（地质工程专业论文）铜川矿务局北区采煤引起的边坡变形分析与研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 铜川矿务局北区采煤引起的边坡变形分析与研究 地质工程 张秦华 陈练武 ( 签名) ( 签名) 臣墨丛 f 摘要 铜川i 矿务局北区一焦坪矿区，地处陕北黄土高原南缘，地势西北高而东南低，为低 中山地貌单元。同时，该区黄土覆盖层厚度较小。矿区有玉华、下石节、陈家山三个矿， 煤炭资源丰富。主采4 2 4 煤层，煤厚8 2 0 m 之间，采深为4 5 0 5 0 0 m 不等。开采方法 以走向长壁放顶煤为主，煤层项板实行全部跨落法管理模式。在地下采煤的影响下，边 坡发生变形与失稳活动，且频频发生。这不仅给矿山人民生命财产带来严重危害，而且 严重制约矿山的正常发展。所以，对采煤引起边坡的变形进行研究具有现实意义。 本文结合铜川矿务局“焦坪矿区综放开采岩层与地表移动规律研究”项目，以玉华矿 和下石节矿为主要研究对象。首先对矿区边坡的工程地质条件进行了调查。在此基础上， 运用f l a c 软件，对1 4 0 7 工作面( 玉华矿) 和2 1 1 工作面( 下石节矿) 的采场边坡的 变形情况进行模拟。在模拟过程中，考虑了岩石类型、坡体形态、煤层覆存条件、工作 面与坡体的相对位置、工作面推进方向、开采速度、采场来压等因素对坡体的影响。再 者，运用模拟结果和现场地表移动观测数据、覆岩破坏钻孔探测数据，从基础理论和实 践两个方面，确定影响该区边坡变形的因素及引起边坡变形的机理。最后，利用前面两 个边坡的岩体力学参数，建立模拟模型对未采区的边坡变形进行预测。 通过以上理论分析和数值模拟，得出该区采煤边坡变形方式为：以坐落滑移变形为 主，因受岩性的影响有的坡体出现错落滑移变形。 关键词：边坡变形；采动坡体；开采沉陷；变形机理；数值模拟；f l a c 3 d 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y ：t h ea n a l y s i sa n ds t u d yo nd e f o r m a t i o no fe x c a v a t e ds l o p ei n n o r t ho ft o n gc h u a nm i n i n gb u r e a u ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：z h a n gq i n h u a i n s t r u c t o r ：c h e nl i a n w u ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t 铂凯。觚眦 j i a op i n gd i g g i n g s ，n o r t ho ft o n gc h u a nm i n i n gb u r e a u ，l i e si nam o u n m i n o u sa r e ai n s o u t ho fl o e s s i a la l t i p l a n oi ns h a n b e i t h et o p o g r a p h yi nn o r t h w e s ti sh i g hb u tt h es o u t h e a s t t o p o g r a p h yi sl o w t h i sa r e at h i c k n e s so f l o e s si st h i n i th a st h r e ed i g g i n g s ：y u h u a 、x i a s h i j i e 、 c h e n j i a s h a na n dt h ec o a lr e s o u r c ei sr i c h t h e4 - 2 ”c o a lb e di sp i c k e dw h i c hi s8 2 0 m t h i c k n e s s t h ec o a la v e r a g ed e e pi s4 5 0 5 0 0 m t h em e t h o do fm i n i n gc o a li sa l o n gt h el o n g w a l lt op i c kc o a l ，a n dt h ec o a lt o pf a l l sf r e e l y u n d e rt h eu n d e r g r o u n dm i n i n gc o a li n f l u e n c e ， t h et r a n s f i g u r a t i o na n du n s t e a d i n e s so fs l o p eh a v eo c c u r e df r e q u e n t l y t h e s em o v e m e n t sh a v e n o to n l yb r o u g h ts e r i o u sh a r mf o rt h el i f ea n dp r o p e r t yo fm i n ep e o p l e ，a l s os e r i o u s l y r e s t r i c t e dm i n en o r m a l d e v e l o p m e n t s o t h er e s e a r c ho fm i n e ds l o p eh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ep r o j e c to f t h er o c kl a y e ra n dt h es u r f a c em i g r a t i o nr u l eo ft o n gc h u a n d i g g i n g s ”，t h i sa r t i c l er e g a r d sy u h u aa n dx i a s h i j i ea sr e s e a r c ho b j e c t s f i r s t ，i th a sc a r r i e do n t h ei n v e s t i g a t i o nt ot h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o no fs l o p ei nm i n i n ga r e a a n di t h a s s i m u l a t e dt h ed e f o r m a t i o no f14 0 7w o r k i n gs u r f a c e ( y u h u a ) a n d2 11 w o r k i n gs u r f a c e ( x i a s h i j i e ) b ys o f t w a r ef l a c i nt h es i m u l a t i o np r o c e s s ，i th a sc o n s i d e r e dt h e s ef a c t o r s ：t h e r o c kt y p e ，t h es l o p es h a p e ，t h ec o a lb e dc o n d i t i o n ，t h er e l a t i v ep o s i t i o no fw o r k i n gs u r f a c ea n d t h es l o p eb o d mt h ew o r k i n gs u r f a c ea d v a n c e m e n td i r e c t i o n ，t h em i n i n gs p e e d ，t h ep r e s so f r o c k s e c o n d ，u s i n gt h ea n a l o g u er e s u l ta n dt h es p o to b s e r v a t i o nd a t ao fs u r f a c em i g r a t i o n ，t h e d r i l lh o l es u r v e yd a t ao f r o c kd e s t r u c t i o n ，i th a sd e t e r m i n e di n f e c t i v ef a c t o r sa n dd e f o r m a t i o n m e c h a n i s mf r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e f i n a l l y ，u s i n gt h ef r o n tr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r so f t w os l o p e s ，i th a se s t a b l i s h e dt h ea n a l o gm o d e l i n gt of o r e c a s tt h ed i s t o r t i o no fs l o p ei na r e a w h i c hh a sn o te x c a v a t e dc o a l t h r o u g ha b o v et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，i th a so b t a i n e de x c a v a t e d s l o p ed i s t o r t i o nw a y o ft h i sa r e a ：t h es l o p ep r i m a r yd i s t o r t i o ni ss i t t i n ga n ds l i p p a g e ，a n dt h e s l o p eh a so c c u r r e do c c a s i o n a l l yd e f o r m a t i o no fa n o m a l ya n ds l i p p a g eb e c a u s eo fd i f f e r e n t l i t h o l o g y k e y w o r d s ： s l o p ed e f o r m a t i o n m i n e ds l o p e m i n i n gs u b s i d e n c e d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m t h e s i s： a p p l i c a t i o ns t u d y n 啪e r i c a ls i m u l m i o n f l a c 3 d 西要料技史肇 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：日期： 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：指导教师签名： 汐d叭肌 名昝r ，a 体难 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 1 1 1 选题背景 铜川矿务局北区一焦坪矿区，是铜j l l 矿区北部的一个矿区，位于陕西省铜川市北部， 南北长2 6 5 k m ，东西宽3 8 4 k m ，含煤面积1 0 3 1 k m 2 , 地质储量6 2 9 4 2 5 万吨，可采量 4 1 0 9 6 4 万吨。下属三个矿：玉华、下石节、陈家山。煤炭资源丰富，是我国西部重要 的煤炭生产基地，累计采出煤炭约2 5 9 4 7 万吨，为我国国民经济的发展做出了贡献。 矿区地处陕北黄土高原南缘，地势西北高而东南低，海拔+ 8 0 0 + 1 4 0 0 m ，为低中 山地貌。黄土覆盖层厚度较小，平均1 5 m 。黄土节理发育，分布广泛，容易引起边坡滑 动。整个矿区主要开采3 # 、4 1 “、4 2 8 煤层，平均采深为4 5 0 , , 5 0 0 m ，以走向长壁放顶 煤开采为主，顶板实行全部跨落法管理模式。目前采空区面积达1 6 5 7 k m 2 ，在雨水和重 力的长期作用下，地表出现变形：平地出现裂缝及地表下沉，山地出现小规模的滑坡。 近年来，斜坡变形与失稳活动频频发生，斜坡变形所引起的灾害已成为非常突出的地区 性问题。据统计，斜坡变形面积约2 k m 2 ，占总面积的1 0 。仅1 9 8 2 一1 9 8 5 年因斜坡变 形与失稳活动造成人身伤亡事件达2 0 起，直接经济损失1 0 0 0 万元之多。而整个矿区的 工作面大部分位于坡体之下，随着开采面积日益增大，由此而引起的边坡问题也日益严 重。 同时，地表大面积下沉和塌陷，造成大批房屋、厂校、构筑物、交通设施、道路管 线、公共设施、耕地、水源等产生严重的破坏和全区生态环境的恶化，给矿区人民生活 和各类生产活动带来极大的困难，对人民群众的生命财产安全构成严重的威胁，严重影 响本地区的可持续发展和社会稳定。因而研究该区采煤引起的边坡变形问题，进而对采 煤沉陷区进行综合治理已迫在眉睫。 1 1 2 研究意义 地下有用矿物被采出后，破坏了采区周围岩体内部的原始应力平衡状态，使岩层产 生移动、变形和破坏。当开采面积达到一定范围后，起始于采场附近的移动将扩展到地 表，引起地表变形、沉降、山体滑坡，不仅是关系煤炭企业能否持续发展的重大问题， 而且是直接影响国民经济( 尤其是农业) 可持续发展的重要问题。 焦坪矿区属于低中山区，沟谷深切，地形破碎，高差不等。地下开采为大采深和大 采厚，且采空区面积大。在岩体自重和雨水的长期作用下，山地己出现规模不等的滑坡 西安科技大学硕士学位论文 和崩塌。因此，对采煤引起边坡的变形进行研究，并在此基础上对该区的边坡的稳定性 进行预测，对该区的生产和生活具有现实意义。 1 2 边坡变形问题的研究现状 1 2 1 国内外边坡变形问题的研究现状 我国大中型矿山众多，规模宏大，占地面积广，边坡高度一般为3 0 0 5 0 0 m 。随着 开采深度的增加，导致边坡稳定性即边坡变形问题日益突出。人们习惯上将边坡未发生 滑坡时的变形视为边坡变形，如露天矿台阶面和地表面出现断续裂缝，运输铁轨出现轻 度的弯曲等，此时边坡并不失其完整性。边坡失稳破坏是指边坡变形到一定程度而导致 边坡解体、崩落、滑落而言的。边坡变形常是边坡破坏的前兆，但在一定条件下如能加 以整治，边坡往往不至于破坏【l j 。 边坡稳定性的分析研究始于上个世纪二十年代，最早是对土体的稳定性进行分析和 计算，其成果可见于瑞典的f i l l e n i u s 、美国的t e r z a g h i 和t a y l o r 的土力学经典著作中。 直到6 0 年代初，岩体边坡的稳定性与变形分析研究才开始进行。 边坡变形问题显然是一个时效变形体问题，即蠕动体变形，其动态变形至失稳破坏， 即破坏滑移面的形成是一个与时间有关的复杂累进性过程。边坡稳定性与变形问题比较 复杂，在不同时期，人们用不同的方法从不同的角度对边坡进行了大量研究。我国对边 坡工程的研究【2 】【3 1 1 4 1 5 】大致可分为3 个阶段： 1 9 8 0 年以前，对边坡的研究从边坡崩塌( 滑) 造成的地质灾害出发，定性的分析边坡 失稳的地质环境条件，进而利用类比法对边坡的稳定性进行初步评价。对边坡的稳定分 析与变形计算采用了二维极限平衡方法、块体理论法及数值方法。极限平衡方法是通过 潜在滑体的受力分析，引入摩尔一库仑强度准则，根据滑体的力( 力矩) 平衡，建立边坡 安全系数表达式进行定量评价，这种方法由于安全系数的直观性至今仍被工程界广泛应 用。数值方法如有限元法、边界元法、离散元法等。数值方法能从较大范围考虑介质的 复杂性，全面地分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和破坏机理的认识，较极 限平衡方法有很大改进和补充，但在起步阶段。 1 9 8 0 年一1 9 9 5 年，为适应大型矿建设和改扩建需要，开展了大量的区域工程地质 条件研究，在大量野外实地调研基础上，总结、分析各类边坡的工程地质条件与采矿工 程对边坡地质影响问题。但对边坡较高和采深大的问题研究较少。本阶段在理论上更先 进了，开始引入统计学、弹塑性力学、流变力学、灰色预测系统等理论和计算机技术。 在深入地研究了边坡岩( 石) 体的力学时间效应的基础上，对蠕动边坡变形的研究采用了 更先进的物理模拟和数值模拟方法，总结归纳出蠕动边坡变形破坏的类型和模式。在工 程实践中，对边坡稳定性评价常常把它作为二维问题来简化处理，一般情况下对于一些 2 1 绪论 几何形状不复杂的问题也能满足工程要求。灰色预测系统是将边坡视为一个灰色系统， 根据影响边坡稳定性的不确定因素之间发展状态的相似或相异程度，来衡量各因素间的 关联程度，确定它们对边坡稳定性的主次关系，从而对边坡的变形情况和稳定性进行分 析。目前在边坡工程中应用灰色预测系统预测模型进行边坡滑坡发生时间的预测较多。 在边坡变形监测手段方面，由于地下水压计和倾斜仪的使用使得蠕动边坡的变形破坏分 析定量化程度得到迅速提高。 1 9 9 5 年以后，在采矿和区域工程地质条件研究的基础上，进行了边坡变形与破坏的 动态研究，即蠕动边坡滑坡的变形破坏机制研究和稳定性动态评价。但对采深较深和采 厚较大而引起的边坡问题涉及较少。在研究方法上广泛引入了数学力学、分形几何、边 坡控制技术等，对于具有复杂几何特征的边坡变形问题与稳定性评价问题，把它作为三 维问题来处理。初步引用了蠕变分析法、模糊数学法、三维极限平衡分析法等1 6 j 。蠕变 分析法主要是找出边坡岩体中蠕变变形最大的软岩或软弱夹层，分析和计算它的蠕变情 况且认为边坡的变形特征主要由它来显现的。模糊理论在边坡稳定分析中的应用主要是 用隶属函数代替确定性方法中非此即彼的量，对那些边界不清的过渡问题进行描述，最 后用综合评判理论对边坡稳定性进行总的评价。极限平衡分析法主要是把边坡岩体的岩 块当作刚体来处理，认为岩块本身不变形，只考虑岩块在沿滑移面的平动与转动等。在 边坡变形的监测手段上开发了沉降仪、无缆倾斜仪等最新科技成果。 目前，在采矿边坡工程中，应用了非线性科学方法论和思维观。即建立在非线性科 学基础上的三维蠕动边坡的统一变形、破坏、失稳动态分析理论与边坡控制技术。对具 有复杂几何形状的高大边坡岩体进行三维蠕变变形计算。另外，还将神经网络、极限平 衡、数值计算等多种方法进行集成，建立了集成智能系统【7 j ，对边坡的变形与稳定性进 行综合分析与评价。它有两个最重要的领域是人工神经网络和专家系统：在边坡工程中， 专家系统的应用在于利用专家系统中的知识处理、知识运用和不确定性推理的技术去分 析边坡的稳定性；人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联想记忆功能，运用 网络存储的领域知识对边坡进行变形与稳定性分析。它既能提供定量的结果，又能进行 定性分析，还能进行专家似的咨询。总的来说，根据边坡的受力特点，对边坡变形与稳 定的计算方法可分为二大类【8 】：一类是刚性块体的极限平衡法；另一类是应力应变分析 法。一些大型有效通用和专用的有限元软件已应用于研究实际边坡变形与稳定性问题。 声发射【9 1 ( a e ) 技术已用于边坡变形破坏监测和边坡滑坡的预报顶测。 在国外【1 0 】，一些发达国家对矿山边坡工程的研究己广泛应用了非线性科学理论。在 监测手段上，已开发出岩移大变形监测设备及技术，利用卫星定位技术( g p s ) 及探地雷 达等高技术时时跟踪蠕动边坡变形、破坏及失稳全过程，提高了对边坡防灾减灾的预测 预报精度和研究水平。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 数值分析方法的发展 在岩土力学有关领域的数值分析方法应用中，常使用的方法有有限单元法 ( f e m ) 【11 】【1 2 】、边界单元法( b e m ) 1 3 】【1 4 】、离散单元法( d e m ) 、拉格朗日单元法 1 5 】及块体理 论等，或是上述几种方法的综合分析1 1 6 j 。 几十年来，在数值分析程序的开发方面，取得了很多成果，如康建荣( 1 9 9 9 ) 运用相 似材料模拟和离散元法研究了采动覆岩离层形成的过程、机理及基本规律，并开发了适 用于任意形状、多工作面、多开采线段的开采沉陷预计系统。常江( 1 9 9 5 ) 以弹塑性理论 为依据，将老采空区地层概化为一个连续介质和碎裂介质的祸合体，运用有限元法分析 了不同覆岩组合对采空区建筑地基稳定性的影响；s i r i v a r d a n e 和a m a n d a 、x l y a o 、w b o d 等学者相继运用有限元和边界元法研究了采动覆岩产生垮落的开采条件和垮落高度、覆 岩产生离层裂缝的力学条件及离层裂缝的位置和高度等；c u n d a l lp a 于1 9 8 5 年推出 了2 d 离散元程序u d e c 和3 d 离散元程序3 u d e c ；1 9 9 6 年东北大学的王泳嘉、刘连 峰开发出了3 d 离散元程序t r u d e c ；美国明尼苏达i t a s c a 咨询集团公司开发了显式 有限差分程序f l a c ，现在又开发出了三维f l a c 3 d 3 0 t 1 7 j ，它可应用于多种学科；美国 a n s y s 公司开发的大型通用有限元分析设计软件a n s y s ，目前该软件的最高版本已升 至a n s y s 8 0 ，具有强大的模拟功能；1 9 9 6 年日本软脑株式会社的宋文洲向中国市场推出 了新概念的土木结构分析系统2 d o 和3 d o 程序。这些为我们应用数值方法模拟边 坡应力分布和位移变化提供了有效工具。 1 3 本文的主要研究内容及方法 本文结合铜川矿务局“焦坪矿区综放开采岩层与地表移动规律研究”项目，以玉华矿 和下石节矿为主要研究对象，对1 4 0 7 工作面( 玉华矿) 和2 1 1 工作面( 下石节矿) 的 采场边坡进行研究。在系统科学方法论的指导下，充分考虑边坡所赋存的地质采矿条件 对边坡的制约和控制作用，将岩质山区边坡的应力应变模式、边坡变形及边坡机理 分析有机的结合在一起，在了解国内外研究现状和收集前人研究资料的基础上，采用数 值模拟方法，结合现场地表移动观测数据、岩石力学实验数据、覆岩破坏钻孔探测数据， 从基础理论和实践两方面分析了影响边坡的因素、边坡的变形方式及变形机理，旨在揭 示焦坪矿区采矿因素对边坡的影响，并对未采区边坡的变形情况进行预测。 主要研究内容如下： 1 边坡的地质环境研究 1 ) 通过地质调查，对区域地质环境、矿区地层、边坡岩组、岩性分布及构造特征、 变形破坏模式等进行分析； 2 ) 在岩石物理力学试验基础上，采用统计和多次计算方法确定边坡岩体力学参数。 4 1 绪论 3 ) 通过矿区的采矿资料，对矿区的开采条件及采煤工艺等进行分析； 4 ) 通过地质采矿资料，对影响边坡变形的因素、变形方式进行分析； 2 边坡变形的数值模拟研究 建立力学模型，采用f l a c 三维有限差分数值模拟，对1 4 0 7 面和2 1 l 面的采场边 坡变形情况进行研究，分析了影响该区边坡变形的因素及变形机理，进而预测了未采区 边坡在未来开采过程中的变形方式。 本文的研究思路和技术路线如图1 1 所示。 图1 1研究思路和技术路线 西安科技大学硕士学位论文 2 矿区边坡工程地质背景研究 2 1 地层 地层由老至新如下：上三叠系延长组；下侏罗系富县组；中下侏罗系延安组；中 侏罗统直罗组；下白垩系志丹组及第四系( 见图2 1 ) 。白垩统以砂岩和砾岩交互为主， 是典型的河床相沉积。砾岩成分以石英长石为主，粒径为2 l o m m ，钙泥质胶结，坚 硬；砂岩一般为中粗砂岩，厚层状结构，泥质胶结，较松软。侏罗系地层为粗砂、粉砂 岩、泥岩和煤交互组成，一般为层状结构，较坚硬。 2 2 构造 焦坪矿区位于鄂尔多斯台向斜之东南缘，总观其构造形态为一向北西倾斜的波状单 斜构造，其上发育了一系列北东和北西向的褶皱构造，二着相互交织长期发育，对该区 煤层的形成、赋存起着重要控制作用( 见图2 2 ) 。 北东向相皱主要有三关庙背斜、走马湾背斜、骆驼向向斜等。北东向褶皱排列的斜 列式说明了其逆时针方向的扭动性质。 北西向褶皱主要有东背塔向斜、阳沟背斜、南塔背崔家沟向斜、土谷粱背斜、杏树 坪向斜、七木桥背斜、杠树峁背斜、衣食村向斜等，北西向褶皱排列的斜列式，以及其 由东而西，褶皱深部愈益不甚明显的特征，说明了其顺时针方向的扭动性质，同时也由 于受到区域应力场的逆时针扭动作用的影响，多偏转北西西向。 从沉积特征分析，本区北东向和北西向褶皱构造的形成都具有长期性发育的特点， 在成煤前期己存在，在成煤期间同沉积褶皱的性质又十分明显，成煤后期仍继承性的发 展，只是晚期燕山运动使北东向褶皱相对强化，因而在褶皱表现形式上显示了居主导地 位。 2 3 煤层特征 1 ) 煤层分布特征 延安组为本区含煤地层，可分四个含煤组。从上到下分别称为1 ”、2 4 、3 “、4 ”煤组， 煤层总厚度l o - - 2 0 m ，最厚可达4 0 多米。采用粒度旋回、标志层、煤层物性规律、煤层 厚度、结构、顶底板性质、层间距等综合分析，煤层对比结果为：4 - - 2 4 煤成层分布， 厚度较稳定，一般在8 - - 2 0 m 间变化。而2 - 3 “煤由于成煤环境不稳定，煤层常分岔尖 灭，标志层、层间距离多变。仅小片可采。1 8 煤仅个别点分布，不可采。 6 2 矿区边坡工程地质背景研究 地层 柱状 厚度 岩性描述 界系统 群组 符号 新第 更 槭i 斟埝 生 四新q oo o oooo 0 1 6 5黄土 界系 统 f 垡 4 池 k 1 从上至下分为四段：华池岩，厚4 6 9 m ； 组 白 下 o on 风凰山砾岩，厚1 5 4 m ；洛河砂眼厚1 7 0 m ； 凤 nnn 凰 3 o 0 宜君砾岩厚3 1 6 m 。 k lo o0 山o o 4 1 0 恶 组 上部为棕红色砂岩，紫红色泥岩，黄灰 洛 - 由 统 河 2 及青灰色砂岩。 k 1 o o 中部为肉红色砂岩，上部为砂岩及泥岩； 系 组 下部为砾岩 宜 1 o oo oo 君k 1 组 由 直 3 2 8 l 紫红色粗砂岩、含砾砂岩及粉沙岩互层 生 统 罗 j z z o o o o o 组 侏 0 3 6 有两个沉积旋回，上部为条带状紫灰色泥岩，富含绿 j l 兰2 y 1 5 2 0色、棕色泥岩碎块；底部的粗砂岩不稳定 由 延 0 7 1 砂岩或沙砾岩，各旋回上部为粉细砂岩，含局部可 下 界 罗 包括两个沉积旋回，旋回底部为灰色、灰白色中粗 安 j 卜2 2 y 3 5 4 0 采的二三号煤 统 主要含煤段，由炭质泥岩、煤层、砂质泥岩，粉砂岩 j11-1525 组成，古河床范围为一套5 0 - 6 0 m 的灰白色中粗砂岩或 - 组 o 8 9 砾岩，含主采4 号煤组，平均厚度8 m 下 女 j l f 0 7 2 下部为灰绿色、灰白色，中细砂岩，局部有 统 昌 上部紫色泥岩、砂质泥岩为主，团块状俗称花斑泥岩， 县 组 上 延 i = 1 0 砾岩 长 t a y 叠 5 1 0 1 9 9 0 统 中细粒砂岩、粉砂岩及泥岩互层 群 系 西安科技大学硕士学位论文 图2 2焦坪矿区构造图 2 4 水文地质条件 主要有三个含水层，自上而下为： ( 1 ) 第四系下部砂岩含水层：主要分布于河床、沟谷地带，系洪冲积层。区内含 水层厚度较小且稳定，岩性为含泥砂砾岩。由于本层直接受大气降水和地表河流的补给， 故浅部煤层，尤其是沿煤层露头的低洼处有充水影响。 ( 2 ) 志丹组洛河砂岩含水层：本层为煤系地层之上的主要含水层，厚度约1 6 - 1 7 7 m ，岩性为肉红色中粗砂岩，属裂隙潜水含水层。本层分布广，富水性较好，距下伏 可采煤层近。本层底部为宜君组厚层巨砾岩，泥钙质胶结，裂隙不发育，是本层的相对 隔水层。该层平均厚度约1 8 m 。 ( 3 ) 三叠系延长组上部砂岩含水层：本层为煤系地层的基底，厚度约0 1 2 5 m ， 岩性以黄绿、灰绿和深灰色砂岩为主，属裂隙含水层，一般富水性较弱。 2 5 开采技术条件 1 ) 煤层顶底板工程地质特征 主采4 2 “煤层：伪顶为黑色泥岩或炭质泥岩，分布较普遍，厚度一般小于0 5 m 。直接顶 为黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩夹簿煤层，厚度3 - - - 5 m ，矿压观测初次垮落步距为1 6 , 、- , 2 0 m ， 抗压强度1 2 9 0 - - - 2 7 4 7 m p a ，抗剪强度为1 2 8 5 1 7 1 m p a ，抗拉强度2 8 - - - 3 7 3 m p a , 属i 类 2 矿区边坡工程地质背景研究 顶板( 即不稳定顶板) 。老顶为中粗砂岩，有时相变为细、粉砂岩，厚度0 9 - 3 0 7 m ，一般厚 1 3 7 6 m ，力学试验平均抗压强度2 0 8 2 m p a ，矿压观测周期来压步距8 1 l m ，初次来压步距 1 9 1 m ，支柱载荷最大5 8 5 t k m 2 ，平均2 3 5 t k m 2 ，顶板t = j 冗量2 6 5 m m 。周期来压平均步距8 2 m ， 平均支柱载荷2 0 2 t k m 2 , 最大5 3 0 t k m 2 ，顶板下沉量1 1 4 7 3 3 i 砌，平均2 7 7 m m ，属i i 级( 明 显来压) 老顶。直接底板主要为炭质泥岩，含铝质泥岩，次为粉砂岩、细砂岩等，厚0 1 1 9 0 1 m ，一般厚4 - - 8 m ，疏松、质软、易碎、遇水易膨胀，属类( 极软弱) 底板。 局部可采煤层：3 2 “煤层顶板为粉砂岩，次为泥岩，厚度0 7 1 3 7 m ，一般厚4 6 m ，底板 为粉砂岩，局部为泥岩，厚度1 0 5 - - - 2 9 3 3 m ，一般厚1 0 9 7 m 。4 1 ”煤层直接顶板主要为粉砂岩， 底板多为泥岩或砂质泥岩。 2 ) 采煤方法 矿井采煤方法由原设计的分采区小块走向长壁倾斜分层金属网假顶黄泥灌浆采煤 法，逐步过渡为分区段走向长壁倾斜分层金属网( 尼龙网) 假顶二分层倾斜长壁放顶煤采 煤法，直至分阶段大走向长壁一次采全高采后灌浆采煤法。 回采工艺经历了炮采、普采、高档普采、滑移放顶煤、“兀”型梁放顶煤到综合机械 化放顶煤一次采全高采煤法。 2 6 边坡地质岩组及岩体结构特征 2 6 1 边坡地质岩组 岩体的工程地质评价是边坡研究的基础，边坡岩体的特征又是工程评价的基础。为 准确地反映岩体物质的自然特征，以便对边坡岩体工程做出客观的评价，需要进行工程 地质岩组的划分。工程地质岩组的划分是以地层和岩石建造为基础，以岩性特征、成层 环境、结构特征为重要依据。 按照边坡的物质组成可为基岩边坡和黄土一基岩边坡【l 引。 ( 1 ) 基岩边坡主要为中生界砂岩、砾岩和泥页岩组成的低中山山地，相对高差 2 0 0 - - 5 0 0 m ，山地向南抬升，向北倾俯，海拔8 0 0 - - 15 0 0 m ，相对高差2 0 0 - - - 4 0 0 m 。受沟 谷深切和人工采石的作用，裸露的岩体构成了高大陡直的斜坡地形，坡度在2 5 0 - 7 0 。 间变化。 ( 2 ) 黄土一基岩边坡黄土一基岩斜坡是一种物质组成为二元结构的坡体。这种坡 体的上部发育第四纪不同时期的厚层黄土，下部出露中生界沉积岩系。该区的边坡多为 侵蚀性斜坡。黄土一基岩斜坡的坡高较大，一般在1 5 0 - - - - 2 5 0 m 左右。区内边坡总体上是 上缓下陡，坡面变化多在2 0 0 - - 7 0 0 之间。 矿区边坡岩组为：上部为厚度不等的松散层，其下为白垩系地层，岩性为：砂岩、 砾岩交互层及泥岩，为典型的河床相沉积；砾岩成分以石英长石为主，钙泥质胶结，坚 9 西安科技大学硕士学位论文 硬；砂岩以中粗砂岩为主，泥质胶结，较松软。砂砾岩互层分布范围广，厚度大，且变 化大，强度高低不一。在不同地方，坡顶和坡面的分化程度不同。有的地方可见砾岩的 松散层。在坡脚因季节性流水作用，可见其风化层。 2 6 2 边坡岩体结构特征 根据岩体工程地质条件和形成采场边坡的实际状况，研究区段上部边坡为散体结 构；其下为层状结构，倾向与坡面倾向有相同的，也有相反的。( 见图2 3 ) ( a ) 地表风化砾岩的散体结构 ( b ) 层状结构 图2 3矿区岩层结构特征 2 7 边坡岩体力学参数的确定 本次岩石力学实验的岩芯自上而下包括华池组砂岩、洛河组凤凰山砾岩、洛河砂岩、 宜君砾岩，直罗组砂岩等5 个层位的2 4 个岩样( 见表2 1 ) 。根据样本情况，进行了岩 石密度、含水量实验、岩石比重、孔隙率实验、岩石劈裂实验( 见表2 2 ) 、岩石的单轴 1 0 2 矿区边坡工程地质背景研究 压缩及变形实验( 见表2 3 ) 、岩石三轴压缩实验，测取了物理力学参数。 表2 1焦坪矿区岩芯样品编号 编岩样 取样位置距编岩样 取样位置i t e ? l 号名称孔口深度( m ) 号名称 口深度( m ) 表2 2岩石劈裂实验计算表 西安科技大学硕士学位论文 图2 4砂岩抗拉强度统计图图2 5砾岩的抗拉强度统计图 用表2 1 和2 2 的数据，对砂岩和砾岩的抗拉强度进行统计，结果如图2 4 和2 5 所 示。 从图2 4 可见砂岩的抗拉强度在2 0 m p 。上下变化。从图2 5 可见砾岩的抗拉强度在 5 0 m p 。上下变化。 用表2 1 和2 3 的数据，对砂岩和砾岩的弹性模量、泊松比进行统计，结果如图2 6 2 9 所示。 从图2 6 2 9 可以看出，砂岩的弹性模量在8 g p 。附近变化，而泊松比在0 1 0 3 5 范围内变化。砾岩的弹性模量在2 0 1 0 0 g p 。之间变化，而泊松比在0 1 o 3 5 范围内变 化。 表2 3岩石单轴压缩及变形实验计算表 1 2 2 矿区边坡工程地质背景研究 图2 6砂岩弹性模量统计图图2 7砂岩泊松比统计图 图2 8砾岩弹性模量统计图图2 9砾岩泊松比统计图 结合已有的实验材料，可总结上覆岩层岩性特征如下： ( 1 ) 从实验结果来看，取样的上覆岩层中，地面以下4 1 4 2 m 处的凤凰山砾岩夹层 的强度最大，单轴抗压强度达2 5 6 1 6 m p a ，属极坚硬岩层，而地表以下1 8 7 1 9 2 m 的洛 河砂岩段，岩石强度最低，单轴抗压强度为2 4 o m p a ，属较软岩层，洛河砂岩其他区段 的强度为4 7 3 , - - 一5 2 m p a ，属中硬岩层。按照岩层强度分类标准，单轴抗压强度为3 0 - - 5 0 m p a 时属于中硬岩石。综合考虑上覆各岩层的岩性和厚度可以判定，本区4 2 “煤之上 覆岩层总体为中硬强度。 ( 2 ) 从含水性来看，采动覆岩中，洛河砂岩的含水率最大，达到2 7 8 ，凤凰山砾岩 夹层岩石的含水率最小为0 0 2 2 ，其余岩石的含水率为0 2 - - - 1 9 。 ( 3 ) 各岩层岩石的孔隙率为：华池砂岩7 1 ，凤凰山砾岩2 1 ，洛河砂岩5 8 ， 宜君砾岩2 6 。 西安科技大学硕士学位论文 3 边坡变形的数值分析 3 1f l a c 基本原理及流程 f l a c 软件的基本原理即是拉格朗日差分法。拉格朗日元法源于流体力学。在流体 力学中有两种主要的研究方法，一种是定点观察法，亦称欧拉法；另一种是随机观察法， 称为拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时间而变化的状态，即研究某一流体质点 在任一段时间内的运动轨迹、速度、压力等特征。把拉格朗日法移植到固体力学中，把 所研究的区域划分成网格，其结点就相当于流体质点，然后按时步用拉格朗日法来研究 网格结点的运动，这种方法就是拉格朗日元法。它的优点是占用内存少，求解速度快， 便于用微机求解较大规模的工程问题。 拉格朗日元法是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法，并和用差分格式 按时步积分求解。随着构形的不断变化，不断更新坐标，允许介质有较大的变形。模型 经过网格划分，物理网格映射成数学网格，数学网格上的某个结点就与物理网格上相应 的结点坐标相对应。对于某一个结点而言，在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的 影响。若合力不等于零，结点就具有了失稳力，就要产生运动。假定结点上集中有临接 结点的质量，于是，在失稳力的作用下，根据牛顿定律，结点就要产生加速度，进而可 以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言，可以根据其周围结点的 运动速度求得它的应变率，然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出 t 和t 十a t 时刻各个结点的不平衡力和各个结点在什a t 时的加速度。对加速度进行积 分，即可得结点的新的位移值，由此可以求得各结点新的坐标值。同时，由于物体的变 形，单元要发生局部的平均整旋或整旋，只要计算相应的应力改正值，最后通过应力叠 加就可得到新的应力值。到此计算为一个循环，然后按时步进行下一轮的计算，见此一 直进行到问题收敛。f l a c 程序采用最大不平衡力来刻画f l a c 计算的收敛过程。若单 元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值，则计算是稳定的，否则，计算就是 不稳定的。 利用f l a c 软件进行数值模拟研究的基本工作流程见图3 1 所示。图3 1 给出了 f l a c 软件显式静态分析求解流程。现说明见下： ( 1 ) 建立f l a c 模型：实施f l a c 算法，首先要建立f l a c 平面应变模型，包括生 成网格，给定边界条件与初始条件，定义本构模型与材料特性。 ( 2 ) 确定模型平衡状态：在给定边界条件与初始条件的作用下，f l a c 模型应处于初始 平衡状态。通过对最大不平衡力，节点速度或位移的监控，用户必须决定什么时候模型 己达到平衡状态。 1 4 3 边坡变形的数值分析 ( 3 ) 检查模型反应：f l a c 模型的反 应是通过其显式动态代码进行监控的。 当模型动能降低到可忽略值时，静态或 准静态解即可得到。这时模型或者处于 力平移状态，或处于稳流状态。 ( 4 ) 改变模型条件：f l a c 在求解过 程中的任何点，均允许改变模型条件。 这些改变包括：材料的开挖，节点载荷 或压力的增加或删除，任何单元材料模 型或特性的改变，任何节点的约束或解 除约束。对于模型中的塑性材料单元、 还要规定最大不平衡力的非零常数值。 ( 5 ) 求解模型：f l a c 采用显式时间 逼近法求解代数方程组，求解计算时步 由f l a c 代码自动控制。然而用户最后 必须确定什么时候时步数已足够( 对于 所需求的解) 。 3 21 0 4 7 工作面边坡变形分析 3 2 1 边坡概况 边坡位于1 4 0 7 工作面的上部，见 图3 2 所示的a a ，线。坡高1 5 0 m ，坡角 为2 1 0 左右。坡顶标高为1 5 2 0 m ，坡底 标高为1 3 5 0 m 。坡面较平直，坡顶出现 平台，坡体上植被发育。该坡面松散层 覆盖较厚为1 0 m 。坡体上边一侧为一条 贯通较好的大沟，下边一侧地形变化复 杂。坡脚处地形很平缓，为平台。 模型设置 1 根据物理形状产生网格 2 输入物理特性 上 计算到平衡状态 改变网格( 开挖尺寸、改变边界条件等) 上 计算到平衡状态 图3 1f l a c 软件计算流程图 坡体受1 4 0 7 工作面开挖的影响，有滑移现象产生，但整个坡体表现为垂直位移大 于水平位移( 见3 3 图) 。经1 4 0 7 观测站观测，坡体开始下沉的最大值为4 3 m m ，再着 为1 2 5 m m 、2 8 6 m m ，最终下沉最大值为7 8 6 m m 。沿走向线实测的位移值见表3 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 图3 21 4 0 7 工作面井上下对照图 图3 31 0 4 7 工作面采动边坡垂直剖面图 ( 1 ) 变形前地表( 2 ) 变形后地表 表3 11 4 0 7 观测站走向线观测点数据( 单位：m l n ) ( 部分) 测点 3o24 8 时间 水平垂直 水平 垂直 水平 垂直 水平 垂直 2 0 0 2 31 0- 1 291 7001 54 3 2 0 0 2 72 42 62 32 83 51 44 61 2 5 1 6 3 边坡变形的数值分析 3 2 2 岩体力学模型及计算参数的选取 1 力学模型 力学试验表明，当载荷达到屈服极限后，岩体在塑性流动过程中，随着变形保持一 定的残余强度。因此，本文采用理想弹塑性本构模型摩尔一库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服 函数描述： f：一仉1+sin一2c1+sin0-(31)1 六2 一吧五面一、焉而 j 式中，q ，分别为最大和最小主应力，c ，矽是粘结力和内摩擦角。 当f 0 时，材料将发生剪切破坏。在通常应力状态下，岩体的抗拉强度很低，因 此可根据抗拉强度准则( 0 - 3 0 1 ) 判断岩体是否产生拉破坏。 2 计算参数的选取 1 4 0 7 面边坡岩体包括松散层、中砂岩、砾岩、粉沙岩、细砂