达连河露天煤矿南帮现状边坡稳定性分析报告.doc

达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 1 目目 录录 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 I 1 前 言 3 1 1 项目背景 意义及目标 3 1 2 研究内容 3 1 3 研究方法与技术路线 4 2 边坡工程地质条件分析 6 2 1 工程概况 6 2 1 1 位置与交通 6 2 1 2 地形地貌 8 2 1 3 矿山开采简介 8 2 1 4 气候条件及地震烈度 8 2 2 区域地质 8 2 3 矿区地质 9 2 3 1 地层岩性 9 2 3 2 地质构造 10 2 4 边坡工程地质 12 2 4 1 勘探区工程地质 12 2 4 2 地层岩性 13 2 4 3 岩体结构类型 15 2 4 4 水文地质特征 17 2 5 潜在滑坡模式分析 19 2 6 岩土体物理力学指标的确定 19 2 7 小结 20 3 边坡稳定性极限平衡计算 21 3 1 边坡安全储备系数确定 21 3 2 稳定性定量分析方法简介 21 3 2 1 极限平衡理论概述 21 3 2 2 计算方法的选择 22 3 3 边坡稳定性分析 25 3 3 1 计算剖面选取 25 3 3 2 计算结果及分析 28 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 2 3 4 小结 32 4 结论 33 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 3 1 1 前前 言言 1 1 1 1 项项目目背背景景 意意义义及及目目标标 边坡稳定性分析与控制是露天开采领域研究的关键问题 如何针对不同露天 矿特有的工程及地质特征 提出合理的边坡设计及稳定性控制方案 确保露天矿实 现高效 安全及持续生产 是采矿工程科学技术人员亟待解决的关键问题之一 达连河露天矿于 2010 年进行了改扩建设计 提出横采内排确定南帮最终帮坡 角是 41 外排土场距采场边界距离大于50m 目前外排土场高度大于 100m 采场最终采深超过 200m 形成了高陡复合边坡 且内排压脚难以实现 外排土场 距采场边界距离几乎为零 存在较大滑坡风险 曾在2011 年发生两次小规模滑 坡 严重威胁露天矿安全生产 项目通过对达连河露天矿顶帮稳定性问题进行研究 为露天矿安全生产提供必要的技术支持 1 1 2 2 研研究究内内容容 为保证达连河露天矿顺利实施 避免滑坡灾害的发生 必须对南帮边坡进行稳定 性分析 为露天矿安全生产提供基础 本项目主要研究内容如下 1 边坡工程地质条件分析 进行现场调研及资料搜集工作 分析露天矿剥采排工程现状 发展概况及 地面设施布置情况 为确定不同边坡区段的重要性提供基础 分析采场顶帮边坡地层岩性 地质构造 岩体结构及水文地质等条件以及 排弃物料性质 总结露天矿地质及边坡稳定性分析成果 选取岩土体物理力学参数 建立边坡工程地质模型 分析采场顶帮 南排土场以及顶帮 南排土场北帮复合边坡的潜在滑坡模 式 2 边坡稳定性评价 选取边坡安全储备系数 对边坡现状进行稳定性评价 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 4 1 1 3 3 研研究究方方法法与与技技术术路路线线 本项目采用理论分析 刚体极限平衡的研究方法 综合分析达连河露天煤矿南 帮边坡的稳定性 并提出合理的边坡稳定性分析方案 所采取的技术路线如图 1 1 所示 1 现场调研 通过现场调研 详细分析达连河露天煤矿的工程概况 收集相关资料及以往的 研究成果 2 工程地质 踏勘 对露天矿区域地质背景及现状边坡工程地质特征进行分析 结合以往的勘探成 果 初步判定边坡的潜在滑坡模式 确定岩土体物理力学指标 为边坡稳定性 分析计算提供基础 3 刚体极限平衡法 迄今为止 在边坡稳定 性分析中 刚体极限平衡法以其概念清晰 计算简单 工程资料丰富应用最为广泛 常用的刚体极限平衡分析方法有 瑞典圆弧法 瑞典 条分法 Bishop 法 Janbu 法 Morgenstern Price 法 Spencer 法 Sarma 法 剩余推力法 通用条分法 楔形体法 Newmark 法和美国陆军工程师团法 其中 Bishop 法适合于圆弧滑动 而剩余推力法适合于任意曲面滑动 针对达连河露天 煤矿边坡工程地质地质条件 本项目拟基于该两种算法的原理 利用刚体极限 平衡分析软件 对边坡的稳定性进行计算和评价 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 5 图 1 1 技术路线流程图 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 6 2 2 边边坡坡工工程程地地质质条条件件分分析析 掌握边坡的工程地质特征是科学评价边坡稳定性 充分认识滑坡机理的前提和 基础 本章在区域地质及矿区地质分析的基础上 重点分析达连河露天煤矿南端 边坡的工程地质特征 为边坡稳定性影响因素及潜在滑坡模式分析提供基础 2 2 1 1 工工程程概概况况 2 2 1 1 1 1 位位置置与与交交通通 依兰煤田位于黑龙江省中部松花江两岸 依兰县西南与方正 通河县交界处 呈北东 南西向三角地带 其地理坐标为东经129 129 30 北纬 46 46 20 矿区所在地达连河镇交通较为便利 除没有铁路直通外 公路及江河航运 空 运等皆较发达 达连河矿区的交通位置见图2 1 图 2 1 交通位置图 公路往东北行驶 22 5km 到达依兰县城 该地是松花江 牡丹江 倭肯河汇 合处 每年 5 10 月间定期客轮 货轮 一般300 500t 最大千吨 通航 上 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 7 行 341km 经沙河子 方正 宾县等船站到省城哈尔滨市 下航行100km 经宏克 力 汤源县等船站到合江地区佳木斯市 12 月到来年 3 月江冰封冻 可行驶载 重卡车等 同时 依兰还有通往佳木斯 桦南 勃利县的汽车 城东门外有飞机场 定期民航抵哈尔滨 佳木斯市 往西经沙河子 方正 宾县之高速公路直达哈尔滨 市 达连河露天煤矿位于松花江东岸的达连河镇南部 坐标为东经129 20 18 129 23 11 北纬 46 08 56 46 10 01 露天煤矿范围东自 F2 西到 F12号断层 北起煤系基底 4花岗岩 南到上 1 煤层顶板 150m 标高点沿 30 安息角的边坡线为界 走向长约5km 倾斜宽约 0 8km 该矿 2001 年在国土资源部办理了采矿许可证 证号为 1000000140074 有效期自 2001 年 1 月至 2031 年 1 月 矿田面积 2 4934km2 开采深度 90m 150m 本区以哈同公路为界显示不同地理景观 东部为低山丘陵地鸡爪沟壑带 达连 河向西流入松花江 西部为松花江东岸的河漫滩湿洼草地开阔地带 地形标高一般 在 96 98m 间 松花江从露天矿田西部边界向东北方向流去 在露天煤田的西南 和松花江对岸为中山地带 地理景观见图2 2 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 8 图 2 2 地理景观图 2 2 1 1 2 2 地地形形地地貌貌 本区地处松花江畔的冲积平原 东部为低山丘陵 鸡爪沟壑带 达连河西入松 花江 西部为松花江东岸开阔的河漫滩湿洼草地 松花江沿矿区西部边界流向东北 其西南与西北处为中山地带 2 2 1 1 3 3 矿矿山山开开采采简简介介 矿业公司所属露天煤矿于1964 年小规模开发建设 1966 年投产后形成 0 30Mt a 的生产能力 随着哈依煤气工程的上马 经正规的建设和几次改扩建 目前核定规模2 60Mt a 露天煤矿已建立起完整的采运排等生产系统 采用单 斗 卡车开采工艺 主要设备为4 6m3电铲 45t 和 25t 卡车 形成了水 电 路 通 讯完善的基础设施 以及行政福利设施 为进一步扩能改造奠定了 坚实的基础 经过半个多世纪的建设 以达连河镇为中心形成了较为完善的矿区辅助 附 属企业及设施 矿区行政和生活服务设施主要有办公大楼 食堂及招待所 医院 中小学 职工住宅楼等 矿区主要辅助附属设施有矿区汽车大修厂 矿区机修厂 矿区炸药库 矿区物资库 矿区救护中队等 另外 在矿区东北角中煤龙化哈尔 滨煤化工有限公司建有消防站 2 2 1 1 4 4 气气候候条条件件及及地地震震烈烈度度 本区气候属中温带大陆性气候 年最高气温 七 八月份 38 年最低气温 一月份 37 年平均气温 3 夏季较短 冬季较长 无霜期135 天 封冻 期长 11 月到翌年 4 月 一般冻结层厚 1 50 1 80m 年降水量约 566 8mm 且 多集中于夏秋两季 该矿所在地区地震烈度为 6 度 地震分组为第一组 设计基本地震动峰值加 速度值为 0 05g 2 22 2 区域地质区域地质 该区地层出露较全 分布较广 最古老属元古界变质片岩系与片麻花岗岩出露 于依兰县城东北及东南部山区以及中 西部的上古生界海西期花岗岩和中生界白垩 系碎屑沉积岩建造 构成煤盆地基底 其上沿松花江两岸通河 方正 依兰至桦南 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 10 一带发育下第三系始 渐新统陆相含油煤建造及上第三系碎屑岩 喷出玄武岩 第 四系洪积 冲积层 2 32 3 矿区地质矿区地质 2 2 3 3 1 1 地地层层岩岩性性 本区含煤地层为下第三系始 渐新统达连河组 以河床相 泥炭沼泽 相 湖泊相为主的陆相含煤 油页岩 碎屑岩沉积建造 该组地层从岩层性及岩相 组合 在垂向上分为三段 地层综合柱状图见图2 3 由下向上分为三段分别为 1 上部砂页岩段 由灰 灰白色粗砂岩 含砾砂岩及粉细砂岩互层组成 整段岩性上部较细以河 漫相粉细砂岩及沼泽相炭质泥岩互层为主 下部以河床相砂岩为主 横向上自西向 东岩性粒度变粗 厚度增大 2 中部油页岩段 主要由巨厚的静水湖泊相油页岩和薄层粉细砂岩组成 以黑 黑褐色为主 局部夹灰白色粉细砂岩条带 含较多的植物碎屑及植物化石 下部含琥珀 该段地 层自西向东变薄 至东部边缘被砂岩取代 3 下部含煤段 上部以泥炭沼泽相的主要煤层群和炭质泥岩与湖泊相的油页岩及砂岩组成 底 部由洪积 冲积相花岗质长石砂岩与河 湖相泥岩 油页岩及粘土岩组成 本段含该区可采煤层上 上 1 上 2 上 中及下层煤 勘探区可采煤层为上 1 上 1 上 2 上 2 中 下 煤层全区可采 煤层属 较稳定型 4 关于 岩性岩相变化 此变化是 由东往西 岩性由粗变细 即由洪积 冲积相砂砾岩到湖沼相油页 岩和煤层 东部与煤层呈犬齿交错形式接触 且煤层层位抬高之势 说明东部是 盆地边缘 沉积物来源于东北面 当时地形是东北高而西南低 东北面为陆源剥 蚀区 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 11 根据其构造运动 沉积建造特征 古地理与古植物环境 煤层 煤质发育特 征与富煤带形成机制及其后构造变动与岩浆活动 变质作用等特征 依兰煤田含 煤建造的成因类型应属新生代老三纪始 渐新世陆相褐煤建造类的构造断陷盆地 型 5 关于地层时代 该化石植物群中古老分子较多 根据我国聚煤规律 新生代成煤是由东北而 南迁 此是地处东北方 从佳 伊地堑形成和对煤田控制来看 是应较早的下降 接受大量陆相碎屑岩沉积建造 并得以很好地保存 按照沉积旋回等是始 渐新 统或达连河组下 中段即相当第1 旋回为始新统 其上第 上部含煤组 旋回等相当渐新统较为合适 2 2 3 3 2 2 地地质质构构造造 矿山位于大地构造新华夏系第二隆起带张广才岭隆起北缘 依兰煤田位于东西 向构造带与华夏世构造体系的复合部位 依兰煤田总体上呈东西向展布 其盆底沉 积显然受沙河子 永丰这一东西向坳断带所制约 是苏 达断裂与这一坳断带相交 复合作用的结果 为煤系的沉积创造了有利场所 1 基本构造形态 达连河区在依兰煤田的东部 即依兰 牡丹江经向构造带以西 沙河子 永丰 东西向构造带与华夏式佳 依地堑北段的复合构造的东北部位 区内呈近东西或北 东 南西向的 S 型构造 其西北边被地堑东界的苏 达断裂相切 东南被北西倾向 的 F1 正断层相切成的三角扇形断陷地带 本次勘探的区域基本上是一向南倾伏的单斜构造 2 地层产状 勘探区内 煤层露头的展布基本上呈东西向 倾向南 倾角浅部露头处较陡 中部较缓并存在波状起伏 深部变陡 从全区看属于缓倾斜地层 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 12 地质系统 界 系 统组 段 代 号 柱 状 1 1000 测 井 曲 线 岩性旋回及升降曲线 岩 性 描 述 描述岩性 化石 煤层 标志层 旋 回 湖 泊 相 泥 沼 相 河 漫 相 河 床 相 第 四 系Q 黑色 腐植土 粘土 亚粘土及砾石 等 5 30 5 10 米 上 第 三 系 鸟 吉 统 道 台 桥 组 N 杏黄色 弱胶结 砂砾岩及灰绿色粉 砂岩 砂岩组成 25 35米 上 达始 下 新 砂 页 连 渐 第 岩 生 段 河 新 三 中 部 油 页 岩 段 组统 系 界 下 部 含 煤 段 中 生 界 古 生 界 上1 上2 中 下 E2 3 K1 1 2 E2 3 E2 3 3 4 上部砂岩和砂砾岩 中部灰黑色灰绿色泥岩 粉砂岩互层 及薄层炭页岩 煤层组成 下部砂岩 粗砂岩 含砾粗砂岩为主 上部灰褐色粉砂岩 砂岩 泥岩 薄层 油页岩组成 下部灰褐黑 黑褐色巨厚油页岩下到 下色变深 含油率增大 发热量增高 产大量植物化石 Metaseq uoiq distaohe二列水杉 Sequoia ohinensis中华红杉 Giyptostrobus enropaeus欧州水杉 Vibutnum speclosum美丽英达 Quercus sp Dryophllam sp Moghsphoebe sp Mlormqeoroua sp Jirodimn deostichum Feormqeoroua sp Woodwardia europaeus Heer 上部煤 炭页 油页岩及薄层粉砂岩 砂岩组成 煤分四层上1 上2 中 下 上1 上2为褐至长焰煤 结构复 杂 中至高灰份 中层为长焰至气煤 一号 单一结构 厚度大 低灰含油 率高 发热量大 下层以长焰为主 中 灰煤 厚度受基底影响变化大 底板 下夹凝灰岩标志层 白垩纪地层由灰 灰绿色砂岩 粉砂 岩 泥岩及薄层含炭泥岩 凝灰岩等 组成 大于2000米 煤系基底为海西期花岗岩为主 大 于3400米 地 层 综 合 柱 状 图 黑龙江省依兰煤田 1 2 3 4 比例尺1 1000 部 图 2 3 地层综合柱状图 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 13 3 褶皱与隆起 从以往的钻探资料与露天矿剥采工程所揭示的资料看 本区在倾向上距煤层露 头约 1000m 有一条近走向的隆起带 在9 线上有一条近南北向的隆起带 他们对 煤系地层 煤层 煤质及后期构造等起到一定的控制作用 4 断层 区内断层较发育 特点是在较大断层的两侧的次级断裂更为发育 构成本区主 要构造特点 对本区的断层分述如下 F5断层 为东部的边界断层 走向北东35 倾向南东 倾角 70 是一规模 较大的正断层 落差向南加大 北部100m 南部 300m 北部有 69 6 与 60 246 和 80 105 与 79 106 孔间不连续 南部由 83 148 与 99 3 孔间不连续 4 5 线间露头的北移所控制 发育于4 8 线间 F4断层 是区内的一条较大的正断层 发育于6 3 线间 走向 NE41 倾向 NW 倾角 70 断距 50m 左右 79 5 与 59 201 孔间不连续 控制程度较可靠 F39断层 正断层 发育于 4 3 线间 断层落差较小 一般在20m 左右 走 向 NW70 倾向北东 80 131 钻孔实见 控制程度较可靠 F3断层 正断层 为本区东部的边界断层 发育于4 2 线间 走向 NE50 倾向 SE 倾角 65 落差在 50 70m 之间 一般为 60m 控制程度较可靠 通过地层实际揭露情况及钻孔控制 井田内断层有以下特征 目前所查明的断层均为正断层 落差一般不大 除 F5边界断层外 但区内倾角平缓使其水平错距较大 从平面的展布方向看呈以北东向为主 以北西向为辅的两组斜交断层 组 合成 X 型构造 排列方式 同方向的倾斜断层连续出现在剖面上与相反倾斜的断层组成地 垒和地堑式的构造形式 2 42 4 边坡工程地质边坡工程地质 2 2 4 4 1 1 勘勘探探区区工工程程地地质质 煤田的沉积建造环境和应力应变分布等因素 制约了勘探区工程地质特征 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 14 沉积过程中 由于地形条件的控制 基底不平 内外应力作用的差异和其它 因素的干 扰 风浪 流速 等 形成下部岩层的岩性和物理力学性质的各向异性 在油页岩沉积过程中 由于和谐的沉积韵律 沉积物的周期性 和沉积物的分 异 形成了油页岩的原生层状特征 从而构成了本区岩体初级结构 由于北东向的压性应力作用 形成全区发育的同向裂隙 为本区的主 要 裂隙 在不同岩性中其形态和作用表现为 油页岩中呈X 型剪性裂隙 粗 中砂岩中呈直线型张性裂隙 为本区岩层的 级结构面的主要组成部份 因断层在走向和倾向的切割 使岩体支离 形成该区的断裂破碎带 从而降 低了岩层的整体强度 基底海西期花岗岩 因长期的风化剥蚀作用形成的风化裂缝带 构成了煤系 基底的次结构面 2 2 4 4 2 2 地地层层岩岩性性 勘探区所见边坡岩体组成 自下而上由第三系 第四系地层组成 地层厚度 岩 性及组合特征为 1 第三系含煤地层 该套地层以泥岩 粉 细砂岩 中 粗砂岩 油页岩 煤 含砾粗砂岩 砾岩为 主 层厚控制 273m 353m 平均厚 311m 泥岩占 6 砂岩 砂砾岩占 44 油页岩 占 35 煤占 3 砂砾岩 砾岩占 12 泥岩 颜色为深灰色 灰色为主 固结较差 刀刻强度软 较软 有数十层极软 具缩性 一般具滑面 岩石的含水率 2 40 4 20 平均 3 38 孔隙率 11 8 25 20 平均 18 87 抗剪强度内摩擦角 20 3 27 6 中值 23 75 内聚力 0 38 2 62MPa 中 值 1 41MPa 砂岩 砂砾岩 岩层以粉 细砂岩 砂砾岩 砾岩为主 其于少部分中 粗砂岩 颜色为深灰 灰 灰白色 砂岩多为砂泥质胶结 岩性结构复杂富含炭化植物茎叶 粉砂岩 细砂岩多具微波状 波状层理 中 粗砂岩松散易碎 砂岩 岩石的含水率 0 10 7 70 孔隙率 9 13 30 1 抗剪强度内摩擦角 20 9 37 1 内聚力 0 21 4 92MPa 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 15 砂砾岩 岩石的含水率 0 10 2 30 孔隙率 9 13 13 5 抗剪强度内摩 擦角 27 3 37 1 内聚力 0 4 3 8MPa 油页岩 颜色为深灰色 灰褐色 为本区最具代表性岩层 固结较差 极易风化松 散破碎 刀刻强度软 较软 岩石的含水率 1 10 5 90 孔隙率 8 3 24 8 抗剪强度内摩擦角 21 2 31 内聚力 0 52 3 13MPa 煤层 密度为1 41g cm3 含水量 2 70 2 第四系地层 砂土 颜色为黄褐色 粒级为细砂 中砂 粗砂 砾砂 稍湿 很湿 硬塑 松散 见 颗粒组成表 2 1 表 2 1 颗粒组成表 颗 粒 组 成 粒 径 大 小 mm 2020 22 0 50 5 0 250 25 0 075 0 075 0 005 砂土的称 按 GB T50 123 1999 10 0310 02 15 3371 45 81 023 19 8 96细砂 16 35 31 80 41 55 54 1520 01 25 543 80 8 48中砂 10 23 15 8241 75 51 6515 26 21 036 21 18 542 86 23 15粗砂 25 19 26 8219 75 31 4223 30 24 1514 10 15 364 73 15 18砾砂 粉土 黄褐色 浅灰绿色 软 湿 可塑 天然含水率 14 71 19 62 土粒 比重 Gs 2 66 天然孔隙比 e 0 554 0 665 饱和度 Sr 71 78 干密度 d g cm3 19 11 19 64 液限 L 21 48 24 15 塑限 wP 14 9 15 9 液 性指标 Il 0 03 0 45 塑性指标 IP 6 55 8 26 固结实验压缩系数 0 1 0 2 l MPa 0 13 0 22 和压缩模量 Es 0 1 0 2 l MPa 7 41 11 90 抗剪强度粘聚力 c KPa 21 2 25 6 和内摩擦角 11 2 16 5 砂粘土 粉质粘土 颜色为黄褐色 灰色 浅灰绿色 稍密 密实 湿 软 可塑 天然含水率 20 72 37 77 土粒比重 Gs 2 68 2 71 天然孔隙比 e 0 619 1 004 饱和度 Sr 80 100 干密度 d g cm3 18 63 20 23 液限 L 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 16 28 56 37 21 塑限 wP 17 5 20 6 液性指标 Il 0 03 1 30 塑性指标 IP 11 08 16 61 固结实验压缩系数 0 1 0 2 l MPa 0 20 0 45 压缩模量 Es 0 1 0 2 l MPa 4 00 8 58 抗剪强度粘聚力 c KPa 8 9 26 3 内摩擦角 5 8 14 5 粘土 颜色为黄褐色 具塑性 滑腻感强 天然含水率 16 96 24 15 土粒 比重 Gs 2 71 2 74 天然孔隙比 e 0 507 0 683 饱和度 Sr 83 97 干密度 d g cm3 19 84 21 03 液限 L 34 15 38 54 塑限 wP 19 5 21 1 液 性指标 Il 0 07 0 18 塑性指标 IP 14 66 17 47 固结实验压缩系数 0 1 0 2 l MPa 0 12 0 25 压缩模量 Es 0 1 0 2 l MPa 6 67 13 33 抗剪强度粘聚力 c KPa 22 3 29 6 内摩擦角 10 2 16 9 3 碎石土 覆盖层 本次补勘有 2 个钻孔控制 2 号钻孔控制 23 85m 3 号钻孔控制 0 65m 平均厚 12 25m 为采剥堆积的矸石 砂砾 砂土 粉土等 松散 2 2 4 4 3 3 岩岩体体结结构构类类型型 岩体结构类型是岩体的基本特征 它控制着岩体变形和破坏的力学机制 在工 程地质勘察过程中 应在试验的基础上确定岩体的结构类型 从而判定岩体的力学 介质类型及岩体力学模型 并根据岩石力学试验成果结合地质条件评价岩体的稳定 性 1 松散土体 第四系松散砂砾石可视为均质连续的岩体 其厚度占整个边坡高度的 14 6 表层为 3 5m 厚的亚粘土 其余为冲积 洪积砂砾 卵砾为主 地层厚为 5 45m 25 70m 平均厚 13 38m 砂砾 卵砾以黄褐色为主 胶结松散 砾石直径2 100mm 一般 15 60mm 次圆状 资料分析颗粒砾级含量64 3 64 5 砂砾石为良好的通水层 是露天矿主要的含水层 第三系地层平均厚 312 55m 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 17 泥岩 颜色为深灰色 灰色为主 块状构造 微显层理 固结较差 上部风化 具塑性 半成岩状态 刀刻易断 极软 根据本次采取的岩样实验 天然含水量中 值 3 38 孔隙率中值 18 87 抗压强度 0 29 24 1MPa 砂岩 砂砾岩 岩层以粉 细砂岩 砂砾岩 砾岩为主 其于少部分中 粗砂 岩 颜色为深灰 灰 灰白色 砂岩多为砂泥质胶结 岩性结构复杂富含炭化植物 茎叶 粉砂岩 细砂岩多具微波状 波状层理 中 粗砂岩松散易碎 砂岩 岩石的含水率 0 10 7 70 孔隙率 9 13 30 1 抗剪强度内摩擦 角 20 9 37 1 内聚力 0 21 4 92MPa 砂砾岩 岩石的含水率 0 10 2 30 孔隙率 9 13 13 5 抗剪强度内摩 擦角 27 3 37 1 内聚力 0 4 3 8MPa 油页岩 颜色为深灰色 灰褐色 为本区最具代表性一岩层 固结较差 极易 风化松散破碎 刀刻强度软 较软 2 层状结构 该套地层以泥岩 粉 细砂岩 中 粗砂岩 油页岩 煤 含砾粗砂岩 砾岩 为主 层厚控制 272 6m 352 50m 平均厚 312 55m 该区域煤层以厚层状分布 与岩石互层沉积 形成层状岩体结构 岩性较软 岩层倾角 5 25 力学强度低 泥岩 颜色以深灰色 灰色为主 固结较差 刀刻强度软 较软 有数层极软 具缩性 一般具滑面 部分层段滑面较发育 含炭化植物茎叶 岩石的含水率 2 40 4 20 孔隙率 11 8 25 2 抗剪强度内摩擦角 20 3 27 6 中值 23 75 内聚力 0 38 2 62MPa 中值 1 41MPa 砂岩 砂砾岩 本次控制的岩层以粉 细砂岩 砂砾岩为主 其余少部分中 粗砂岩 颜色为灰 灰白 灰绿色 砂岩多为砂泥质胶结 岩性结构复杂富含炭化 植物茎叶 粉砂岩 细砂岩多具微波状 波状层理 中 粗砂岩松散易碎 砂岩 岩石的含水率 0 10 7 70 孔隙率 9 13 30 1 抗剪强度内摩擦 角 20 9 37 1 内聚力 0 21 4 92MPa 砂砾岩 岩石的含水率 0 10 2 30 孔隙率 9 13 13 5 抗剪强度内摩 擦角 27 3 37 1 内聚力 0 4 3 8MPa 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 18 2 2 4 4 4 4 水水文文地地质质特特征征 本区第三纪以后 其构造运动表现为不平衡的阶段性上升 其作用表现为残 留的地貌形态 即沿松花江及其它河流河谷两侧分布的一级阶地 目前本区仍处 于缓慢的不平衡的阶段性上升阶段 由于新构造运动的上升作用 在低山及丘陵 地区的表现为侵蚀剥蚀作用的加强 使地形再切割 如达连河上游丘陵区呈现的 鸡爪形 地貌 河谷平原区的作用表现为河流的底蚀作用增强 年青化 如松花江河床底部第四纪松散堆积物均被冲刷 河流直接底蚀基底基岩 目前该 区内外应力作用的表达式为 剥蚀 堆积 因而 制约了松散地层的发育 第四纪松散地层沉积薄 促进了基岩的物理风化作用 形成了本区地下水赋 存状态的基本格局 1 地表水系 本矿位于松花江东岸 地势平缓 地面标高96 98m 西部 有松花江流过 东南部有达连河 南部有侏其河和小红河 由于地势平坦 排水不 畅 致使湿地 沼泽发育 精查报告根据露天矿床水文地质 工程地质条件和疏干 的难易程度 把本区水文地质勘查类型定为二类一型 2 含水层 带 本区含水层可划分为 第四系孔隙含水层 第三系风化裂隙含水带 海西期花 岗岩古风化壳裂隙潜水含水带 第四系孔隙含水层 上部为0 5 3 m 腐植土 粘土和亚粘土 下部有2 5 m 分选较好的细 中 粗 沙砾 水力性质为潜水 渗透系数2 88 48 71m d 单 位涌水量 0 0557 1 724L s m 地下水化学类行为 HCO3 CaMg HCO3 CaNa 型 弱酸性水 矿化度 0 10 0 2g L 第三系风化裂隙潜水含水带 为第四系覆盖 风化裂隙较发育 厚度约50m 左右 地下水埋藏深度 0 5 3 04 m 风化裂隙含水带组成的岩性不同 裂隙的发 育程度也不尽相同 因此风化裂隙含水带的含水性在横向上自然存在一定的差异性 达连河组上部砂岩段 岩性主要为粗砂岩 砂砾岩 泥质胶结 结构松散 裂隙较发 育 次为细砂岩 粉砂岩 粉细互 层 质较软 层间裂隙 较发育 渗 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 19 透系数 0 265 m d 单位涌水量 0 118 L s m 地下水化学类行为 HCO3 CaMg 型 弱碱性水 矿化度 0 10 0 2 g L 达连河组中部油页岩段 岩性主要为厚层油页岩 次为煤和炭页岩 渗透 系数 0 0303 m d 单位涌水量 0 0139 0 0393 L s m 地下水化学类型为 HCO3 Na HCO3 CaMg 型弱碱性水 矿化度 0 2 0 4 g L 达连河组下部砂岩段 岩性主要为粗砂岩 中砂岩 次为细砂岩 粉砂岩 油页岩 泥质胶结 结构松散 裂隙较发育 但多被泥质和方解石充填 渗透系数 0 22 1 305 m d 单位涌水量 0 106 0 282 L s m 地下水化学类型为 HCO3 CaMg 型弱酸 中性水 矿化度 0 1 0 3 g L 海西期花岗岩古风化壳裂隙潜水含水带 风化裂隙发育深度约20 m 颗粒 松散易碎 松软部分已高岭土化 往下风化作用主要表现为沿着构造裂隙进行 但 裂隙已经被砂 土质和方解石充填 地下水埋藏深度2 5 3 5 m 渗透系数 0 150 m d 单位涌水量 0 0223 L s m 地下水化学类型为 HCO3 CaNa 型弱碱性水 矿 化度 0 1 0 2 g L 3 隔水层 本区主要隔水层为达连河组中部厚层油页岩段 厚度在40m 以上 此隔水层 在煤系地层上部 由于厚度大 隔水性好 有效的隔断了地表水和第四系水进入到 煤系地层 4 地下水的补给排泄条件 本区地下水的主要补给来源为大气降水 因此 矿山涌水量严格地受季节性控 制 主要充水岩层为第四纪孔隙含水层 但该层厚度小 静储量有限 即有利于疏 干 有利于剥离 第三系风化裂隙含水带由于直接与第四系含水层接触 构成同一 的水力性质 同一的自由水面 可视为统一的含水体 因而第三系风化裂隙含水带 地下水的补排条件基本同第四系含水层相似 第三系风化裂隙含水带与地表水系没 有明显的水平方向补给排泄的水力联系 只有在融雪和丰水期的7 9 月份 漫滩 区 江 河水位激增 水系沼泽相联 地下水位同地面水体构成一体 此时地下水 接受地面水体的补给 第四系含水层 第三系风化裂隙含水带地下水的排泄主要依 靠蒸发作用 本区经多年开采证实断层裂隙没有导水涌水现象 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 20 2 52 5 潜在滑坡模式分析潜在滑坡模式分析 达连河露天煤矿南部勘察区岩体以松散型和层状结构为主 潜在滑坡模式为 1 圆弧状滑坡 第四系松散砂砾石可视为均质连续的岩体 表层为3 5m 厚的亚粘土 其余 为冲积 洪积砂砾 河泥砾为主 地层厚为5 45m 25 70m 平均厚 13 38m 砂砾 卵砾以黄褐色为主 胶结松散 砾石直径2 100mm 一般 15 60mm 次圆状 资料分析颗粒砾级含量64 3 64 5 砂砾石为良好的通水层 是露天矿主要的含水层 该层岩体厚度较大 可能的滑坡模式为圆弧 2 切层 顺层滑坡 第四系松散层的底板为第三系地层 第三系上部的风化地层成岩差松软 视为 松散岩体 第三系与第四系的接触面为不整合面 是不良的地质构造 潜在的滑坡 模式为上部第四系松散体产生圆弧滑面 下面沿着第四系地层的底板接触面顺层剪 出 形成圆弧 顺层滑坡模式 2 62 6 岩土体物理力学指标的确定岩土体物理力学指标的确定 2011 年本矿为了实施 横采内排技术改造方案 做了一次工程地质补勘 根据 所要补勘的区域设计了两条勘探线并确定了六个钻孔位置 经过补勘钻探 采样与 试验 补勘测井三大步骤 最终完成钻探工程量1650 米 采岩芯样 320 块 试 验组数 378 组 试样块数 1414 块 测井工作量为 1272 米 根据 2011 年的补勘 结果并参考初步设计 综合确定边坡稳定性分析计算采用的岩体物理力学指 标 如表 2 2 所示 表 2 2 岩体物理力学指标 地层容重 kN m3 内聚力 MPa 内摩擦角 第四系19 70 022312 5 砂岩21 90 3520 9 油页岩20 40 36421 2 煤12 20 3536 4 排弃物21 15025 78 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 21 2 72 7 小结小结 本章总结归纳了以往的地质工作成果 结合以往地质资料和 2011 年为实施 横采内排技术改造方案所做的工程地质补勘和岩体物理力学性质试验 查清了工 程地质条件 分析了潜在的滑坡模式 确定了岩土体物理力学指标 为边坡稳定 性分析提供了前提 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 22 3 3 边边坡坡稳稳定定性性极极限限平平衡衡计计算算 极限平衡分析法经过近百年的发展 是工程界运用最早 最广泛的分析方法 20 世纪 30 40 年代 费伦纽斯和泰勒根据极限平衡原理 在前人工作的基础上提 出了条分法 瑞典法 此后 毕肖普 萨尔玛 简布等提出了各种假设条件及其 稳定分析方法 这些方法实质都是条分法 即凭经验将边坡体分成若干条块 在对 条块的侧面作用力作适当假定后对各条块作静力平衡分析 通过代数和求边坡安全 系数 在计算机发展的今天 可以编制程序 通过各种优化方法来计算得到最危险 滑动面和最小安全系数 对于一般岩质边坡 由于实际岩体中含有大量不同产状和 特性的不连续结构面 因此可按刚体极限平衡理论 对控制边坡稳定的某一组结构 面来分析边坡的稳定性 并考虑各种不利因素影响 本章应用刚体极限平衡法 分 别对达连河露天煤矿南帮不同位置和形态的边坡进行稳定性评价 以实现露天矿 安全生产 3 3 1 1 边边坡坡安安全全储储备备系系数数确确定定 根据中华人民共和国 岩土工程勘察规范 GB50021 94 第 3 6 10 条第一条 的规定 边坡稳定安全系数Fs的取值应符合下列要求 新设计的安全等级为一级 的边坡工程 Fs值宜采用 1 30 1 50 工程安全等级为二级的边坡工程 宜采用 1 15 1 30 工程安全等级为三级的边坡工程 宜采用1 05 1 15 根据 煤炭 工业露天矿设计规范 采场边坡服务年限十年以下Fs宜采用 1 10 1 20 露 天矿南帮边坡到界后 会实现内排压帮 此时边坡服务年限 较短 且实际生产过 程中边坡岩体稳定性较好 综合 确定边坡稳定储备系数为 1 10 3 3 2 2 稳稳定定性性定定量量分分析析方方法法简简介介 3 3 2 2 1 1 极极限限平平衡衡理理论论概概述述 1 安全稳定系数定义 边坡安全系数指把岩土体的抗剪强度指标减小至和 则岩土Fc F tanF 体沿着滑面各处都处于极限平衡 如下 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 23 3 1 tan ene c 式中 tan e tanF e c c F 稳定系数 F 内聚力 c 内摩擦角 2 摩尔 库仑强度准则 假如岩土体某段顺着某滑面发生滑动 该段在这个滑面各处均达极限平衡 就 是和遵循 Mohr Coulumb 强度准则 设置条块底的法向力和切向力分别为 n 和 则有 NT 3 2 sec sec tan ee TcxNu x 式中 块底倾角 值为 tan dy dx 孔隙水压力 通常定义孔隙水压力系数 u u ru dWdx 3 力平衡条件 对已划分的条块 各条块和整个岩土体均需要求力和力矩平衡 3 3 2 2 2 2 计计算算方方法法的的选选择择 常用的边坡稳定性二维极限平衡分析法主要有简化Bishop 法 剩余推力法 Janbu 法 Spencer 法及陆军工程师团法等 其中Bishop 法适合于圆弧滑面滑坡 计算 剩余推力法适合于任意曲面滑坡计算 基于该2 种算法的原理进行软件开 发 为边坡稳定性计算提供快捷手段 2 种方法的原理分述如下 1 简化 Bishop 法 Bishop 法是对提出边坡稳定分析圆弧滑动分析法的Fellenius 法作了重要改 进的一种计算方法 Bishop 法率先提出了安全系数的定义 对条分法的发展起到 了重要的作用 然后通过假定土条间的作用力为水平 求出土条间的法向力 它都 是通过力矩平衡来确定安全系数 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 24 Bishop 法设滑面为圆弧面 安全系数表述为对滑面旋转中心的抗滑力矩与下滑 力矩之比 每个分条都处于力的平衡状态 按分条铅垂方向力的平衡 则分条底部的有效法向力 参见图 4 1 n P 3 3 1 cossin nn n C WXXL u F P m 式中 cossin s mtgF 安全系数为 3 4 1 1 sin nn CbtgWubXXm W b h W Xn En Xn 1 En 1 L u Pn S 图 3 1 毕肖普法分条间力 Bishop 方法是考虑了分条间力的作用进而来求解安全系数的 En和 En 1是 分条间的法向力 它不存在于安全系数的表达式中 因为它是通过平衡方程在推导 安全系数的过程中被消去的 每个分条的力都处于平衡状态 整个滑体的力矩处于 平衡状态 单个分条力矩的平衡条件没有被考虑 由于很难准确求得分条间的剪力 Xn Xn 1 所以为了考虑实用性 设Xn Xn 1 0 即分条间剪力的作用被忽略 这就是 Bishop 简化法 2 剩余推力法 该方法亦称为不平衡推力传递法 很多露天矿采用剩余推力法来计算边坡的稳 定系数 剩余推力法作为一种条分法借助于滑坡构造特征分析及剩余推力计算是其 主要的优点 即对于每一条块的剩余下滑力 其方向平行于该条块的底面 其中每 个条块之间只传递压力不传递拉力 它适用于复杂荷载作用下的任意形状滑动面的 达连河露天煤矿南帮边坡稳定性分析 25 滑坡推力的求解 最后一个条块的剩余下滑力为0 剩余推力法假定条块间作用力的方向 其重要前提就是假设当前条块在分界面 处对下一块体的推力的方向平行于当前条块的底滑面 然后根据平行于底滑面和垂 直于底滑面两个方向的合力为零以及最前缘一块的剩余推力为零进行迭代求解 将 整个滑体进行求解后 取其中的第i 号条块 假定第 i 1 号条块传来的力的方向 平行于第 i 1 号条块的底滑面 而第 i 号条块传给第 i 1 号条块的力的方向平行于 第 i 号条块的底滑面 如图 4 2 所示