露井联采边坡稳定性与加固监测研究

1、 矿 联井 工 业广场 周 边陡 帮 边坡 安 全性 评 价 及 滑 坡 防 治 研 究 项 目 硕 士 研 究 生： 童丞 茎 ： 硕 士 学 位 论文一 青岛 理 工 大学 学 位 论文 使 用 授 权 声 明 目录目 芯 勘尘 啊 芯 磕康 摹 芯 恳庖 濉 第 卤 咂鹿 谈 趴黾拔 榷 杂 跋 煲蛩 亍 边坡 变 形 稳 定 性 分 析 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文 边坡 加固前后稳 定 性 对 比 我 国 露天 矿 数 量多 、 规 模 大，而 露天 矿 边坡 的 稳 定 性 直 接 影响煤 炭安 全生产 。 随 着 国 民经济建 设 的 快 速发展，煤 炭工

2、业规 模迅 速扩 张，露天 开采难 度加大，为 了 满 足 煤 炭需求 ，许 多 大型 露天 矿 相 继 进 入 井 工 开采阶 段 。 在 复 杂 的 矿区地 质 条件 、 降雨 入 渗 、 动 荷载 和 露井 联采联合 影响下，露天 矿 边坡 的 稳 定 性降低 ，对 矿 区生产 安 全产 生威 胁 ，进 而 制约 了 经 济的 快 速发展。 本 文 以 中煤 平朔 安 太 堡 露天 矿 西 北帮 边坡 为 研 究 对 象 ，评 价 了 边坡 在 露井 联采条件 下的 稳 定性 ，采用 预应 力锚 索对 边坡 进 行加固监 测 ，评 价 了 加固前后露天 矿 边坡 的 稳 定性 ，根 据

3、应 力和 位 移监 测 数 据 对 边坡 的 变 形 发展进 行预测 预报 ，从 而 保 障了 矿区煤 炭的 安 全生产 。边坡 工 程 的 具 体 特 点 ，分 别 介 绍 了 露天 矿 边坡 的 滑 坡 现状 ，以 及 露天 矿 边坡 存在 的 安 全隐 患 ，并 分 析 在 自然风 化 、 降雨 入 渗 、 地 震 作 用 、 采空 区塌 陷 、 坡 脚开挖 、 斜坡 加载 、 爆破震 动 、 工 农 业和 生活用 水 渗 透 、 植 被 破坏 等条件 下对 边坡 稳 定 性 产 生的 影响。 从 露天 矿 边坡 内 因 和 外因 两方面 简要分 析 了 边坡 滑 坡 产生的 原 因 ，

4、为 边坡 稳 定 性 的 进 一步分 析 打 下基 础 。坡 在 自重应 力作 用 下的 稳 定 性 ； 分 析 地 震 作 用 下边坡 动 态响应 ，在 度地 震 条件 下，露天 矿 边坡 工 程 趋 于 不 稳 定 状 态，随 着 地 震 持时的 增 加，边坡 监 测 点 的位 移产 生了 由 小 到 大持续增 长的 现象 ，当 水 平 位 移的 增 长值 超 过 岩 土体 的 某 一弹 性 位 移极 限 后，将会 在 岩 土体 中产 生不 可 逆 的 塑性 变 形 破坏 现象 ； 同时分 析了 降雨 对 露天 矿 边坡 稳 定 性 的 影响。 擞 肍 砑 治 鲈 诰 2商 跫 侣 短炜蟊

5、咂碌奈榷 裕 群坏 趋 势进 行预测 。 捎 迷 K鞫月毒 2杀 咂陆 屑 庸 碳 嗖 猓 擞 肧 软 件 计算 瑃 瑃 ，】 畉 琣 籙 ； 籑 籗 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文煤 炭资 源 是我 国 最 主要的 一次 性 能 源 ，也是一种 非常重要的 战略 资 源 。 我 国是一个 典 型 的 富 煤 、 缺 油 、 少 气 的 国 家 。 随 着 我 国 经 济的 持续高 速增 长，煤 炭资源 的 经 济价 值 将在 未来得 到 不 断 提 高 ，需求 增 长将明 显 加快 。 由 于 煤 炭资 源 的 不根 据 不 完全统 计，在 中国 的 大中型 露天 矿 边

6、坡 中，不 稳 定 或潜在 不 稳 定 边坡露井 联采是指在 矿 层 的 开采上采用 露天 开采和 井 工 开采联合 开采的 方法。 根据 两者开采时序 上的 差 异 ，大致 可 分 为 以 下四 种 情 况 【 ： 先期 进 行地 下开采，再进 行浅部 露天 开采； 先期 露天 开采浅部 资 源 ，再采用 井 工 进 行深部 开采； 露天 与地 下同期 开采，即两种 开采方法同期 进 行开采； 不 同于 上述三 种 情 况 的 复 合 型 开采。 软 件 模 拟加固结构 与 边坡 的 共同作 用 ，进 而 分 析 加固监 测 措施 对 露井 联采下边坡的 稳 定 性 影响问 题 ，并 对 加

7、固后边坡 的 稳 定 性 做 出合 理 评 价 。 通 过 分 析 边坡 在 加固后收集到 的 应 力和 位 移数 据 ，针 对 数 据 分 析 结果 做 出及 时有效 的 边坡 滑 动 预报 ，从 而 为 露天 矿 边坡 的 综 合 治 理 提 供 科 学 依 据 ，以 保 证 整 个 矿 区的 安 全生产 和 经 济效 益 的 稳 定 增 长。 等【 】应 用 有限 元 法分 析 边坡 稳 定 等进 行了 尾 矿 边坡 的 动 态边坡 稳 定性 分 析 ； 珽 萚】提 出了 边坡 稳 定定 性 分 区的 方法。 停 止 蠕 变 或缓慢蠕 变 谒 偃浔洌槐 洌谷 浔洹叛嗑提 出了 一种 基于

8、 分 布 坡 脚 开挖 、 斜坡 加载 、 爆破震 动 、 工 农 业和 生活用 水 渗 透 、 植 被 破坏 等条件 下对 边坡 稳 定 性 产 生的 影响。 从 露天 矿 边坡 内 因 和 外因 两方面 简要分 析 了 边坡 滑坡 产 生的 原 因 ，为 边坡 稳 定 性 的 进 一步分 析 打 下基 础 。 均在 以 上。 本 井 田 东部 邻 近 洪 涛 山 ，北西 是西 石 山 脉，南 部 相 接 朔 县 平 原 。井 田 内 山 丘连绵 ，沟 壑 纵横 ，植 被 稀 少 ，基 本 为 第 四 系 黄 土覆盖 ，地 形 大致 为中部 低 ，两边高 ，属于 山 西 黄 土高 原 朔 平

9、 台 地 之 低 山 丘陵 ，区内 黄 土台 地 曾 经受 强 烈的 侵蚀切 割作 用 ，加之 区内 植 被 稀 疏，形 成 峁 、 梁、 塬等黄 土高 原 地 貌景 观 。温差 也在 以 上。 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文层 硬 质 及 软 质 耐火 粘 土，砂 质 泥 岩 及 泥 岩 中常含植 物 化 石 ，底 部 常有一层 不 稳 谒 南 井 田 内 太 原 组 煤 层 可 分 为 三 个 煤 组 ： 上煤 组 为 翰 悖 忻 鹤槲 撑 煤 层 ，局 部 可 采。井 田 内 可 采煤 层 为 骸 群 、 存 煤 层 ，共 忝 海 渲 群 、 撑 煤 层 为 全区主位

10、 于 太 原 组 最 上部 ，距 山 西 组 底 砂 岩 约 ，为 上煤 组 主要可 采煤岩 ，底 板 多 为 砂 质 页 岩 、 页 岩 、 炭质 页 岩 及 砂 岩 。 煤 层 结构 较 为 复 杂 ，一般 含 均厚 。 本 煤 层 稳 定 发育 ，除局 部 风 化 外，其余 全区可 采。 撑 煤 层 根 据 矿 区内 岩 层 的 地 质 特 征 以 及 物 理 力学 性 质 ，本 矿 区内 岩 体 结构 面 分 为沉 积结构 面 、 构 造结构 面 及 次 生结构 面 ，软 弱 夹 层 分 为 原 生软 弱 夹 层 、 次 生软弱 夹 层 。 沉 积结构 面 主要包括层 理 面 、 不

11、整 合 面 。 其特 点 是层 理 面 产 状 与 岩 层基本 一致 ，不 整 合 面 产 状 与 地 层 斜交，沉 积结构 面 空 间延 续性 强 ，表面 平 整 ，一般 层 状 分 布 ，接 触面 物 质 较 软 弱 ，为 层 间软 弱 面 。 层 主要为 粉 质 粘土中的 上层 滞水 ，静 止 水 位 旮质 粘 土，为 相 对 隔水 层 ，层 位 及 层 厚 不 很 稳 定 ，含水 层 与 相 对 隔水 层 相 间成 层基 岩 含水 层 的 补 给 入 渗 量极 为 有限 ，所 以 大部 分 补 给 来源 于 区外补 给 区的 直 接 ，其西 面 、 北面 为 青 岛 理 工 大学 工

12、程 硕 士 学 位 论文渗 透 、 植 被 破坏 等因 素 的 影响。 浅析 边坡 滑 坡 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文隐 一 ，影井 下回 采区 彳 回 采区 回 采中 露天 矿 井 下开采 煤 与 煤 示 意 图 要外部 条件 。 较 多 情 况 下，强 降雨 是浅层 堆 积物 滑 坡 发生破坏 的 主要诱 因 ，对堆 积体 的 初 始 位 移激 发、 间歇 性 蠕 变 、 滑 动 变 形 ，以 及 失 稳 剧 滑 的 各 个 阶 段 都有不 小 影响。 浅层 堆 积物滑 坡 特 定 的 物 质 组 成 、 结构 性 状 及 厚 度条件 等决 定 降雨 入 渗 速度、

13、 下伏 滑 床 面 汇 流 状 况 及 水 力影响程 度，最 终 导 致 了 这类滑 坡 对 降雨 的 特 殊敏 感 性 。降雨 对 边坡 岩 体 起 加载 作 用 ，增 加岩 体 容 重，将产 生水 压 力。 同时降雨 将侵蚀、 冲 刷 坡 脚 ，破坏 坡 体 ，改 变 边坡 结构 。 降雨 形 成 的 地 表水 径 流 改 造坡 体表面 甚至 形 成 各 种 类型 的 冲 沟网 ，导 致 坡 体 解体 ； 雨 水 入 渗 ，可 以 直 接 成 为 地下水 的 补 给 源 ，改 变 坡 体 原 有的 渗 流 场 ，使 滑 体 处 于 干 、 湿交替状 态，不 利 于坡 体 的 稳 定 。 大

14、气 降雨 入 渗 下界 往往微 、 细颗 粒 富 集，离子交换 频 繁 ，亲 水 成分 增 加，这是滑 体 中易 变 形 的 部 位 ，成 为 滑 体 主滑 动 控 制界 面 之 一。 降雨 补 给地 下水 ，导 致 地 下水 位 变 幅 ，久 而 久 之 ，地 下水 位 历 年 变 化 也促 使 滑 坡 在 地 下水 位 变 幅 带内 微 、 细颗 粒 积聚 ，亲 水 成 分 的 增 加，成 为 易 变 形 的 部 位 ，即另 一滑 体 主滑 动 控 制界 面 。 雨 水 对 边坡 岩 体 产 生物 理 、 化 学 破坏 作 用 。 雨 水 渗 入 ， 改 变 边坡 力学 性 能 。一定 条

15、件 下，岩 体 矿 物 吸 收或失 去 水 分 子而 发生水 化 作 用 或脱 水 作 用 ，吸水 或脱 水 过 程 中都 能 引 起 矿 物 体 积的 膨胀或收缩 ，从 而 导 致 岩 体 松散破碎 或改变 其化 学 成 分 。 水 的 有关 化 学 作 用 和 气 温的 物 理 作 用 相 配合 ，将促 使 风 化 作 用向 地 质 体 深部 扩 展和 扩 散，使 岩 体 的 破坏 更 为 严 重。 俗 话说“无 水 不 滑 ”，水本 身赋存 于 滑 动 面 之 间形 成 润 滑 介 质 ，使 颗 粒 间和 滑 面 的 摩 擦系 数 下降，特 别是当 有粘土质 充 填 物时，水 的 润 滑

16、 作 用 更 甚。 当 边坡 岩 体 有易 溶 于 水 的 矿 物，如 含盐 的 粘 土质 页 岩 等，浸 水 后易 发生质 的 变 化 ，产 生泥 化 现象 ，极 大地 破坏边坡 的 稳 定 。 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文 是由 美国 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文卜， 的 一般 求 解流 程 值 分 别 对 研 究 区域 的 工 程 岩 体 进 行分 级，评 判 结果 见图 。 粘 结力泊 松比 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文 图 短炜蟊咂耏 方向 应 力云 图 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文运 算时步增

17、加而 逐 渐趋 于 极 小 值 ，说明 计算是稳 定 的 。 地 震 作 用 下边坡 动 态响应 分 析关 于 地 震 动 力反 应 分 析 ，我 国 建 筑抗震 设 计规 范 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文 坚 硬 岩 石 中等破坏 严 都 渚 聿 忝 婧 脱 腋芙 哟 涣 图 鞫鹊卣 鹣 卤 咂露 氲准 嗖 獾 鉿方向 加速度曲 线 图 式 中，为 形 状 因 子， 姨 辶严 都 舛 说挠 慷 纫 蜃 樱琱 为 充 满 水 裂 隙 深在 本 模 型 中，作 用 在 裂 纹 面 匕 最 大。 为 式中，根 据 文 献【 蠩 玐式 中， 。 为 岩 体 裂 隙 韧 性 指标

18、 。综 上所 述，在 充 满 水 裂 隙 可 自动 扩 展的 极 限 深度： 即对 充 满 水 裂 隙 而 言，其失 稳 扩 展的 判 据 ：简要介 绍 了 软 件 及 其特 点 与 求 解流 程 ，利 用 该 软 件 对 边坡 的 变 形 稳定 性 进 行分 析 ，得 出露天 矿 边坡 的 中上部 以 沉 陷 变 形 为 主，在 煤 层 附 近 位 置 出现应 力集中的 现象 ，露天 矿 底 部 、 煤 层 赋存 处 、 边坡 上部 均出现拉 应 力导 致 的塑性 区域 ，极 大的 影响边坡 的 稳 定 性 。 部 分 区域 出现剪 切 屈服 ，后期 过 程 中可能 在 风 化 、 降雨 作

19、 用 下边坡 体 强 度降低 ，局 部 岩 块 碎 裂 发生滑 塌 破坏 。 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文 图 煤 层 回 采结束 露天 矿 边坡 竖 向 位 移云 图竖 向 变 形 为 主，位 移矢 量指向 下方采空 区： 边坡 下部 则 以 向 临 空 侧 的 变 形 为 主，在 上部 及 后方坡 体 的 变 形 挤 压 作 用 下向 露天 采空 区内 变 形 ； 边坡 下部 坡 体 表面一定 范 围内 产 生拉 应 力，坡 体 内 部 靠 近 采空 区端 部 产 生剪 应 力集中区，可 见坡体 同时有向 下方采空 区沉 陷 和 向 临 空 侧 露天 采空 区内 发生

20、水 平 位 移这两种 变 形趋 势，变 形 和 受 力都 十 分 复 杂 。 。 浚 图 煤 层 回 采一半 时边坡 竖 向 位 移场 图 图 煤 层 回 采一半 时边坡 的 最 大主应 力场 图 煤 层 回 采一半 时边坡 的 剪 应 力场 图 ： 卧黜搿眦 鮩 吣吣 吲吲 !猐 厂 一 左 右 。 在 趺 翰 悴煽 涨 撑 煤 层 开采联合 影响下，露天 矿 边坡 下部 以 水 平 变 形入 渗 作 用 下，边坡 的 破坏 范 围进 一步扩 大，受 拉 破坏 的 单元 数 目呈 急剧 增 加的 蹩嚣 麓 蓝 圈疆 圈圈豳圈 麓 豳 豳豳翻瞄豳圈圈豳豳豳豳糊 豳豳豳豳豳鬯 豳豳豳豳豳 豳豳豳

21、鲻隧嚣 圈可 使 用 自动 搜 索方法来寻 找圆弧 或非圆弧 滑 动 面 ；边坡 稳 定 性 概 率分 析 ，并 确定 可 靠 指标 ； 预应 力锚 索的 加固机 理当 边坡 处 于 不 稳 定 状 态情 况 下，通 常需要对 其采取 一定 的 加固措施 来提 高 边坡 的 稳 定性 。 在 众多 加固边坡 的 方法中，采用 预应 力锚 索主动 加固露天 矿 边坡 工程 ，具 有安 全可 靠 、 技 术 先进 和 经 济合 理 等优 点 ，从 而 被 广泛 应 用 在 露天 矿 边坡工 程 中。 随 着 我 国 岩 土工 程 的 快 速发展，预应 力锚 索锚 固技 术 也越 来越 受 到 重视

22、，而 在 大型 的 水 利 水 电 与 矿 山 边坡 工 程 当 中都 有大量的 预应 力锚 索锚 固设 施 。在 预应 力锚 索锚 固体 系 中，钢绞 线 索体 被 认为 只能 承 受 轴 向 拉 力，不 能 承 受轴 向 压 力或者弯 矩 。 当 索体 本 身强 度达 到 一定 值 ，锚 索失 效 可 能 变 成 索体 与 浆 体的 接 触面 剪 切 破坏 或者周 围岩 土体 与 浆 体 的 接 触面 剪 切 破坏 。 浆 体 的 摩 擦特 性 和粘聚 力体 现了 索体 浆 体 一岩 土体 接 触面 的 抗剪 特性 ，如 图 所示为 预应 力锚 索锚固体 系 力学 关 系 。 锚 索看作

23、理 想 弹 塑性 体 ，适合 强 度准 则 。 在 单位 长度上的 锚 索剪 力与 浆 体 的 变 形 刚度有关 ，即单位 长度上锚 索在 浆 体 中的 最 大剪 力由 下式 确定 ：效 压 力； 宓 哪 谀两牵 锚 孔 周 长。近 年 来，专家 学 者对 预应 力锚 索的 学 术 研 究 也取 得 了 很 多 成 果 ，如 叶林 海 等 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文建 立 边坡 实 施 加固前后的 计算模型 。 在 稳 定性 计算当 中同时计算在 考 虑地 下水 位 、 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士 学 位 论文应 用 摩 尔 一库 伦 理 论，计算所 得 露天

24、 矿 边坡 加固前的 稳 定 系 数 为 。 边坡为 了 保 持边坡 的 稳 定 ，采用 预应 力锚 索加固边坡 ，采用 预应 力锚 索加固边坡 ，能 够 提 供 足 够 的 抗滑 力，并 能 提 高 潜在 滑 移面 上的 抗剪 强 度，有效 地 阻 止 坡 体 位移。 加固后模 型 如 图 荆 肧 软 件 计算露天 矿 边坡 在 加固后危险 滑 动 面 的 稳 定 系 数 ，垂直 划 分 了 蹩 椋 玫 郊扑 憬 峁 缤 所 示 。 得 到露天 矿 边坡 的 稳 定 系 数 为 ，符 合 规 范 要求 。 地 下水 与 地 震 对 加固后边坡 的 影响 青 岛 理 工 大学 工 程 硕 士

25、学 位 论文 危 及 人数 要想 做 出准 确超 前的 滑 坡 预报 ，必须 采取 “逐 步逼 近 ”的 工 作 方法，不 间断地 采集下滑 力动 态信 息，随 时对 预报 结果 进 行修 正 ，才能 获得 最 好 的 结果 。 即使是在 临 滑 预报 阶 段 也不 例 外。 但 是临 近 发生剧 滑 时，为 了 安 全起 见，监 测 人员 必须 远离滑 坡 区，不 能 再到 滑 坡 体 上测 量或读 取 相 关 数 据 ，所 以 研 制开发滑 坡 体 远程 监 测 预报 系 统 势在 必行。对 于 室外设 备的 安 装 与 调 试要符 合 以 下各 项 技 术 指标 ： 青 岛 理 工 大学

26、 工 程 硕 士 学 位 论文 北斗 卫 星 通 讯 系 统 必须 安 装 在 与 监 测 点 通 视条件 良 好 的 地 方，我 们 选 择采 瓣 疑。 ，一一 一鬻息圜 一丕一天妾卜 本 稳 定 ，结合 应 力监 测 数 据 判 断 边坡 处 于 稳 定 状 态。 本 章 小 结 本 文 以 中煤 平 朔 安 太 堡 露天 矿 西 北帮 边坡 为 研 究 对 象 ，根 据 现有工 程 地 质勘察 资 料 、 广泛 运 用 工 程 地 质 学 、 边坡 工 程 学 等学 科 理 论，分 析 了 影响边坡 稳定 性 的 因 素 ，进 一步探 讨 边坡 产 生滑 坡 的 原 因 。 通 过 数 值 模 拟进 一步分 析