（采矿工程专业论文）露井联合开采作用边坡损害机理及控制研究.pdf

w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y d i s s e r t a t i o nf o rp h d d e g r e e s t u d y o nt h ed a m a g em e c h a n i s mt os l o p ew i t ht h e c o mb i n a t i o no fu n d e r g r o u n dm i n i n ga n do p e n p i tm i n i n g b y r e ng a o f e n g s u p e r v i s e db yp r o f z h a n gs h i x i o n g a t s c h o o lo fr e s o u r c e sa n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g w u h a n u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y o c t o b e r , 2 0 1 0 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构学位证书而使用过的材 料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 勉埠 e l 期：堡! 竺! ! ：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规 定，即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蚴鲁师签名：j j 衅日期：翌! 竺! ! ：三。 。 摘要 露井联合开采时，采动效应会叠加，露天边坡会受到数个应力场作用，在复 合采动影响下的边坡岩体的滑移机制与变形规律更加复杂。井工开采引起的露天 边坡滑塌、一地表塌陷、排土场滑坡等灾害事故频繁发生，增加了露天边坡及排土 场的维护费用，带来巨大经济损失并影响矿山的生产安全。因此，必须研究露井 联合开采作用边坡损害机理及其稳定性控制技术。本文以平朔煤炭工业公司安太 堡矿不采区露并联合开采为工程背景，综合采用理论分析、现场地质调查与试验、 岩层变形监测、室内数值计算等方法与手段，探讨露井联合开采作用下的边坡损 害机理及其稳定性控制技术。论文的主要研究成果有： ( 1 ) 观察到露并联合开采作用边坡的损害具有时空效应。在两种采动效应 的联合作用下，边坡岩体出现两种典型的滑动现象，一为岩体沿坡面下滑，二为 岩体向深部采空区移动。在井工开采初期，边坡岩体发生向边坡倾向方向的位移， 位移速率较大；随着采空区覆岩垮落并充填采空区，边坡岩体位移以向采空区方 向变形为主，且随着井工开采工作面的远离而逐步停止。 ( 2 ) 露井联合开采条件下采动边坡的位移量及位移速率明显增大，边坡岩 体变形特征主要表现出地下采动变形的特点。 ( 3 ) 随着露天边坡和井工采空区空间位置关系的不同，以及边坡倾向与井 工矿开采方向的变化，边坡位移范围及大小表现出较大差异。当井下采取“逆坡 开采”时，边坡前期表现为向边坡临空面侧的“倾倒”变形，后期逐渐转为向坡 体内的井下采空区的沉陷位移；当井下采取“顺坡开采”时，边坡上部岩体以采 空沉陷位移为主，坡脚的保安矿柱整体向抗力较小的临空面移动；当井下采取侧 向切坡开采时，边坡整体向临空面侧位移，地表移动盆地呈非对称分布，边坡 坡脚表现出鼓胀变形特征。 ( 4 ) 露天边坡下井工矿存在复合采动时，浅部矿体开采所形成的冒落带、 断裂带、弯曲带首先发展至露天边坡；而深部矿体开采所形成的“三带 又会对 该区域重新扰动。对于浅部矿体开采所形成的采空区必须及时处理，防止二次扰 动时出现复合采动覆岩的瞬间垮塌而形成较大冲击矿压灾害影响露天边坡稳定。 ( 5 ) 露井联合开采作用边坡，可从多方面考虑提高其稳定性，如留设足够 宽度的保安矿柱以承受井采过程中所形成的偏压；二是进行边坡上部的削坡减载 以减小偏压，减缓坡脚保安矿柱中的应力集中：三是坡脚的压脚回填，有利于增 加边坡抗滑力；四是对于边坡表层出现的采动裂隙，及时填平压实，避免雨水下 渗，影响边坡稳定。 ( 6 ) 在了解露井联合开采作用边坡损害机理的基础上，综合考虑矿山开采 废石运输功最小化、矿山开采环境影响最小化，提出了露井联合开采作用边坡稳 定性控制快速护坡与生态恢复新技术。 关键词：露井联合开采，采动损害，采动动力灾害，排土护坡，岩层移动与控制 a b s t r a c t i nt h ec o n d i t i o no fu n d e r g r o u n dm i n i n gc o m b i n e dw i t ho p e n - p i tm i n i n g ，m i n i n g e f f e c tw i l lh es u p e r p o s e d m i n i n gs l o p ew i l lr e c e i v es e v e r a li n d u c e ds t r e s sf i e l d sa n d t h es l i d i n gm e c h a n i s ma n dd e f o r m a t i o nl a wo fs l o p er o c km a s sw i l lb em o r e c o m p l i c a t e d f r e q u e n to c c u r r e n c eo f a c c i d e n t so fo p e np i ts l o p ec o l l a p s ea n ds u r f a c e s u b s i d e n c e ，l a n d s l i d e sa n do t h e rd i s a s t e r sd u m pc a u s e db yu n d e r g r o u n dm i n i n g l e a d i n gt oa ni n c r e a s eo ft h eo p e ns l o p ea n dd u m pm a i n t e n a n c ec o s t s ，b r o u g h ta b o u t h u g ee c o n o m i cl o s s e s ，w h a t sm o r e ，t h ed i r e c ti m p a c to nm i n es a f e t yp r o d u c t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho ns l o p ed a m a g em e c h a n i s ma n dc o n t r o lt e c h n o l o g yu n d e r t h ec o m b i n a t i o n a la c t i o no ft w om i n i n ga p p r o a c h e si sn e c e s s a r y t h i sp a p e r , t a k i n g p i n g s h u oc o a li n d u s t r yc o r p o r a t i o na n t a i b a on o tm i n i n gd i s t r i c to f c o m b i n e dm i n i n g a se n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d , a d o p t sm e t h o d sa n dm e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i e l d g e o l o g i c a ls u r v e ya n di e s tp i ta n du n d e r g r o u n dm i n i n ge f f e c to fs l o p ea n dr o c km i n i n g d a m a g er e l a t e dt od e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g ，i n d o o rn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nt oe x p l o r e t h er o l eo fo p e np i ta n du n d e r g r o u n dm i n i n gs l o p ed a m a g em e c h a n i s ma n dt h e t e c h n o l o g yo fs l o p es t a b i l i t yc o n t r 0 1 t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e ( 1 ) t h ed a m a g em e c h a n i s mo fs l o p es h o w st i m e a n d - s p a c ee f f e c t su n d e r c i r c u m s t a n c e si nw h i c hb o t hu n d e r g r o u n dm i n i n ga n do p e n - p i tm i n i n ga r ee m p l o y e d , a n ds l o p em a s sw i l le m e r g et w ot y p i c a ls l i d i n gp h e n o m e n o nw i t hj o i n te f f e c t s ：t h eo n e i sr o c km a s ss l i d i n ga l o n gt h es l o p e ，a n dt h eo t h e rd r o p i n gt ot h ed e e pm i n i n gg o b r o c km a s sw i l lp r o d u c et h eo v e r a l ld i s p l a c e m e n ta l o n gs l o p ei n c l i n a t i o nw i t ha r e l a t i v eh i i g hr a t ei nt h ee a r l yp e r i o do fu n d e r g r o u n dm i n i n g h o w e v e r , t h em o v e m e n t w i l lg r a d u a l l yt e n dt ob es t a b l ew i t ho v e r b u r d e nr o c kc a v i n ga n df i l l i n gi n t om i n i n g g o b ( 2 ) d i s p l a c e m e n ta n dm o v e m e n tr a t eo fs l o p em a s si n c r e a s e so b v i o u s l yi nt h e s i t u a t i o no fj o i n te f f e c tt h a nt h a ts i n g l eo p e n p i tm i n i n g , a n ds l o p em o v e m e n ti n c o m b i n a t i o n a lm i n i n gm a i n l ye x h i b i t sa st h ed e f o r m a t i o nc a u s e db yu n d e r g r o u n d m i n i n g ( 3 ) s l o p ed i s p l a c e m e n tr a n g ea n ds i z es h o w sq u i t ed i f f e r e n c ea s s o c i a t e dw i t h d i f f e r e n ts p a t i a lr e l a t i o n sh e t w e e no p e np i ts l o p ea n dm i n i n gg o ba n dd i r e c t i o no f s l o p ei n c l i n a t i o na n dm i n i n ge x p l o i t a t i o n i nt h ec o n d i t i o no fr e v e r s es l o p em i n i n g , s l o p em a s sd u m p st o f r e ef a c ei ne a r l y s t a g ea n d t h e ng r a d u a l l yt u r nt os u b s i d e n c e m o v e m e n ti n s i d es l o p e w h i l ed o w n s l o p em i n i n g ，r o c km a s sa tt h et o po fs l o p e m m a i n l yc o n d u c t ss u b s i d e n c ed i s p l a c e m e n tt og o b ，a n ds e c u r i t ym i n i n gp i l l a r sa tt h e f o o tm o v et ol e s sr e s i s t a n c ef l e e s u r f a c e a n di nt h es i t u a t i o no fl a t e r a lc u ts l o p e m i n i n g ，s l o p em a k e st h ew h o l em o v e m e n tt oi t sf r e e - f a c e s u r f a c em o v e m e n tb a s i n a p p e a r sn o n s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i o na n ds l o p ef o o tp r e s e n t sb u l g i n gd e f o r m a t i o n ( 4 ) u n d e rt h ec o m p l e xm i n i n gc o n d i t i o n ，c a v i n gz o n e ，f a u l tz o n ea n db e n d i n g z o n ec a u s e db ys h a l l o wo r eb o d ym i n i n gd e v e l o pt op i ts l o p ef i r s t l y , a n dt h e nt h e t h r e ez o n e s ”i nd e e po r em i n i n gw i l le f f e c to nt h ea r e a t h e r e f o r em e a s u r e sa n d s o l u t i o n ss h o u l db ed o n ei nt i m et od e a lw i t ht h es h a l l o wm i n i n gg o bt op r e v e n tl a r g e r o c k - b u r s td i s a s t e rc a u s e db ys u d d e nc o l l a p s eo fo v e r l y i n gs t r a t ad u et os e c o n d d i s t u r b a n t e ( 5 ) t h e r e 玳m a n yd i f f e r e n tp e r s p e c t i v e st oi m p r o v es l o p es t a b i l i t yi nt h e c o n d i t i o no fc o m b i n a t i o n a lm i n i n g f h s t l y ，a d e q u a t ew i d t hs e c u r i t yp i l l a rs h o u l db e p r o v i d e di na d v a n c et ow i t h s t a n db i a sf o r m e dd u r i n gu n d e r g r o u n dm i n i n g ；t h es e c o n d i st oc u ts o m et o po fs l o p et or e d u c et h eb i a sl o a ds h e d d i n gt om i t i g a t es t r e s s c o n c e n t r a t i o no ft h es e c u r i t yp i l l a r sa tt h ef o o t ；t h i r d l y , f i l l i n gb a c ko ff o o ts l o p ec a n h e l pt oi n c r e a s es k i d - r e s i s t a n c e ；f o u r t h , s u r f a c ec r a c k sa p p e a r i n go ns l o p es h o u l db e f i l l e dc o m p a c t i o nt oa v o i dr a i n w a t e rs e e p i n gd o w na n dt h ei n f l u e n c et os l o p e ( 6 ) s l o p es t a b i l i t y c o n t r o la n ds l o p em a i n t a i n i n gq u i c k l ya n de c o l o g i c a l r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g ya r cp r o p o s e du n d e rc o n d i t i o no fo p e n - p i tm i n i n gc o m b i n e d w i t h u n d e r g r o u n dm i n i n gb a s e do nu n d e r s t a n d i n gs l o p ed a m a g em e c h a n i s m ， c o n s i d e r i n gm i n i m i z et r a n s p o r tw o r ko fg o a fa n dm i n i m i z ee n v i r o n m e n t a li m p a c t so f m i n i n g k e y w o r d s ：c o m b i n a t i o no fu n d e r g r o u n da n do p e n - p i tm i n i n g , m i n i n gd a m a g e , m i n i n gd y n a m i cd i s a s t e r , d u m p i n g a n ds l o p e m a i n t a i n i n g ，r o c k m o v e m e n ta n dc o n t r o i i v 摘要 a b s t r a c t 第1 章绪论 目录 i 1 1 引言l 1 2 研究意义2 1 3 国内外研究现状一2 1 3 1 露天边坡稳定性问题2 1 3 2 井工开采地表岩体变形问题4 1 3 3 露井采作用下边坡岩体损害规律及稳定性评价4 1 3 4 边坡稳定性监测及预警预报6 1 3 5 存在的主要问题7 1 4 论文的主要研究内容8 第2 章露井联合开采作用边坡损害机理分析 2 1 弓l 言9 2 2 单一露天开采边坡破坏。9 2 3 井工开采对边坡稳定性影响分析1 l 2 3 1 岩体强度的降低对边坡稳定性的影响。l l 2 3 2 应力场的变化对边坡稳定性的影响。1 2 2 3 3 地表形态及裂隙对边坡稳定性的影响1 2 2 3 4 水文地质条件的改变对边坡稳定性的影响一1 2 2 4 露并联合开采作用边坡损害机理分析1 2 2 5 本章小结1 5 第3 章矿区边坡破坏模式分析与稳定性评价 1 6 3 1 引言16 3 2 矿区概况l6 3 2 1 矿区范围及开拓1 7 3 2 2 不采区露天矿边坡设计参数19 3 2 3 不采区井采工作面布置及开采情况1 9 3 2 4 采矿方法1 9 3 2 5 研究区岩土体物理力学参数2 0 3 3 矿区露天矿边坡工程地质分区( 段) 。2 2 3 4 联合开采条件下边坡稳定性评价方法研究2 6 3 5 安全储备系数的确定2 7 v 3 6 南帮( i 段) 边坡稳定性评价。2 8 3 6 1 开采条件下边坡稳定性分析评价2 8 3 6 2 露井联合开采条件下边坡稳定性分析评价2 9 3 7 不采区西北角( i i 段) 边坡稳定性评价。3 0 3 8 安太堡矿东帮( ) 边坡稳定性评价。3 1 3 8 1 单一露天开采条件下边坡稳定性分析评价3 2 3 8 2 露井联合开采条件下边坡稳定性分析评价。3 2 3 9 井工矿井口( i v 段) 边坡稳定性评价3 3 3 1 0 安家岭北帮边坡西段( v 段) 稳定性评价3 5 3 1 0 1 单一露天开采条件下边坡稳定性分析评价。3 6 3 1 0 2 露井联合开采条件下边坡稳定性分析评价3 7 3 1 l 安家岭北帮滑坡区( 段) 稳定性评价。3 7 3 1 1 1 滑坡区工程地质条件及水文地质条件3 8 3 11 2 滑坡变形特征3 9 3 1 1 3 滑坡的成因分析4 0 3 1 1 4 滑坡区稳定性分析4 l 3 1 2 安家岭北帮边坡东段( 段) 稳定性分析4 2 3 1 3 本章小结4 5 第4 章矿区边坡变形与岩层移动规律的综合监测 4 1 弓i 言4 7 4 2 监测方法及精度4 7 4 2 1 地表位移监测方法4 7 4 2 2g p s 快速静态观测的精度评定4 8 4 2 3 岩土体深层位移监测5 2 4 3 监测点的布置5 3 4 4 监测周期及频率_ 。5 3 4 5 边坡变形监测资料的处理5 3 4 6 边坡位移监测成果分析5 4 4 6 1 安太堡南帮( i 段) 边坡位移监测成果分析5 4 4 6 2 不采区西北角( i i 段) 边坡位移监测成果分析。5 7 4 6 3 安太堡东帮( 段) 边坡位移监测成果分析5 8 4 6 4 井工矿井口( i v 段) 边坡位移监测成果分析。6 5 4 6 5 安家岭北帮西段( v 段) 边坡位移监测成果分析6 8 4 6 6 安家岭北帮滑坡( 段) 区位移监测成果分析。7 4 4 6 7 安家岭北帮东段( 段) 边坡位移监测成果分析7 9 v i 4 7 本章小结。8 3 第5 章露井联合开采作用边坡损害机理数值模拟分析 8 4 5 1 引言8 4 5 2 安太堡南帮边坡复合应力场及位移场数值模拟分析8 5 5 2 1 一模型的建立。8 5 5 2 2 单一露天开采条件下模拟成果分析8 6 5 2 3 露井联合开采条件下模拟成果分析8 7 5 3 安太堡东帮边坡复合应力场及位移场数值模拟分析9 l 5 3 1 模型的建立。9 l 5 3 2 单一露天开采条件下模拟成果分析9 l 5 3 3 露井联合开采条件下模拟成果分析9 2 5 4 安家岭北帮边坡复合应力场及位移场数值模拟分析9 6 5 4 1 模型的建立。9 6 5 4 2 单一露天开采条件下模拟成果分析9 7 5 4 34 撑煤井采条件下模拟成果分析9 8 5 4 49 撑煤井采条件下模拟成果分析。1 0 0 5 5 本章小结。10 3 第6 章露井联合开采作用边坡控制技术研究。 1 0 5 6 1 弓l 言10 5 6 2 露并联合开采作用边坡预测预报研究1 0 5 6 2 1 边坡失稳预测预报的主要内容。1 0 5 6 2 2 边坡失稳预测预报方法研究10 6 6 2 3 露井联合开采作用边坡变形及稳定性的时空效应分析1 1 1 6 3 露井联合开采作用边坡的快速护坡与生态恢复技术研究1 1 2 6 3 1 新技术提出背景1l2 6 3 2 新技术工艺环节113 6 3 3 新技术可行性分析115 6 4 本章小结。1 1 6 第7 章结论与展望 7 1 结论。118 7 2 展望。119 参考文献 攻读博士学位期间发表论文及获得科研成果。 致 谢 v 1 2 1 1 2 8 1 3 0 武汉理工大学博士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 矿业与人类生存、社会进步密不可分，高效、安全、和谐地开发矿产资源是 社会主义现代化建设的基本要求。我国是一个矿业大国，9 5 以上的一次能源、 8 0 的工业原料、7 0 以上的农业原料都来自于矿产资源。国民经济的快速发展 离不开矿产资源的大量开发，矿产资源在带给人类巨大财富的同时，也带来了一 系列生态问题、地质灾害问题l l j 。 在我国，滑坡是一种常见的地质灾害，每年因滑坡所造成的经济损失在1 0 0 亿元以上。国内专家、学者近年来围绕高速公路边坡工程问题、单一露天边坡稳 定性控制以及大型水电站边坡建设所带来的滑坡问题开展了一系列针对性研究， 在雨水渗流、露天矿边坡合理形状以及库区水位波动所带来的边坡稳定性影响方 面取得了大量应用性成果【2 卅。然而，有关露井联合开采作用边坡失稳及山体滑 坡方面的研究却存在着理论落后于实践的尴尬局面。由于采动动力灾害所造成的 边坡损害已成为采矿界所必须面对的新问题。在我国，西部矿区所面临的露井联 合开采作用边坡损害问题尤为突出，随着国家西部大开发政策的进一步推进，大 范围矿产资源开采将使得原本就很脆弱的西部地区生态环境问题更加恶化p j 。比 如攀枝花小宝鼎煤矿因开采急倾斜多煤层引起矿体顶板沿软弱结构面发生滑动， 导致上覆山体发生大面积滑坡损坏风井事故1 6 j ；19 8 0 年，湖北远安县盐池河磷矿， 曾因在高陡边坡下采矿引起岩体崩塌，瞬间掩埋了矿山建筑群，使2 8 3 人不幸遇 难1 7 ：1 9 8 2 年，陕西韩城电厂因邻近的韩城煤矿采空区塌陷，引起电厂地面持续 数年隆起变形，使电厂厂房及邻近建筑物产生不同程度破坏哺】；1 9 9 1 年，由于露 并联合开采造成金华山煤矿西侧露天边坡发生大面积崩塌性滑坡，使得附近西应 村被淹没，摧毁大量农田【9 】；三峡水库库首段的链子崖危岩体，也是因明清年间 在边坡下采煤引起高陡边坡岩体多处拉裂，形成著名的危岩体【l o 】露天边坡下 的露井联合开采导致的边坡失稳问题已严重威胁矿区人民生命财产安全，给农 业、交通、经济、环境等带来了一系列需要正视并解决的问题。因此，对露井联 合开采作用边坡损害机理及其稳定性控制技术展开研究十分必要。论文研究成果 及研究方法可供露井联合开采矿山的安全、高效生产提供借鉴。 武汉理工大学博士学位论文 1 2 研究意义 露井联合开采作用边坡岩体移动及变形问题是近年来许多学者关注的重要 课题u 。该课题之所以引起重视，主要的原因在于露天边坡变形不仅仅影响露天 矿山本身的安全，而且严重影响露天坑。田边的工业厂房的安全。露井联合开采与 单一开采方式相比，存在着两种开采方式之间相互影响问题，如井工开采引起露 天边坡滑塌、地表塌陷、排土场滑坡等灾害事故频繁发生。在保证矿山生产安全 的前提下，露天矿山与井工矿山如可以协调配合，可进一步提高矿山生产能力。 因此，开展露井联合开采作用边坡损害机理及其稳定性控制技术研究，可为我国 露井联合开采技术的完善提供技术保障。 露井联合开采模式早已被采矿界所采用，在一些非煤矿山得到了较好的应用 1 2 - 1 习，如张世雄教授课题组在武钢大冶铁矿完成的“大冶铁矿高陡边坡深凹露天 矿转地下开采技术研究 【1 6 j 项目，发现露天坑的回填废石有利于边坡与地下巷 道保持稳定，回填废石可在一定程度上削弱地下采矿生产爆破地震波对露天边坡 岩体稳定性的影响。在我国煤炭界，露井联合开采模式的使用较少见。上世纪 6 0 年代，我国的抚顺矿区曾尝试使用露井联合开采模式【1 7 1 。该矿区为倾斜煤层， 在这种埋深浅、顶板硬、煤层硬的条件下采用露井联合开采模式甚为少见。因此， 开展露井联合开采作用下的边坡损害机理及其控制技术研究，可进一步丰富固体 矿物资源开采理论，为矿产资源由粗放式开采走向精细化开采提供依据。 煤炭科技工作者对建筑物下、水体下及铁路下采煤( 即“三下 采煤) 进行 了几十年的研究，取得了丰硕成果，并颁布了相应的行业规程【l 嘲。但在理论上 和实践上都需要不断改进和完善，其中有不少理论与技术还处于探索、研究和试 验阶段。而对于露天边坡下采煤，因其复杂性和多样性，至今还没有相应的规程、 规定。露天边坡下采煤，一方面涉及到井工开采采动影响下的边坡稳定性分析评 价问题，另一方面涉及大量煤炭资源回收、环境影响的评价及保护问题，是当今 中国采矿界既紧迫又重大的课题。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 露天边坡稳定性问题 露天边坡是在矿床开采过程中人工形成的，是矿山生产活动中最基本的地质 环境之一，也是矿山开采中最常见的工程形式。作为全球性三大地质灾害( 地震、 洪水、崩塌滑坡泥石流) 之一的边坡失稳严重危及国家财产和人们的生命安全。 各类边坡稳定性受到多种因素的影响，主要有岩性、岩体结构及地质构造、水文 2 武汉理工大学博士学位论文 地质条件、地形地貌、地震及人类工程活动等。 边坡的破坏形式主要表现为崩塌和滑坡。崩塌是整个岩土体块脱离母体，突 然从较陡的边坡上崩落、翻转、跳跃、堆落在坡脚，规模巨大的称为山崩，规模 较小的称为塌方；滑坡是边坡部分岩土体在重力作用下，沿一定的软弱面，缓慢 地整体向下移动，具有蠕动变形、滑动破坏和渐趋稳定三个阶段，有时也具有高 速急剧移动现象。 当前，边坡稳定性评价方法是从单一向多元化发展，常见的有：自然历史分 析法、力学计算法、图解法、工程地质类比法、数值分析法和模型试验法。 极限平衡法作为最简单、最基本的方法在工程中有着广泛的应用范围，很多 工程的设计依据基于极限平衡法口7 1 。瑞典人k p e t t e r s o n 最早在1 9 1 5 年提出了瑞 典条分法；f e l l e n n i u s 等人于19 2 7 年在此基础上提出了普通条分法，普通条分法 将边坡滑动面假设为圆弧形，满足力矩平衡，但不满足力平衡条件【2 3 】；b i s h o p 于1 9 5 5 年提出了修正的条分法，该方法也假设边坡滑动面为圆弧形，它满足力 矩平衡条件和垂直方向的力平衡条件，但不满足水平方向的力平衡条件；j u n b u 于1 9 5 7 年提出了更精细的条分法，适应于任意形状的边坡滑动面【2 9 1 ；h o e k 于 1 9 7 4 年提出了边坡楔形体分析方法，假定各滑动面均为平面，用各滑动面总抗 滑力与楔体总下滑力之比来确定安全系数；r e v i l l a 和c a s t i l l o 于1 9 7 7 年提出了剩 余推力法；s a r m a 于1 9 7 9 年提出了“非垂直条分法一，该方法认为除平面和圆弧 面外，滑动体必须先破裂成块体后才能滑动。剩余推力法和s a r m a 法在岩质边坡 的稳定性分析中得到了广泛的应用【3 0 j 。 基于计算机技术的数值模拟方法将岩土体看成受力变形体，可以有效地模拟 材料内部的应力和应变规律，能够处理材料的非均质、各向异性以及复杂的边界 条件，可以有效地模拟出边坡岩体内的应力分布、塑性区的范围和位移场分布等。 数值模拟技术使得定量评价边坡稳定性问题成为了可能。有限单元法广泛应用于 研究边坡稳定问题始于上世纪6 0 年代。随后相继发展了边界元、离散元、不连 续变形分析、数值流形方法、运动单元法、快速拉格朗日法等数值模拟方法【3 l j 。 模型试验法，按试验方法可分为底面摩擦试验、块体结构模型试验和离心模 型试验。这类试验最大优点是可以比较直观定性地显现边坡变形破坏发展过程， 但由于模型材料的各种力学参数很难严格地满足相似条件，模型尺寸难以精确确 定，同时岩体结构及其力学参数具有模糊性、随机性，故该类试验难以定量化分 析边坡稳定性。 上述边坡稳定性分析评价方法总体上可综合分为定性和定量评价两大类。由 于影响边坡稳定的不确定因素很多，往往需要采用多种方法进行综合评价。 3 武汉理工大学博士学位论文 1 3 2 井工开采引起的地表岩体变形问题 国内外对地下采矿引起的地表岩体变形问题的研究由来已久【3 2 1 。我国对于 “三下 采煤的研究已有5 0 余年的历史。1 9 5 5 年颁发 地面建筑物及主要井巷 保护暂行规程，1 9 8 5 年颁发建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤 开采规程，并于2 0 0 0 年进行了修订。至今“三下 采煤已取得了大量的研究成 果和丰富的经验。可以说，对地下采煤引起地表移动变形的特点和分布规律的预 测，既有理论方法可参照，又有规程规范可循，这无疑将成为边坡下采矿研究的 重要基础l j 。 地下矿层的大面积采出后，采空区周围岩体的原始应力状态受到破坏，应力 重新分布以达到新的平衡。当开采面积达到一定范围之后，位于采场附近岩体的 移动和破坏将扩展到地表，引起地表变形。由于矿体的赋存条件、上覆岩层性质 及其组合类型、采矿方法和顶板管理方法等不同，其移动与破坏形式也不相同。 目前我国建筑物、水体及道路下压煤特别是村庄下压煤量呈上升趋势。煤层 开采前对开采沉陷做出预计，对保护地面建筑物和地面环境具有十分重要的意 义。我国开采沉陷学的研究经过近几十年的发展已逐步成熟，形成了独立的学科 和较独特的研究方法，如建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程中，推荐三种预计地表移动变形值的科学计算方法和参数的求取方法，即： 典型曲线法、负指数函数法和概率积分法等，在生产实践中发挥了重要作用。 然而，现有的开采沉陷理论基本上都是以均匀连续介质假设作为研究前提， 不考虑岩层中存在的不连续面，如节理、裂隙以及断层的影响。而实际上岩层中 存在大量的节理裂隙和规模不等的断层，这些不连续面的存在对开采沉陷有很大 影响，尤其是当开采区域断层比较发育时，断层对开采沉陷的影响非常明显，在 这种情况下必须考虑断层等不连续面的影响；另一方面，由于目前的开采沉陷预 计理论( 如概率积分法) 的关键参数的获取必须经过现场观测才能确定【3 8 】，因 而给实际预测工作造成了一定的难度。鉴于此，国内外一些科研技术人员正尝试 采用数值模拟方法 3 9 - 4 0 ( 如a n a s y s 、f l a c 软件模拟等) 对煤矿开采沉陷进行 预计，并取得了可喜的成绩。数值方法以岩石力学理论为基础，以矿体物理力学 参数和地层构造特性为计算依据，无需做过多假设来确定某些关键参数，从一定 程度上克服了经典预计方法的不足。 1 3 3 露井联合开采作用下的边坡岩体损害规律及其稳定性评价 在各类矿产资源开采中，有许多矿山属露天与地下( 井工) 联合开采情况。 依据开采的空间对应关系，两种开采方法的采动影响区域重合，表现为一种采动 效应对另一个平衡体系的干扰或作用，使得两种开采体系之间存在着相互诱发或 4 武汉理工大学博士学位论文 相互制约，从而使得作用对象组成一个复合动态变化系统1 4 1 1 。因此，在该系统 内的岩体应力状态与变化过程完全不同于单一露天开采条件下的边坡变形及稳 定问题。过去在分析此类问题时，仅按单一露天开采问题来考虑，其结果与实际 存在一定差异。目前，国内外关于井工开采对边坡岩土体变形规律及其稳定性影 响规律的分析研究较多，而对于露井联合开采作用下的边坡稳定性分析及控制则 较少。 孙世国【4 2 4 3 】等通过对多个矿区监测资料分析，总结出井工开采下边坡岩土体 变形的一般规律为：随着地下开采量的增大，边坡岩土体受破坏程度递增，边坡 岩土体的变形愈加剧烈；地下采动效应对边坡岩土体的不同空间位置或不同区域 的影响与边坡岩土体本身变形所产生的叠加结果是不同的，即合成矢量的方向不 一致，从上山方向移动边界线至走向主断面之间下沉值呈递增规律，其变形结果 使坡角减小；而对于地下采区走向断面至下山移动边界线区域下沉值呈递减规 律，因而受变形影响该区域边坡角增大。同时位于地下采区移动边界区域受拉伸 变形，尤其是地下采区的下山方向的最大拉裂缝，很容易构成滑坡体的后缘；沿 地下采区倾向边界线附近的拉裂缝，构成滑体的侧边缘，使滑体与滑床分离，减 少侧面阻力；特别是当地下采区沿走向长度不大时，如再有大气降雨等因素的诱 发作用，将有可能导致滑坡，这是很危险的；如果走向长度很大，形成整体滑坡 相对难度大一些。 西安建筑科技大学的侯殿昆等根据底摩擦实验和相似材料模拟实验，并 结合有限元模拟及现场实测分析认为：由于边坡的存在造成了采空区上方地表、 岩层几何上的不对称性，采空区上覆岩土体在发生冒落时易形成偏压，对边坡坡 脚岩体产生较大的推动作用。边坡岩体由于这一推动而产生移动，边坡岩体下部 进行井工开采时，边坡岩体总的位移趋势是岩体的下沉和向露天矿场方向的运 动；井工开采后，采空区上方形成“三带”，使岩体破裂，强度降低，在一定的 外力作用下产生变形、破坏的可能性增大，边坡的稳定系数有所降低：井工开采 后，露于边坡面的弱面承受的顺层剪应力增大，顺倾斜的部分弱面易于发生剪切 破坏，边坡整体的滑落模式为上方沿追踪滑面，下方沿弱层面及冒落破碎带滑动， 同时存在出现局部滑动的可能。 对于采空区上的边坡稳定性分析评价主要有三种方法：一是仅按单一露天开 采问题来考虑，不考虑井采对边坡岩土体强度、应力分布状态