分软 件F L A C 3 D 和离散元软件U D E C 等逐渐被应用到边坡的稳定性分析中，边坡稳定性分析 进入了新的发展阶段。 ①有限元方法。是在边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法，主要分为一般有限 元法和强度折减法两大类I l3 | 。有限单元法可以考虑岩土体的非线性应力应变关系。在计算 每一个计算单元的应力及变形后，然后根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的 扩展情况。因此，有限元数值方法的优点是在一定程度上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、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将边坡视为刚体 而过于简化的缺点，能近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最容易发生屈 服破坏的区域和需要进行加固的部位等。2 0 0 8 年贾苍琴等从固、液相质量守恒的角度讨论 了非饱和非稳定渗流的基本方程，得出折减有限元方法是分析非饱和非稳定渗流作用下土 坡稳定性的一种比较有效的方法1 1 4 ] o2 0 1 3 年吴应祥等将有限元极限分析法、动力分析法和 可靠性分析法三者耦合，并将这一过程在数值计算程序中得以实现【1 5 】。 万方数据 辽。j 。r 科技术人学硕 学6 i ．论文 ②有限差分方法。又被称为快速拉格朗R 元法，该方法首先由C u n d a l l ．P ．A 于1 9 7 6 年提出，由美国I t a s c a 咨询公司首先使用并推广【l6 。1 7 J 。相对于有限单元法，有限差分法计 算求解速度较快，能够更好地考虑岩土体的不连续性和变形特征，因此更适用于求解非线 性大变形，单同有限元法一样，在单元网格划分、计算边界上具有较大的随机性。2 0 0 5 年 李新平等利用F L A C 3 D 软件，改进了边坡极限状态的确定方法，认为边坡最大节点位移一 时步曲线的收敛性与边坡稳定状态密切相关引。 ③离散单元法。离散单元法是由C u n d a l l ．P ．A ．于1 9 7 1 年首先提出【l9 1 。由于离散单元 法计算原理简单，可以利用显示时间差分解进而求解动力平衡方程，对块状结构、层状破 裂结构等结构岩体均比较适合，又能够模拟非连续介质及大变形问题，因此，目前被广泛 应用于岩土体稳定性数值模拟分析过程中。2 0 0 8 年周先齐等将离散元方法与强度折减准则 相结合，对构皮滩水挚塘高边坡进行了计算，分析了自然边坡及开挖边坡的稳定性，并对 支护效果进行了评价【2 ⋯。 随着模糊数学、统计学、神经科学等其他领域学科逐渐进入到边坡稳定性分析中，除 上述方法外，可靠度分析法【2 1 】、模糊数学法吲、灰色理论法㈣等在工程实践中也均有应用。 1 ．2 ．2闭坑露天矿边坡治理研究现状 在我国，有许多矿业城市都是随着矿产资源的丌发而逐步建立起来的，但由于历史原 因，以往的开发和利用往往注重产量，忽略采矿工程活动对自然及地质环境的破坏，因此 这些矿山从初始建设丌采一直到终采闭坑，地质灾害频发，对矿业城市的生态环境造成了 无法逆转的破坏1 2 训。目自订，我国早期建设的国有露天矿山中，有4 4 0 多座即将面临闭坑威 胁或已经闭坑，如海州露天矿、抚顺西露天矿、平庄西露天矿、灵泉露天矿等。而露天矿 闭坑一般会形成面积数平方公罩至十几平方公罩、四周为陡峭高边坡的大型深坑及堆积有 数亿至十几亿立方米排弃物的庞大排土场，所以露天矿山闭坑后所涉及的环境地质灾害范 围大、灾种多，常见的灾害有因边坡过高或过陡及工程扰动等而诱发的滑坡，因露天丌采 及周边井工开采采空区及巷道塌陷而造成的地表裂缝及沉陷，因露天矿边坡残煤自燃发火 而对露天矿坑周边大气环境造成的污染，由于闭坑后采场采空区积水、排土场淋溶水而对 地下及地表水造成的污染等。 针对露天矿闭坑后边坡所存在的一系列地质灾害及环境问题，许多学者展丌了研究工 作并取得了一定的成果。2 0 0 3 年刘志斌针对大型露天矿闭坑后可能引发的生态环境问题， 提出了土地复垦、环境污染治理和地质灾害防治等一系列对策1 2 5 J ；2 0 0 6 年纪玉石等以抚顺 西露天煤矿为例，对露天矿闭坑后的环境地质灾害进行了危险性分区，取得了符合工程实 际的结果1 2 4 J ；2 0 0 8 年余伟健等通过对影响厂坝露天矿高陡边坡稳定性的关键因素的回归分 万方数据 辽。j r 群技术人学硕十学位论文 析，获得了影响因素与位移矢量I 、日J 的拟合函数拉6 J ；2 0 1 2 年邬剑明等针对露天矿存在的煤层 自燃问题，提出“火区剥离平整一火区内灌黄泥浆、黄土分层覆盖碾压一火区边界打钻 注浆隔离、局部煤层露头火剥挖一回填绿化“ 的综合灭火技术方法【27 1 ；2 0 13 年张凯选提出 通过利用3 S 技术对海州露天矿周边的地形因子、植被、气候及地表径流进行调查，并结 合主成份分析法分析各种因素对滑坡的影响大小，进而对闭坑后的边坡稳定性趋势进行预 测【2 引。 分析以往文献可知，尽管已经有学者对于露天矿闭坑后边坡所存在的一系列地质灾害 及环境问题进行了一定的研究，但大多停留在理论探讨阶段，目前尚无可借鉴的工程实例， 本文通过对海州露天矿闭坑后南帮边坡的综合治理及稳定性分析，为其他露天矿山闭坑后 的边坡灾害治理与综合防治提供了借鉴，其理论及实际意义重大。 1 ．3 研究内容 为解决海州露天矿南帮边坡存在的一些列技术难题，本论文主要对以下内容进行研 究 1 工程概况及边坡工程地质条件 搜集海州露天矿南帮边坡的工程概况资料，分析南帮边坡的工程地质特征，查清南帮 边坡地层分布情况、各地层岩性、厚度，裂隙发育状态及特征，查清与南帮边坡稳定性有 关的地质构造、软弱层 面 的赋存状态、分布规律、接触关系及接触面的特征，分析区域 水文地质条件。 2 边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式分析 分析影响南帮边坡稳定性的露天丌采及井工丌采因素，结合南帮工程地质条件及影响 因素分析结果，判定南帮边坡的潜在滑坡模式。 3 南帮现状边坡稳定性评价 选取典型计算剖面，在确定岩土体物理力学指标的基础上，应用刚体极限平衡法对南 帮现状边坡稳定性进行定量评价，进而确定南帮边坡的危险区段。 4 南帮边坡滑坡机理数值模拟 采用岩土工程三维分析软件F L A C 3 D 对南帮边坡进行数值模拟，掌握边坡岩体的位移 分布特征、应力分布特征及变形破坏特征，阐明边坡的滑坡机理。 5 南帮边坡综合治理方法研究 对于不满足安全储备要求的区段边坡进行削坡治理，制定边坡监测方法，同时对南帮 边坡存在的其他地质灾害及环境问题提出合理化建议。 万方数据 辽。j ，I 科技术人学硕 学位论文 1 ．4 研究方法和技术路线 针对以上研究内容，论文以海州露天矿闭坑后南帮边坡为研究对象，采用现场调研、 理论分析，极限平衡计算、数值模拟等方法和手段，对南帮边坡的稳定性及综合治理方法 进行深入系统的研究，所采取的技术路线见图1 ．1 所示。研究方法分述如下 1 现场调研 通过现场资料搜集、整理及边坡工程地质踏勘等，掌握边坡的工程地质条件，重点查 清边坡的地层岩性、地质构造、地震及水文地质条件等，确定岩土体物理力学参数。 图1 ．1 技术路线图 F i g ．1 ．1T e c h n o l o g yr o a d m a p 2 理论分析 分析影响南帮边坡稳定性的露天丌采及井工开采因素，结合工程地质条件及影响因素 分析结果，判定南帮边坡的潜在滑坡模式。 3 极限平衡法 基于极限平衡理论，采用简化B i s h o p 法，对南帮不同区段边坡现状进行稳定性评价， 对不满足安全储备要求的区段进行削坡治理。 4 数值模拟 采用大型岩土工程三维数值模拟软件F L A C 3 D ，建立南帮边坡的数值计算模型，分析 边坡岩体的应力、位移分布特征及变形破坏特征，阐明南帮边坡的滑坡演化机制，科学合 理的评价边坡稳定性。 万方数据 辽。rI 科技术人学硕十学位论文 2 边坡工程地质条件及变形破坏机制分析 确定边坡的潜在滑坡模式及岩土体物理力学参数的前提是必须先查清露天矿边坡工 程地质特征及边坡稳定性影响因素。本章在查清海州露天矿南帮边坡区域工程地质概况的 基础上，重点对南帮边坡的工程地质条件进行研究。分析露天开采及井工开采对边坡稳定 性的影响，进而判定其滑坡模式，为露天矿边坡的稳定性计算提供基础。 2 ．1工程概况 海州露天矿于1 9 5 3 年7 月1F 1 建成并丌始投产，该矿设计生产能力为3 ．0 M t ／a ，开采 工艺为单斗一铁道丌采工艺。该矿南帮最终帮坡角原设计为3 8 0 3 87 ，北帮原设计最终帮坡 角为1 8o “ - - 2 0 O r 东端帮与西端帮的原设计最终帮坡角一般为3 5o “ - 4 2o 之间。海州露天矿 经历了长达5 0 余年的丌采，矿区内的煤炭资源已经逐步的枯竭，海州露天矿闭坑破产是 在2 0 0 5 年，闭坑后形成了宽2 k m 、长4 k m 、深3 5 0 m 的废弃矿坑。如图2 ．1 所示为海州露 天矿卫星位置图。 图2 ．1海州露天矿卫星位置图 F i g ．2 ．1 S a t e l l i t el o c a t i o nm a po fH a i z h o uO p e n - p i tM i n e 2 ．1 ．1南帮边坡现状 海州露天矿经过5 0 多年大规模丌采，煤炭资源逐渐枯竭，2 0 0 5 年已闭坑2 0 0 7 年开始， 政府开始将露天矿坑建设成矿山地质公园，并投入大量经费用于边坡的治理和维护，但由 于f j { 『期治理工程均集中在北帮，而南帮治理工程尚未丌始。本次研究区域为海州露天矿的 万方数据 辽‘rI 科技术人学硕士学位论文 南帮边坡整体部分，研究范围W 1 0 1 0 ．E 2 8 7 3 、N 1 8 5 ． 5 2 0 ，治理面积约为2 ．7 4 9 3 k m 2 ， 边坡最大高度为31 0 m ，南帮边坡现状如图2 ．2 所示。 图2 ．2 海州始大矿南帮边坡现状 F i g ．2 ．2 S o u t hs l o p es t m u so fH a i z h o uO p e n p i tM i n e 根据地形测绘资料显示本次研究南帮区域属海州矿人工地貌以及构造剥蚀坡洪积裙 地貌，南高北低是坡洪积裙地形的主要特征，南帮坡顶标高 1 8 4 ．3 0 “ - 2 0 8 ．0 7 m ，其中中部 高，东部及西部较低，相对高差大致为2 5 m ；海州矿南帮边坡高差大，坡上坡下最大高差 达到3 8 6 ．0 0 m 。南帮西部帮坡角在4 0 。 4 5 。之问，边坡中部挖损严重，多级平台已不存 在；中部帮坡角在3 8 。- 4 2 。之间，同时边坡多级平台破坏严重；南帮东部边坡较缓，帮 坡角在3 8 。～3 9 。之间，但边坡下半部坡脚挖损严重，坡角较陡，在6 0 。左右，且边坡坡 面基本不存在平台。总之，南帮边坡大部分区段帮坡角已超越原设计最终帮坡角，且原设 计边坡多级平台破损严重，甚至不存在。南帮边坡现状边坡角度如表2 ．1 所示。 表2 ．1南帮边坡现状边坡角度 ；￡宝宝望 坚丝1 2 旦垫g 曼2 11 1 宝1 2 坚 1 2 P 宝 音0 面 W IW 2W 3W 4 W 5W 6W 7E 0E l 万方数据 辽‘j 。l 科技术人学硕十学位论文 2 ．1 ．2南帮边坡地质环境问题分析 南帮边坡为逆倾高陡边坡，岩体主要以砂岩和页岩为主，原设计边坡角为3 8 。3 87， 但由于后期受到井工扰动、边坡表层残煤自燃、长期无人治理和维护以及后期坡脚残煤回 采等多方面因素的影响，导致南帮边坡地质灾害及环境状况非常恶劣，且这种危害同趋严 重，南帮边坡的地质环境问题主要表现为滑坡、边坡影响范围内的地表发生大面积沉降、 塌陷、裂缝、残煤自燃以及对地貌景观的破坏等。 1 滑塌及滑坡 由于受到井工扰动、边坡表层残煤白燃、水的影响，随着海州矿边坡的超界开采，南 帮边坡滑坡灾害严重，多级平台已不存在。据不完全统计，白1 9 7 2 年至2 0 11 年，露天南 帮曾发生滑坡1 6 次，南帮滑坡统计情况如表2 ．2 及图2 ．3 所示。 表2 ．2 南帮边坡1 9 7 2 ．2 0 11 年滑坡统计 T a b ．2 ．2L a n d s l i d es t a t i s t i c so fs o u t hs l o p ei n19 7 2 - 2 011 万方数据 辽。，I 科技术人学硕 学位论文 图2 ．3南帮边坡滑坡情况 F i g ．2 ．3 L a n d s l i d es i t u a t i o no fs o u t hs l o p e 综上可知，南帮边坡滑坡灾害严重，滑坡诱因复杂，急需治理。 2 地表发生沉降、塌陷、裂缝 南帮边坡治理区位于孙家湾地面沉陷区范围内，治理区范围内现有已停止开采的金鑫 煤矿、鑫发煤矿、鑫鑫煤矿和『F 阳煤矿等4 家煤矿和正在生产的兴阜煤矿和安顺煤矿2 家 煤矿。这6 家煤矿所采煤层为不同深度内各煤层群的残煤和原国矿开采预留的安全煤柱， 丌拓方式多采用竖井、斜井片盘丌拓，采煤方法为刀柱式及宽巷掘进采煤，顶板不做管理， 任其塌落，采煤深度在1 7 - 2 0 4 m 范围不等。由于现开采矿井在原有的老采空区范围内进 行多次的重复采动，势必会影响采空区出现新的沉陷问题，而减弱原采空区稳沉的速度， 所以治理区所处地段并非稳定沉降，仍随着采煤活动而发生着不同程度的沉降变化。 幽2 ．4 南帮地表裂缝 F i g ．2 ．4 S u r f a c ec r a c k so fs o u t hs l o p e 一9 一 万方数据 辽。j 。r 科技术人学硕 学位论文 地表裂缝主要是由地面沉降及南帮滑坡造成的。南帮地裂缝灾害主要分布在滑坡区后 缘、采煤沉陷区边缘或地面塌陷的边缘。根据现场调查发现，金鑫矿区发育一条小型地裂 缝，宽约5 c m ；正阳煤矿附近发育有3 条地裂缝，其中1 条地裂缝长5 6 0 m ，最宽处近l m ， 已被填实。还有2 条正在发育的小型地裂缝，南帮地裂缝分布情况如图2 ．4 所示。 3 残煤自燃 由于露天矿南帮边坡岩体不断滑坡，使得采空区旧巷和边坡岩体内的深部小井巷道得 以揭露，形成通风风路，从而造成采空区旧巷内的浮煤及南帮边坡的煤层露头发生自燃， 南帮边坡煤层露头面积达3 6 11 0 0 m 2 ，加之南帮火点众多，火区塌落已使火烧区连成一片， 残煤白燃使周边岩层软化或空化，造成边坡的滑塌现象时有发生，海州露天矿南帮边坡着 火点分布如图2 ．5 所示。 由于露天南帮边坡残煤自燃发火，使得矿坑内全天烟雾缭绕，造成海州露天矿坑周边 大气环境严重污染，对阜新市区坏境影响极坏，严重危害着周边市民的身心健康。南帮边 坡残煤自燃区情况如图2 ．6 所示。 同时，由于海州矿丌采越界，使得南帮采空区旧巷内的浮煤与海州矿预留煤柱掏空， 风体涌入，导致南帮停止开采的废弃矿井井底残煤自燃，并释放出C O 和瓦斯等有毒气体， 使有毒气体从南帮边坡上部的废弃的矿井内排出，若有明火存在极易引发瓦斯爆炸事故。 并严重威协着南环坑路上行车及行人的安全，也严重破坏着国家矿山地质公园的形象。 分 _ 1 { ． 潭瓯沁黜 ’【 ／＼。 ／．‘五 ，／岩 ≯ ，■ ● l t