（地质工程专业论文）白音华三号露天煤矿首采区非工作帮边坡稳定性研究.pdf

论文题目：白音华三号露天煤矿首采区非工作帮边坡稳定性研究 专业：地质工程 硕士生：李荣伟( 签名) 查垫兰童 指导教师：侯恩科 ( 签名) 4 垃i 牡 摘要 边坡稳定性的研究，一直是岩土工程界广为关注的课题。白音华三号露天煤矿正处 于首采区表土剥离阶段，由非工作帮及外排土场组成的复合边坡是否稳定，成为该矿目 前急需解决的问题。本文以f l a c 3 d 数值模拟为基础，将数值模拟、极限平衡法和可靠 度分析方法整合应用，以“应力应变力学行为刀、“稳定系数 和“可靠度为指标， 综合分析了该复合边坡的稳定性。 本文根据岩土工程勘察规范( g b s 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 、霍克布朗经验强度准则和类似工 程经验，确定了边坡岩体物理力学性质指标值，并认为该复合边坡岩体类型属于软一半 坚硬岩体。通过工程地质分析定性地认为，岩性、结构面、地下水、边坡形态及外载对 该边坡稳定性均存在重要影响；通过多因素敏感性分析认为，内摩擦角、重度、粘聚力 和地下水位等因素对该边坡稳定参数的敏感性依次变小。 本文在分析边坡稳定性时，首先利用s u r f e r 、a n s y s 等软件建立了f l a c 如数值模 型，采用f l a c 3 d 数值模拟及强度折减法，分析了边坡在静力平衡条件下和流固耦合条 件下的应力一应变力学行为，并确定了潜在滑面的位置和形态。其次，借助“理正边坡 稳定分析力软件，采用极限平衡法，验证了数值模拟所确定的潜在滑面，并采用简化 b i s h o p 法和j a n b u 法计算了最危险滑面及指定滑面的稳定系数。最后，以极限平衡法计 算的稳定系数为指标，根据均值一次二阶矩法的基本原理，以数值模拟确定的潜在滑面 为指定滑面，计算了边坡整体及局部的可靠度指标和破坏概率。通过分析认为，采用不 同方法、不同评价指标从不同侧面均说明了该复合边坡在目前性状下整体处于稳定状 态，但外排土场边坡等局部处于不可接受的风险水平；该复合边坡呈现圆弧形、平面剪 切及卸荷破坏等复杂的破坏模式。研究成果与现场实际情况吻合较好。 本文研究说明了以数值模拟为基础，将数值模拟、极限平衡法和可靠度分析方法整 合应用，能提高边坡稳定性评价结论的可信度，实现采用线性方法更合理地分析非线性 边坡稳定性问题的目的，其方法是可行的。 关键词：边坡稳定性：f l a c 3 d ；极限平衡法；边坡可靠度：露天煤矿 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e i n s t r u c t o r ：r e s e a r c ho ns l o p es t a b i l i t yo fn o nw o r k i n gw a l lw i t h i nf i r s t m i n i n g a r e ai nt h e3 db a i y i n h n ao p e n c a s tc o a lm i n e 一- - - ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g ：l ir o n g w e i ( s i g n a t u r e ) 生签哗丝 ：h o ue n k e ( s i g n a t u r e ) 丛鱼k a b s t r a c t i ti sa ne s p e c i a l l yi m p o r t a n tt o p i co fd e v e l o p m e n tf o rs l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d i n v e s t i g a t i o ni ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i nt h es t a g eo fs t r i p p i n gt o p s o i lw i t h i nf i r s tm i n i n g a r e ai nt h e3 r db a i y i h h l l ao p e n c a s tc o a lm i n e ，t h es t a b i l i t yo fc o m p o s i t es l o p ec o n s t i t u t e do f n o nw o r k i n gw a l la n do u t e rd u m pi so n eo ft h ei s s u e st h a tn e e dt ob ea d d r e s s e du r g e n t l yb y t h em i n e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o da n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa r e i n t e g r a t e dt o g e t h e rb a s e do nf l a c 3 up l a t f o r m , t a k i n g “s t r e s s - s t r a i nm e c h a n i c a lb e h a v i o r ， r e l i a b i l i t y a n d s t a b i l i t yf a c t o r a sm u l t i - i n d e x e sf o re v a l u a t i n g ，a n dt h es l o p es t a b i l i t y a n a l y s i si sa c c o m p l i s h e dc o m p r e h e n s i v e l yb yt h i si n t e g r a t e dm e t h o d a c c o r d i n gt ot h e ”g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi n v e s t i g a t i o nf l o r i n s ( g b 5 0 0 2 1 - 2 0 0 1 ) ， h a w k e - b r o w ne x p e r i e n c es t r e n g t hc r i t e r i aa n ds i m i l a re n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e ，t h ep h y s i c a l a n dm e c h a n i c a li n d i c a t o r so fs l o p er o c k ( c l a y ) a r ea n l y s i z e df i r s t l y , a n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h e r o c kt y p eo fs l o p eb e l o n g st os o f t h a l fr i g i d i t yr o c ki sd r a w n l i t h o l o g y , s t r u c t u r a lf a c e ， g r o u n d w a t e r , s h a p eo fs l o p ea n do u t e rl o a dh a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es l o p es t a b i l i t y a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lq u a l i t a t i v ea n a l y s i s t h es e n s i t i v i t yo ff a c t o r s ，s u c ha s f r i c t i o na n g l e ，d e n s i t y , c o h e s i o na n dg r o u n d - w a t e r , a r es m a l l e ri no r d e rt os l o p es t a b i l i t y a c c o r d i n gt om u l t i f a c t o rs e n s i t w i t yq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s d u r i n gt h ea n a l y s i so fs l o p es t a b i l i t y , f l a c 3 dn u m e r i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e db y s o f t w a r e ss u c ha ss u r f e r , a n s y ss o f t w a r ef i r s t l y w i t hf l a c un u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d s t r e n g t hr e d u c t i o n , t h ep a p e ra n a l y s e ds t r e s s s t r a i nm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs l o p eu n d e rt h e s t a t i ce q u i l i b r i u ma n ds o l i d f l o w - c o u p l e dc o n d i t i o n s , a n dt h el o c a t i o na n ds h a p eo fp o t e n t i a l s l i d i n gs u r f a c ew a sd e f i n e d t h e n , u s i n gt h el i z h e n gs o f t w a r ea n dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d , t h el o c a t i o no fp o t e n t i a ls l i d i n gs u r f a c ew a sc e r t i f i e d ，a n dt h es t a b i l i t yf a c t o r so ft h em o s t d a n g e r o u sa n dt h ed e s i g n a t e ds l i d i n gs u r f a c ew e r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h es i m p l i f i e db i s h o p m e t h o da n dj a n b um e t h o d a tl a s t , t h es t a b i l i t yf a c t o r , w h i c hw a sc a l c u l a t e db ya d o p t i n g t r a d i t i o n a ll i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d , w a sc o n s i d e r e d 弱a ni n d i c a t o r , a n dt h ep o t e n t i a ls l i d i n g s u r f a c e ，w h i c hd e f i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , w a sc o n s i d e r e d 勰s p e c i f i e ds u r f a c e ，t h e r e l i a b i l i t yi n d e xa n df a i l u r ep r o b a b i l i t yo fs l o p ew e r ec a i c u l a t e da c c o r d i n gt ot h eb a s a l p r i n c i p l eo ff i r s t - o r d e rs e c o n d m o m e n t m e t h o d t h r o u g ha n a l y s i s ，i ti ss h o w nt h a t , f r o md i f f e r e n ta s p e c t sb yd i f f e r e n tm 出d sa n d d i f f e r e n te v a l u a t i o ni n d i c a t o r s ，t h ec o m p o s i t es l o p eu n d e rt h ec u r r e n ts t a t ei si nas 协b l es t a t e ， b u tt h el o c a ls l o p eo fd u m pi su i 妇t h eu n a c c e p t a b l el e v e lo fr i s k o t h e r w i s e ，t h e c o m p l i c a t e dd e s t r u c t i o nm o d e lo fc o m p o s i t es l o p ei st h ea r c s h a p e d , p l a n es h e a r i n ga n d u n l o a d i n gd a m a g e e t c a l lt h er e s e a r c h e sa r ew e l la c c o r dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o na tt h es c e n e t h er e s e a r c hs h o wt h a ti ti sf e a s i b l et h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d a n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa r ei n t e g r a t e dt o g e t h e rb a s e do nf l a c 3 dp l a t f o r m ，a n di tw i l lp r o m o t e t h ec r e d i b i l i t yo fs l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o n , t or e a c h i n gag o a l ，n a m e l y , a p p l i n gt h el i n e a r m e t h o dt os l o v et h en o n l i n e a rq u e s t i o no fs l o p es t a b i l i t y k e y w o r d ：s l o p es t a b i l i t y i n t e g r a t em e t h o d f l a c 3 dl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d s l o p er e l i a b i l i t yo p e n c a s tc o a lm i n e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻拜技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雩策乍日期：矽8 6 i o 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：夸幂印指导教师签名：1 墨咖q 巧年占月归日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 露天开采是各类矿产开发的形式之一。对我国来说，露天开采在铁矿石、有色金属 矿石、化工原材料、煤矿等各类矿产开发中所占比重也相当大。例如，目前露天开采在 铁矿石开发利用中占9 0 左右，在有色金属矿产中占5 2 左右，化工原材料矿产几乎 都是露天开采。虽然露天开采在煤矿中仅占4 左右，但目前己查明，我国适于露天开 采的煤炭储量为4 9 0 亿吨，到2 0 2 0 年，露天开采产量将占煤炭总产量的1 2 1 4 【1 1 。 因此，在目前煤炭资源紧缺的情况下，如何高效又安全地开发利用现有的煤炭资源，成 为目前急需研究解决的一个热点问题。 白音华露天煤矿位于内蒙古中东部，大兴安岭西坡南段之北侧，已探明储量1 4 0 7 亿吨，是内蒙古自治区十大煤田之一。白音华三号露天煤矿长约1 4 2 5k m ，宽约3 8 0k m ， 面积约51 0 5k m 2 ，近期规模原煤1 4 0m t a ，远期规模原煤3 0 0m t a 。其中，首采区储 量2 1 亿吨左右，平均开采深度1 8 81 1 1 ，可采煤层最大埋深为2 5 0m 左右。该矿于2 0 0 5 年开工建设，目前正在进行首采区表土剥离。该矿在设计及前期施工阶段没有对采场帮 坡及排土场边坡进行专项工程地质勘察及对上述部位岩土体进行物理力学性质试验，没 有对采场边坡稳定性进行过专项评价，因此，按目前设计条件开采，今后形成的排土场 边坡、采掘边坡，以及由排土场和采掘边坡组成的复合边坡是否稳定，成为该矿目前急 需解决的问题1 2 圳。 在边坡工程稳定性评价中，最常用的方法是极限平衡法、数值分析法及可靠度分析 法。然而，边坡工程是一个复杂的非线性问题，很难用单一的稳定性指标或单一线性方 法比较合理地评价非线性边坡稳定问题。因此，从上个世纪8 0 年代以来，边坡工程领 域中陆续引入了非线性思维和非线性方法，例如，神经网络、遗传算法、模糊数学、灰 色理论以及分形理论，都在边坡稳定性研究中得以研究应用，有效推动了边坡工程技术 的进步。然而，对于还未形成的单个边坡工程问题，一般很难具备应用上述方法的条件， 或者其分析结论大多不能用于目前边坡工程设计的直接依据。因此，到目前为止，由于 极限平衡法具有计算简单、使用方便、滑面确定后能有效地确定边坡的稳定性系数等优 点，因而仍被广泛应用。数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法， 但由于数值分析技术与真实情况的差距性，数值分析的优越性还未在一些工程实际中得 到充分体现。可靠度分析方法能克服传统方法的局限性，用可靠度指标和破坏概率能更 合理地表征边坡的安全度，因而其应用越来越广泛。然而，极限平衡法、数值分析及可 靠度分析等方法还未很好的耦合起来，缺乏基于数值模拟的极限平衡分析或可靠度分析 西安科技大学硕士学位论文 的应用研究，缺乏对边坡系统进行系统性的研究m 】。 鉴于以上原因，作者利用参与煤炭科学总院西安研究院承担的白音华锡林郭勒三 号露天矿边坡工程地质勘察与稳定性评价课题 2 1 研究的机会，以该露天煤矿非工作帮 复合边坡稳定性问题作为硕士论文研究的课题，采用以f l c a 3 d 数值分析为基础，综合 应用极限平衡法、数值分析法及可靠度分析法，评价该露天煤矿首采区非工作帮复合边 坡的稳定性，并根据对该边坡稳定性的分析研究，总结将数值模拟、极限平衡法及可靠 度分析方法整合应用于边坡稳定性评价的方法及其可行性。 本文以白音华三号露天煤矿非工作帮复合边坡稳定性的研究为例，探讨综合应用极 限平衡法、数值分析和可靠度分析的方法，其成果对促进边坡稳定性评价方法的发展具 有一定的意义。目前，白音华三号露天煤矿才刚刚开始建设，正在进行首采区的采剥。 对非工作帮复合边坡稳定性的评价是该矿目前急需解决的问题。本论文的研究成果对该 矿露天边坡及其它类似边坡工程的初步设计优化，具有一定参考价值。 1 2 边坡稳定性分析方法研究现状 边坡稳定性评价方法大致可以分为两大类，即定性分析方法和定量分析方法。近年 来，一些研究稳定性问题的新方法和新理论运用于边坡稳定性研究中，促进了边坡稳定 性评价方法的新发展。边坡稳定性评价方法也由定性分析向定量分析、定性和定量综合 分析方向发展。 1 2 1 定性分析方法 定性分析主要有自然历史分析法、类比法、专家系统等几种；此外，近年来逐渐发 展起来一些新的边坡稳定性分析方法。例如，灰色关联分析法【6 】等，克服了工程地质类 比分析中主观随意性大的缺点，实现了工程地质类比法从常规定性分析向定量分析的过 渡。 1 2 2 定量分析方法 边坡稳定性分析中的定量分析方法很多，主要有极限平衡分析法、数值分析法，每 种方法近年来也有不同程度的发展。 ( 1 ) 极限平衡分析法涉及的内容主要有两个方面，即确定某一滑裂面的稳定系数和 搜索最危险滑动面。确定某一滑裂面稳定系数的方法主要有瑞典条分法、简化b i s h o p 法、j a n b u 普通条分法、s p e n c e r 法阴、s a r m a 法嗍等。近二十年来，以上常用的极限平 衡分析法主要经历了由二维向三维方向的发展【9 - 1 0 1 ，同时考虑了地下水f l l j 、地震作用等 的影响。尽管条分法有着多种不足，但因其简单而得到最广泛的应用。最危险滑动面搜 索是一个确定边坡稳定性系数极小值的问题，主要方法有直接搜索法、解析法等确定性 2 1 绪论 方法和非数值方法两种，近年来涌现了如模拟退火法、遗传算法、神经网络法和蚂蚁算 法等，发展较快的是弹塑性极限平衡分析法【1 2 彤】、优势面理论分析法【1 4 1 。 ( 2 ) 数值分析方法是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。最常用的数值方 法包括有限单元法、离散单元法、边界单元法，以及近年来新发展起来的块体理论、不 连续变形分析、快速拉格朗日法、流形元法等数值方法。 有限元法克服和弥补经典极限分析法只适用于均质材料等不足，可方便地处理岩体 非均质问题。极限分析有限元法就是采用有限元数值分析方法进行边坡稳定状态的极限 平衡分析。区别于弹塑性极限平衡分析法中以屈服区从坡脚到坡顶的贯通来表征极限平 衡状态的到达，目前，极限分析有限元法采用有限元静力平衡方程组是否有解、有限元 数值计算是否收敛作为土体破坏的依据。目前，已有现成的大型程序和软件可以使用， 如美国的a n s y s 、f l a c 3 d 等，从而扩大了极限分析法的应用范围。有限元分析法应用 越来越广泛。极限分析有限元法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同 时可以考虑地下水、施工过程的影响，可以考虑各种支挡结构与岩土材料的共同作用， 因而具有很大的优越性和应用前景【1 5 以7 】。传统的有限元分析以小变形为基础，但随着岩 土工程的迅速发展和研究工作的不断深入，需要使用大变形理论来解释边坡的一些行为 和现象。但目前国内在边坡大变形有限元分析方面不足，比如专业软件开发不够，一些 大型软件应用领域窄、应用程度低等问题，需要在这方面进行更深入的研科墙】。 离散单元法是一种适用于模拟离散介质的数值方法。离散元法能较好地反映岩块之 间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移，又能计算岩块内部的变形与应力分布，该法对 块状结构、层次破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。 边界元法对于解决无限或半无限域问题特别有效，但在处理材料的非线性、不均匀 性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法，它同样不能求解大变形问题。 f l a c 快速拉格朗日分析法基本原理类同于离散单元法，但它却能象有限元那样适 用于多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解；该方法较有限元方法能更 好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，而且能够模拟岩体沿某一弱面或结构面产生 的滑动变形，求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样，计算边界、单元网格的划分 带有很大的随意性。 近年来数值方法的发展主要为各种数值方法的耦合，如有限单元法和边界单元法， 有限单元法与离散单元法以及边界单元法与离散单元法耦合等。 1 2 3 不确定性分析方法 不确定性分析方法中的概率统计方法事先确定的自变量序列是否齐全，其值是否准 确，或是否能真正反映边坡稳定状况，收集的观测点是否代表性等，许多因素限制分析 结果的准确性，而且其预测结果大多以区间反映的边坡破坏概率表示，也具定性特点【捌。 3 西安科技大学硕士学位论文 国内外边坡稳定性评价理论发展极为迅速，研究成果也很多，但总的发展趋势主要 有以下几个方面： ( 1 ) 分析方法的发展 目前在工程中用于边坡稳定性分析的常规方法很多，把某两种或几种方法综合运用 于边坡稳定性分析之中，有助于相互比较，成为目前评价边坡稳定性的普遍方法及发展 趋势。例如，2 0 0 5 年j i n o hw o n 等人把强度折减法与显式有限差分法耦合应用于边坡稳 定性的研究q b 2 0 。 另外，对如何更接近边坡系统的实际特征，比较准确地确定潜在滑面位置及其形态 等，国内外学者提出了传统方法的很多改进算法。例如，基于改进b p 神经网络算法和 常规s v r 算法的基础上，s c h o l k o p fb 于2 0 0 0 年提出了基于一种改进支持向量机算法 加s v r ) 的边坡稳定性预测方法，直接利用边坡的特征参数快速预测边坡稳定性，为解 决算法中模型选择困难的问题，用留一法设计预测模型，用网格搜索法搜索最优参数【2 l 】。 近年来兴起各种方法耦合，以及由二维分析向三维分析发展成为当今边坡稳定性评 价方法的发展方向。如刚体弹簧元法、流形元法，及各类耦合数值分析方法，如 m o n t e c a r l o 方法、灰色理论统计评别法瞄】、分形分维理论、模糊极值理论、遗传算法、 人工神经网络分析法等统计类比分析法，还有人工智能、非线性能量耗散理论1 2 3 。 全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 、地理信息系统( o i s ) 等三大技术系统与边坡稳定性 研究的基本方法耦合应用，为边坡稳定性分析提供了新的手段 2 4 - 2 5 1 。 传统的边坡稳定分析方法通常采用稳定系数来考虑众多不确定性因素的影响，评价 边坡工程稳定性。然而，稳定系数值只是一个由确定方法得到的一个定值，它不能考虑 设计参数中任何内在的变异性，因而，某一特定的稳定系数值对于不同边坡工程未必具 有同样的意义，其大小也并不能完全表征边坡的安全度 2 6 - 2 8 1 。至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，采用可靠度指标和破坏概率来评 价边坡的安全度。在可靠度法中，蒙特卡洛法、一次二阶矩法、统计矩法和随机有限元 法应用最为广泛。 ( 2 ) 从考虑的边坡稳定性影响因素上来说，从原来注重边坡地貌、岩土体结构、构 造特征，到目前考虑时间、动力、地下水等多种影响因素，以及某两种因素耦合作用下 边坡的稳定状况。为了更实际地反映实际情况，时间、动力、地下水等多因素的耦合成 为新的难点，也成为今后的研究方向。 ( 3 ) 从研究的范围来说，从原来常见的低边坡、结构简单的边坡发展到高边坡、结 构复杂边坡的研究四j 。 ( 4 ) 从应用软件方面来说，大型通用有限元软件比较有名的有m b c 、a n s y s 、 a l g o r 、m a r c 、f l a c 3 d 等，国内也有自主开发的边坡安全评估软件系统，如中国科 学院武汉岩土力学研究所研制的i g i a s ，但相比之下，国内在边坡稳定性评价方面的软 4 1 绪论 一- 一 ii i l _ 鼻 件较欠缺，且不成剿3 0 j 。 综合以上分析，当前边坡稳定性分析的态势是，极限平衡分析法仍是主要的边坡稳 定性分析方法；数值模拟法发展迅速，大有取代极限平衡法之势；可靠度方法，作为一 种非确定性方法，还只是上述两种方法的一种补充和参考。极限平衡法、数值分析及可 靠性分析等方法还未很好的耦合起来，缺乏对边坡系统进行系统性的研究。各种新技术、 新方法、新理论的引入及其与上述方法的藕合是边坡稳定性研究发展的主趋势。 l - 3 白音华三号露天煤矿边坡稳定性研究现状 白音华三号露天煤矿长约1 4 2 5k m ，宽约3 8 0k m ，面积约5 1 0 5k m 2 。首采区平均 开采深度1 8 8m ，可采煤层最大埋深为2 5 0m 左右。 白音华三号露天煤矿首采区开采现状如图1 。1 图1 2 。 图1 1 白音华三号露天煤矿首采区开采现状图 5 西安科技大学硕士学位论文 图1 2 白音华三号露天煤矿表土剥离形成的第2 采坑 该露天煤矿首采区非工作帮部位地表高程约9 9 5 - 1 0 0 0m 左右，平均开采深度约 1 0 0m 。表土剥离方式为水平划分台阶，主台阶高度2 0m ，分台阶高度1 0m ，台阶坡面 角6 5 0 1 2 , 3 , 3 1 ，采掘带宽度6 0m 。开采线距外排土场1 0 0m ，外排土场排弃高度约6 0m 。 该矿自2 0 0 5 年开工建设，目前正处于表土剥离阶段。截止2 0 0 7 年春季，首采区共 形成4 个剥离采坑，表土层最深剥离5 0m 左右，采坑内形成3 - - 5 级采掘台阶。剥离采 坑南侧为外排土场，已形成4 排高1 5 - - 3 0m 的弃土。 该矿首采区南侧非工作帮及外排土场边坡组成一个复合边坡( 图1 3 ) 。该复合边坡自 上而下，分别为弃土、第四系松散层及粉质粘土、新近系棕红色泥岩及煤系地层，总高 度为1 7 0m 左右，属台阶状直线型顺层边坡，岩性为中硬一软岩边坡。目前该边坡尚未 发生明显的滑坡、崩塌、地裂缝及剪切出口面等地质灾害。然而，在弃土场外载、地下 水、人工开挖扰动等多因素影响下，该边坡是否稳定，以及如何较为合理的对其稳定性 加以评价，成为目前该矿业主及有关设计单位急需解决的问题之一【1 。2 j 。 图1 3 典型断面( a - b ) 地质剖面图( 单位：m ) 该露天煤矿于2 0 0 4 年1 1 月进行了资源储量勘探。该矿在设计及前期施工阶段没有 对采场帮坡及排土场边坡进行过专项工程地质勘察。本文依托煤炭科学总院西安研究院 承担的白音华锡林郭勒三号露天矿边坡工程地质勘察与稳定性评价课题，重点研究 6 1 绪论 该矿首采区非工作帮复合边坡稳定性。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 本论文主要有以下几方面的研究内容： ( 1 ) 边坡岩土体结构类型和主要力学参数随深度变化规律分析：根据野外调研及收 集的试验数据，分析本文所研究边坡的岩土体结构类型，以及该边坡白垩系煤系主要力 学参数随深度的变化规律。 ( 2 ) 边坡稳定性影响因素分析：采用定性和定量的方法研究该边坡稳定性影响因素， 分析岩性、岩体结构面、地下水、边坡形态、外载等因素对该边坡稳定性的影响机理和 影响程度；在不改变边坡设计形态、地层分布、外载等情况下，分析内摩擦角、粘聚力、 重度、地下水位四种参数对该边坡稳定性的敏感度。 ( 3 ) 边坡稳定性的数值模拟分析：研究在考虑开挖( 包括不考虑地下水、流固耦合等 不同工况条件) 、外排土场分步加载等多因素影响下，按设计形成的非工作帮复合边坡 的应力应变等力学行为、潜在破坏模式、稳定系数，以及潜在滑面的分布。 ( 4 ) 边坡稳定性的极限平衡法分析：采用极限平衡法，研究数值模拟所确定潜在滑 面位置的准确性，计算边坡最危险滑面和指定滑面的稳定系数，并与f l a c 3 d 强度折减 法取得的稳定系数作以对比，以稳定系数为指标评价边坡稳定性。 ( 5 ) 边坡稳定性的可靠度分析：根据一次二阶矩可靠度分析原理，分析边坡最危险 滑面和指定滑面的可靠度和破坏概率，即采用以数值模拟和极限平衡法为基础的可靠度 分析方法，研究边坡整体可靠度和局部可靠度，以破坏概率为指标评价边坡稳定性。 ( 6 ) 边坡稳定性的综合分析：对比前面采用数值模拟、极限平衡法及可靠度分析取 得的结论，综合评价白音华三号露天煤矿非工作帮边坡稳定性。 通过本文对露天煤矿边坡稳定性的分析，总结数值模拟、极限平衡法及可靠度分析 方法综合应用于边坡稳定性分析的方法。 1 4 2 技术路线 作者利用参与该工程野外数据、室内数据收集和整理的基础，以f l a c 3 d 数值模拟 为基础，将f l a c 3 d 数值模拟、极限平衡法及可靠度分析整合应用于白音华三号露天煤 矿首采区非工作帮边坡稳定性分析研究，其技术路线如图1 4 。 主要步骤为： ( 1 ) 根据岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 的要求，对收集的岩土物理力学性 质试验数据进行统计，分析边坡岩土体结构类型，并根据霍克布朗经验强度准则及类 7 西安科技大学硕士学位论文 似工程经验确定边坡岩( 土) 体物理力学性质指标计算值。 图1 4 边坡稳定性分析技术路线 ( 2 ) 采用工程地质分析、多因素敏感性正交分析方法，研究边坡稳定性影响因素， 建立边坡工程地质简化模型。 ( 3 ) 采用v c 语言或f l a c 3 d 自带的f i s h 语言编程，利用a u t o c a d 、s u r f e r 、a n s y s 等软件的优点，完成f l a c 3 d 三维数值模型的构建。采用f l a c 3 d 数值模拟及强度折减 法，在不考虑地下水的静力平衡条件和流固耦合条件下，研究在考虑分步开挖、外排土 场分步加载等多因素影响下，按原设计形成的非工作帮最终复合边坡的应力应变等力 学行为、潜在破坏模式、稳定系数，以及根据位移场、剪应力增量场形态确定边坡潜在 破坏面。 8 1 绪论 ( 4 ) 利用“理正边坡稳定一分析“软件理正岩土计算5 3 版 ( 以下简称为“理正软 件 ) ，采用简化b i s h o p 法和j a n b u 法进行最危险滑面的自动搜索，验证数值模拟确定 的潜在滑面位置。在此基础上，计算最危险滑面和指定滑面的稳定系数，并对比f l a c m 强度折减法取得的稳定系数，以稳定系数为指标评价边坡稳定性。 ( 5 ) 以f l a c 3 d 数值模拟和极限平衡法确定的潜在滑面为指定滑面，采用极限平衡 法计算的稳定系数为指标，根据一次二阶矩法可靠度分析原理，进行自定义破坏面模式 下的边坡可靠度分析，取得边坡整体破坏概率和局部破坏概率，以破坏概率为指标评价 边坡稳定性。 ( 5 ) 对比分析以上结论，综合评价白音华三号露天煤矿非工作帮边坡稳定性。分析 采用数值模拟、极限平衡法及可靠度分析方法综合评价边坡稳定性，可提高评价结论的 可信度，总结将f l a c 如数值模拟、极限平衡法及可靠度分析整合应用于边坡稳定性分 析的方法。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 工程地质概况和物理力学性质分析 白音华露天煤矿位于位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗境内，己探明储量 1 4 0 7 亿吨，是内蒙古自治区十大煤田之一。其中，白音华三号露天矿位于煤田中部， 距西乌旗巴彦乌拉镇9 1k m 。地理坐标：东经：1 1 8 0 2 2 1 5 1 1 8 0 3 6 1 5 ”，北纬：4 4 0 5 0 4 5 4 4 0 5 6 3 0 ”。煤田呈北东一西南方向展布，三号露天矿与煤田展布一致，其长约1 4 2 5k m ， 宽约3 8 0k m ，面积约5 1 0 5k m 2 【2 , 3 , 3 1 】。 矿区平面位置及交通图见2 1 。 图2 1 研究区交通位置图 1 0 2 工程地质概况和物理力学性质分析 2 1 工程地质和水文地质条件 2 1 1 自然地理概况 该矿区属丘陵低山区，剥蚀堆积地形冲洪积平原，标高9 7 6 1 0 - - - 1 1 0 0 9 0m ，相对高 差1 2 4 8m ，煤田内地形平缓。矿区降水情况为：1 9 7 1 年 - - 2 0 0 0 年间，年平均降水量3 4 5 9 m m ，年平均蒸发量1 7 6 9 0m i l l 。每年的六、七、八三个月为雨季，占全年降水量的6 8 。 研究区内发育有彦吉嘎、高力罕两条老年期季节性内陆河流，水量不大，最低侵蚀基准 面标高1 0 0 3m 。由于两条河均距研究区较远，不会对研究对象造成迳向补给。 根据国家地震局1 9 9 0 年中国地震烈度区划图，研究区地震基本烈度为度区， 地震震动峰值加速度为0 0 5g 。根据勘察资料【3 3 1 1 ，研究边坡按中软土类、基本烈度为 度区进行设防。 2 1 2 工程地质条件 研究区位于二连坳陷东端乌尼特断陷带的东北端一白音华断陷之内，其地层平缓， 构造简单，根据资料【3 3 1 】虽然发现7 个次级褶曲，但对露天矿开发不会产生大的影响， 该矿首采区非工作帮可不考虑断层的影响。 该矿首采区非工作帮地层自上而下有：第四系更新统和全新统，新近系上新统，白 垩系下统，侏罗系上统。含煤地层为白垩系下统。典型钻孔地质柱状图见图2 2 ( 钻孔位 置如图1 1 、图1 3 ) 。岩性自上而下分别为： ( 1 ) 第四系( q ) 分布有更新统、全新统的第四系松散层，岩性为： 更新统( q p ) ：下部为冲洪积砾石层，中部为灰色湖滨冲积砂砾层，上部为黄褐色古 阶地冲积砂砾层。 全新统( q b ) ：下部为褐黄色、灰色冲积、风积、残坡积砂土、砾石层组成，中部为 风积沙，上部为褐色、灰色冲积、湖积砂砾、砂土、淤泥层。 ( 2 ) 新近系 主要为上新统( n 2 ) 杂色碎屑岩，灰色、棕红色砂砾岩、泥岩或粘土。 ( 3 ) 白垩系( k ) 主要为下白垩统白音华组( k i b ) ，为一套河流、湖沼相沉积的含煤、含油碎屑岩系， 不整合覆于上侏罗统( j 3 ) 之上。主要岩性为： 下部为深灰、褐、棕褐色粉砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩与深灰、灰绿色泥岩互层。 中下部以深灰、黑灰色泥岩为主，夹有浅灰、褐色泥岩和粉砂岩。泥岩质纯、细腻、 性脆；粉砂岩富含泥质。本段以色深、含油为特征。 西安科技大学硕士学位论文 成因 层底层 岩芯 深度 厚 柱状图 岩土名称及性质描述 采取率 年代 ( m )( m ) n 2囊 粘土，棕红色，土质致密，含少量氧化铁、锰质斑点 6 5 06 5 0 9 5 二弋砂质泥岩，灰黄色，泥质结构，薄层构造 2 0 8 01 4 3 9 8 5 2 1 5 00 7 0 煤层，深黑色，碎块结构，薄层构造，易碎 8 5 。2 泥质砂岩，浅灰色，颗粒结构，泥质胶结，质软。 2 4 8 03 39 5 3 煤层，深黑色，碎块结构，薄层构造，质软。 2 6 o o1 2 0 8 0 8 砂质泥岩，浅灰色，泥质结构，碎块构造，质较硬。 2 9 4 03 4 0 9 8 1 砂质泥岩和粗砂岩互层，浅灰色，中硬至硬，泥质结 构或颗粒结构。 3 23 2 6 09 1 2 砂质泥岩，浅灰色，泥质结构，薄层构造，质较硬。 9 0 3 3 6 5 03 9 0 粗砂岩，浅灰色，颗粒结构，碎块构造。 9 2 3 8 7 02 2 0 二一二 砂质泥岩或炭质泥岩，浅灰至黑色，泥质结构 9 2 4 3 5 04 8 细砂岩，浅灰色，颗粒结构，其矿物成分以长石、石 英为主 9 2 44 6 2 02 7 0 煤层，深黑色，碎块结构，薄层构造，易破碎。 3 4 0 7 0 1 4 9 6 0 砂质泥岩，浅灰色，泥质结构。 5 1 6 02 0 0 l9 0 5 琳医诛罴岜，评扶葡倒，碍后俐疆，贝议吸，1 、勿暇 5 3 1 01 5 0 碎。 9 0 , m 1 孤! 生- t c 五置。- 毫。n 古dr + - l ：苦略 * 肚士t ，1 - 5 4 5 01 4 0 l o o 泥质砂岩，灰绿色，刀刻中硬，颗粒结构，泥质胶结 5 7 6 03 1 09 5 2 化石，沭厌巴j 刑幔，珊，贝绢俐，碍艋俐礓 i 立目j # ，业 k b 2 4 0g o6 0 。0 0 2 5 0 9 1 2 6 2 5 0 二s 乏 泥岩，线灰色，抛厦结构，质孜馒，j 剖小易，局邵 ，r q 丘 1 m 、幽i 筮巴 6 9 0 06 5 - 9 l 泥质砂岩，浅灰色，刀刻硬，泥质胶结，刀削不易。孑过 1 0 5 0 036984 2 工程地质概况和物理力学性质分析 中部为灰深灰色粉砂岩、泥岩、细砂岩及灰白、浅灰色砂砾岩、粗砂岩，含煤层。 泥岩页理发育，厚度变化大，巨厚煤层和粉砂岩互层，夹薄层中粗砂岩或泥岩，为研究 区重要含煤层位。 中上部以灰白、灰、深灰色泥岩、粉砂岩为主，局部为灰色砂砾岩或粗砂岩，泥岩 和粉砂岩中富含碳屑或夹煤线及碳质泥岩。 上部以浅灰、灰白灰绿色砂砾岩、中粗砂岩为主，夹细砂岩、粉砂岩和泥岩，局 部中粗砂岩及细砂岩互层，砂砾岩成分复杂，胶结疏松，固结程度低。 ( 4 ) 侏罗系( j ) 主要为上侏罗统( j 3 ) ，为一套火山熔岩夹火山碎屑岩及河流相沉积岩，大面积出露 于盆地外围。可分为上、中、下三部。下部为以凝灰质砂砾岩、晶屑凝灰岩、角砾岩为 主的火山