基于云模型安全评价的西湾露天矿边坡稳定性研究.pdf

万方数据 万方数据 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 西湾露天煤矿由于在开采过程中工艺复杂，设备繁多，且在矿区地质条件、 地表水系、含（隔）水层水文地质特征、地下水的补、迳、排条件、水文地质勘 探类型开采现状（开采方式、方法、采场剥离运输系统、边坡高度及角度、排土 场高度及角度，基底等）、不良地质特征（片帮、涌（渗）水点）等因素影响下， 使得现场众多环节存在极大的危险源和安全隐患，而该区域虽地处西北，年均降 雨不大，但雨季多集中在 7～9 月份，占年降水量的 66，很容易造成由于集中降 雨而引起的边坡结构以及应力分布发生变化，导致边坡及排土场安全隐患，如滑 坡、塌方等。一旦发生事故，将严重影响矿山正常生产。 本论文通过理论分析、模型推导、实验测试、数值模拟等手段并结合矿区实 际进行基于云模型安全评价的西湾露天矿边坡稳定性研究，以矿区工程实际及已 有工程地质与水文地质条件，划分评价单元，进行危险源与隐患辨识，将结果导 入云模型进行矿区露天开采综合安全评价，针对评价结果较差的采场边坡进行基 础岩土体物理力学参数实验，应用 FLAC3D进行边坡破坏机理研究，而对于评价结 果较差的排土场边坡进行不同降雨类型下排土场边坡土体应力变化分析及边坡稳 定性分析。 云模型评价表明，该露天煤矿总体安全现状为较安全，其中排土场边坡和采 场边坡需加强安全工作，边坡大块率，高度与坡度，台阶坡面平整度，排水疏干， 防排水，车辆使用，噪声粉尘职业危害为所划分二级单元中较差环节。采场边坡 最危险位置位于1160m 平盘以下的粉质粘土台阶，破坏模式表现为沿土岩交界面 的圆弧剪切-顺层滑移破坏；采场端帮潜在滑坡破坏模式为粉质粘土内部圆弧剪切 与土岩分界面顺层滑动形成的组合滑动模式，非工作帮潜在滑坡破坏模式为粉质 粘土内部圆弧剪切破坏模式。外排土场边坡表现为排弃物料内部圆弧剪切，沿基 底细砂层剪出的破坏模式；降雨初始时的孔隙水压力值变大，在降雨 8-14 小时内 逐渐降低，之后随降雨逐渐趋于一稳定值；排土场边坡各监测点处 X、Y 方向位 移在降雨 10 小时内基本趋于稳定， 其中 X 方向位移 18-20cm， Y 方向位移 8-10cm； 边坡安全系数最低为 1.422， 降低率为 11.24； 结合矿区排土场边坡安全级别划分， 4 种不同雨型作用下，排土场边坡安全系数均小于 1.5，边坡发生滑坡的影响程度 为严重，需加强监测并采取截排水措施避免雨水过量入渗土体。 关键词综合安全评价；云模型；边坡破坏机理；降雨入渗；安全系数 万方数据 II A Abstractbstract The Xiwan Opencast Mine is complex in the process of mining and has many equipments. It also has geological conditions in the mining area, surface water system, hydrogeological characteristics of the water layer containing separator aquifers, groundwater supplementation, radon and drainage conditions, and hydrogeological exploration type mining status. under the influence of factors such as mining s, s, stope stripping and transportation system, slope height and angle, dump height and angle, base, etc., and poor geological characteristics slabs, floods, seepage, etc. There are numerous dangers and hidden dangers in many links. Although the area is located in the northwest, the average annual rainfall is not large, but the rainy season is mostly concentrated in July-September, accounting for 66 of the annual precipitation, it is easy to cause concentrated rainfall. The resulting changes in slope structure and stress distribution lead to hidden safety hazards such as landslides and landslides. In the event of an accident, it will seriously affect the normal production of the mine. In this paper, through the theoretical analysis, model derivation, experimental testing, numerical simulation and other s combined with the actual mining site based on the safety uation of the Xiwan open pit mine slope stability study, in order to take the actual and existing engineering geological and hydrogeological conditions of the mining area The uation unit was divided to identify hazards and hidden dangers. The results were imported into the cloud model for comprehensive safety uation of the open pit mining area. The physical and mechanical parameters of the foundation rock and soil were tested for the poor slope of the stope, and flac was used for the slope. The failure mechanism was studied, and the stress changes of the soil slope of the dump site under different rainfall types were analyzed and the slope stability analysis was pered for the dump slopes with poor uation results. The uation of the cloud model shows that the overall safety status of the open pit mine is relatively safe. The safety of the dump slopes and stope slopes need to be strengthened, the slope rate, height and slope, the level of the broken surface, drainage drainage. , Anti-drainage, use of vehicles, occupational hazards of noise and dust are the poor links in the second-level units. The most dangerous position of the stope slope is 万方数据 III on the silty clay step below 1160m flat plate, and the failure mode is represented by the arc-shear-slip slip along the interface of the earth and rock; the potential failure mode of the stope end is powder. The combined sliding mode ed by the arc shear in the interior of the clay and the interface sliding between the soil and the rock, and the failure mode of the non-working potential landslide is the arc shear failure mode in the silty clay. The outer slope of the earth field is represented by the internal arc shear of discarded material and the failure mode cut along the fine sand layer of the substrate; the initial negative pore water pressure value becomes larger and gradually decreases within 8-14 hours of rainfall. With the rainfall, it tends to a stable value; displacements in the X and Y directions at the monitoring points of dump slopes tend to be stable within 10 hours of rainfall, with X-direction displacements of 18-20 cm and Y-direction displacements of 8-10 cm; The minimum slope safety factor is 1.422, and the reduction rate is 11.24. Combining with the safety grade classification of the dump site of the mining area, the safety factor of the dump slope is less than 1.5 under the influence of four different rain patterns, and the degree of impact of the landslide on the slope is To be serious, it is necessary to strengthen monitoring and take cut-off measures to prevent excessive infiltration of rainwater into the soil. Key words comprehensive safety assessment; cloud model; slope failure mechanism; rainfall infiltration; safety factor 万方数据 IV 目 录 摘 要 ........................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................ II 1 绪论 ............................................................................................................................... 1 1.1 研究的目的及意义 ............................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ................................................................................................ 2 1.2.1 安全评价理论研究现状 ......................................................................... 2 1.2.2 露天矿边坡稳定性研究 ......................................................................... 4 1.3 主要研究内容、方法与技术路线 .................................................................... 6 1.4 创新点 ................................................................................................................ 8 2 西湾露天煤矿现状 ....................................................................................................... 9 2.1 矿区概况 ............................................................................................................ 9 2.1.1 地形地貌 ................................................................................................. 9 2.1.2 气象 ......................................................................................................... 9 2.1.3 地震 ......................................................................................................... 9 2.2 西湾露天煤矿工程地质与水文地质条件 ........................................................ 9 2.2.1 工程地质条件 ......................................................................................... 9 2.2.2 地表水系 ............................................................................................... 10 2.2.3 含（隔）水层水文地质特征 ............................................................... 11 2.2.4 地下水的补、迳、排条件 ................................................................... 13 2.2.5 水文地质勘探类型 ............................................................................... 13 2.3 露天矿开采现状 .............................................................................................. 14 2.3.1 开采现状 ............................................................................................... 14 2.3.2 不良地质特征 ....................................................................................... 14 3 基于云模型的西湾露天煤矿安全评价体系构建 ..................................................... 15 3.1 云模型基本概念 .............................................................................................. 15 3.2 云模型的数值特征与建模过程及方法 .......................................................... 15 3.3 评价指标体系构建及权重确定方法 .............................................................. 18 3.3.1 评价指标体系的构建 .......................................................................... 18 3.3.2 评价指标体系权重确定方法 .............................................................. 18 万方数据 V 3.4 指标体系权重确定 .......................................................................................... 21 3.4.1 一、二级指标重要性分析 ................................................................... 21 3.4.2 一、二级指标权重的计算与确定 ....................................................... 22 3.5 逆向云模型特征值求解 .................................................................................. 24 3.5.1 专家打分 ............................................................................................... 24 3.5.2 二级指标云模型特征值求解 ............................................................... 25 3.5.3 一级指标及综合评价指标云模型特征值求解 ................................... 26 3.6 安全评价结果分析 .......................................................................................... 26 3.6.1 综合安全评价标准云模型构建 ........................................................... 26 3.6.2 综合安全评价结果 ............................................................................... 27 3.6.3 一级指标及其所属二级指标安全评价结果分析 .............................. 28 3.7 本章小结 .......................................................................................................... 31 4 边坡失稳破坏机理及稳定性分析 ............................................................................. 33 4.1 土工实验 .......................................................................................................... 33 4.1.1 土工实验及现场点荷载实验 .............................................................. 33 4.1.2 岩土体物理力学强度指标推荐值 ....................................................... 34 4.2 采场帮边坡破坏机理数值模拟研究 .............................................................. 34 4.2.1 数值模拟几何模型 ............................................................................... 34 4.2.2 采场东北帮边坡破坏机理研究 ........................................................... 36 4.2.3 采场西南帮边坡破坏机理研究 ........................................................... 38 4.2.4 非工作帮边坡破坏机理研究 ............................................................... 39 4.3 边坡稳定性分析 .............................................................................................. 40 4.3.1 边坡安全储备系数的确定 ................................................................... 40 4.3.2 端帮边坡稳定性计算 ........................................................................... 41 4.3.3 非工作帮与外排土场复合边坡稳定性计算 ....................................... 42 4.3.4 西湾露天煤矿边坡安全级别划分 ....................................................... 44 4.4 本章小结 .......................................................................................................... 45 5 降雨对排土场边坡稳定性影响的特性研究 ............................................................. 47 5.1 排土场边坡稳定性现状 .................................................................................. 47 5.1.1 排土场边坡破坏机理 ........................................................................... 47 5.1.2 排土场边坡稳定性计算 ....................................................................... 48 万方数据 VI 5.2 降雨对排土场边坡坝渗流影响的研究分析 .................................................. 50 5.2.1 计算边界确定 ....................................................................................... 50 5.2.2 计算参数 ............................................................................................... 51 5.2.3 土水特征曲线、渗透系数曲线确定 ................................................... 51 5.3 数值计算结果分析 .......................................................................................... 52 5.3.1 孔隙水压分析 ....................................................................................... 52 5.3.2 位移分析 ............................................................................................... 55 5.3.3 边坡稳定系数分析 ............................................................................... 56 5.4 本章小结 .......................................................................................................... 57 结 论 ........................................................................................................................ 59 参考文献 .......................................................................................................................... 60 在学研究成果 ................................................................................................................ 65 致 谢 ........................................................................................................................ 66 万方数据 - 1 - 1 绪论绪论 1.1 研究的目的及意义研究的目的及意义 西湾露天煤矿位于陕西省榆林市榆阳区，露天矿开采工艺复杂，设备繁多， 存在极大的安全隐患，按照以往研究成果和工程实践露天矿开采过程中，如果能 够对现场众多环节和单元进行危险源和隐患辨识并采用综合安全评价方法进行综 合评价，指出安全性较差的相关单元，并分析上述相关单元存在安全隐患的原因， 及其破坏机理和破坏情况，并提出相关具有针对性的治理技术措施，提高该露天 矿开采的安全性，为西湾露天煤矿的安全开采和绿色矿山建设提供理论与技术支 撑。 西湾露天煤矿地处西北地区，气象条件上夏热冬寒，极端天气条件下不利于 工人工作，且露天矿工程地质条件、地表水系、含（隔）水层水文地质特征、地 下水的补、迳、排条件、水文地质勘探类型开采现状（开采方式、方法、采场剥 离运输系统、边坡高度及角度、排土场高度及角度，基底等）、不良地质特征（片 帮、涌（渗）水点）都是影响露天煤矿安全开采的主要因素。虽然该区域少雨， 但是一般年度雨季多集中在 7～9 月份，占年降水量的 66，很容易造成由于集中 降雨而引起的边坡结构以及应力分布发生变化，导致边坡及排土场安全隐患，如 滑坡、塌方等。因此有必要根据露天煤矿的实际情况，考虑到粉尘、机电、放炮、 水灾、运输、提升、矿山救护安全生产管理、监测监控系统等环节，制定出包含 边坡维护、穿孔爆破、采装工艺、运输系统、排土场、安全管理环节等六个方面 的综合安全评价指标体系；然后基于云模型等理论及方法，对综合评价系统进行 综合安全评价，根据评价结果找出该露天矿安全性较差的相关单元，为后期该露 天矿提出针对性较强的安全开采技术方案和相关薄弱环节的合理治理提供基础保 障。 根据已有研究结果及综合评价结果，露天煤矿重点治理环节应该是边坡和排 土场等重点环节，边坡稳定性及破坏机理和破坏类型研究中一般采用数值模拟的 方法开展，通过数值模拟进行预测，而数值计算结果的可靠度很大程度上依赖于 计算模型的建立，即岩体力学参数、本构模型和边界条件选取的可靠性与合理性， 为此，需要对西湾露天煤矿边坡主要岩土体的物理力学性质进行试验，同时进行 工程地质类比，加上考虑试件的尺寸效应、围岩所处环境等多方面的影响，对试 验结果进行合理取值，进一步开展数值模拟研究。在排土场环节中，虽然该地区 终年少雨，但夏季有时也会出现集中降雨或突发降雨的潜在危险，因此有必要对 万方数据 - 2 - 排土场在受雨水渗流影响下的安全性和稳定性进行进一步研究，确保对突发降雨 或大量降雨时期的应对措施合理。 通过理论分析、模型推导、实验测试、数值模拟等方法找出露天矿安全性较 差的环节，并对相关薄弱环节的破坏机理、机制、类型进行研究和分析，并对存 在严重破坏危险的环节进行监测和提出合理的治理技术方案，为该露天煤矿的安 全开采提供支持，确保安全开采。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 安全评价理论研究现状安全评价理论研究现状 （1）常用的安全评价理论及方法 目前常用的安全评价方法和理论分别有SCL Safety Check List、PHA Preliminary Hazard Analysis、FMEA Failure Mode and Effects Analysis、HAZOP Hazard and Operability Analysis、ETA Event Tree Analysis、FTA Fault Tree Analysis,、CCA Cause-Consequence Analysis、CA Criticality Analysis、RE Reliability Engineering、CCF Common Cause Failure、WI What-If。上述安全评 价方法，虽然能一定程度上对生产环节危险源进行辨识，并能对总体安全性给出 一个相对合理的评价结果，有助于提高安全管理水平，有助于采取针对性措施进 行相关薄弱环节的治理[14]；但是总体上存在一些不足之处，如评价体系过于简 单、定性与定量标准使用不合理、人为主观性影响强、评价过程不够严谨和统一、 评价结果区分度不高等缺点。 随系统工程与管理工程和数学基础理论的发展以及安全评价的不断进步，模 糊理论、灰色理论、人工神经网络、数据挖掘与大数据的理论与技术相对完善， 因此安全评价也充分吸收和改进上述理论与方法，开发了较多的具有综合性能解 决复杂系统问题的对应安全评价方法[510]， 大大提高安全评价结果的合理性与严谨 性。 （2）云模型理论研究现状 云模型[1116]自 1995 年由李德毅院士提出来，由于其成功处理了定性概念和定 量描述不确定转换模型，受到广大科研工作者的喜爱，已成功应用到数据分析、 智能控制、决策处理等领域。在安全生产领域，危险总是伴随生产而来，在人、 物、环、管诸多因素的影响下，导致危险发生的不确定性难以预测，云模型作为 万方数据 - 3 - 一种处理不确定性问题的理论及刻画模型，从提出至今，已逐渐趋于完善，其模 糊性与随机性的有效结合，在双向认知计算模型下，成功实现了定性概念与定量 数据的双向变化。鉴于此，国内专家学者引入云模型应用到安全评价方面，主要 表现为贾彦强、许开立[17]等基于层次分析法，对中小企业生产车间应用云模型 的方法进行评价