井采影响下安家岭矿北帮边坡稳定性评价与防治措施研究

1、一、问题的提出为了确保2008年投资计划中的工程项目在4月份气候转暖时开 工建设，1月30日平朔煤炭工业公司召开专题会议，讨论安排计划 内工程项目的设计工作，同时签发了办公会议13号文件。根据13号 文件要求，平朔煤炭工业公司确定煤炭科学研究总院抚顺分院为安太 堡、安家岭露天矿边坡综合治理工程项目的承担单位，并同时下达了 项目委托书。煤炭科学研究总院抚顺分院接到委托书后，组织科研人 员到达安家岭露天煤矿与矿方领导及工程技术人员对2008年露天矿 边坡问题进行了详细的分析与协商，决定立项开展“安家岭露天矿边 坡综合治理”项目，并制定了切实可行的研究方案。“安家岭露天矿 边坡综合治理”项目由四个子

2、项目组成，其中“井采影响下安家岭矿 北帮边坡稳定性评价与防治措施研究”为其中的一个子课题。二、本课题研究背景露井联采作为一种新型的开采方式，具有合理、高效开采煤炭资 源，减少资源浪费，有利于发挥露天开采与井工开采优势互补的优点， 但是由于露天矿与井工矿应力和变形的耦合作用，使得其变形机理与 灾害发生方式都不同于单一开采方式，并且这将关系到露天矿与井工 矿两矿的安全生产问题，现场踏勘结果表明，北帮边坡上部已经出现 裂缝和沉陷区，因此，对北帮露井联采区边坡进行稳定性评价与防治 措施研究是当务之急，也是关系到整个露天矿乃至井工矿安全生产的重大问题。三、项目主要基础资料在开展本项目前及项目进行过程中，

3、项目组同安家岭露天煤矿相 关部门及技术人员进行了深入沟通，并对与本项目有关的资料进行了 广泛的收集，所收集到的前期资料，具体有安家岭露天矿提供的“安 家岭露天矿北帮前期勘查资料”，“研究区域边坡工程地质、水文地质 相关资料”，“安家岭2#井工矿开采相关资料”，以往本地区相关科研 项目的研究报告等资料，具体的有：(1)安家岭露天矿68月份采矿现状图；(2)研究区域工程地质、水文地质相关资料；(3)井工矿相关资料；(4)安家岭露天煤矿北帮滑坡综合治理研究报告；(5)安家岭矿北端帮边坡稳定性评价与监控工程研究报告；四、本次主要工作内容由于安家岭露天矿露井联采区域边坡受到露天开采与井工开采 两种采动效

4、应的作用，依据采区的空间对应关系，两种采动影响域中 的一部分相互重叠,致使采动效应相互作用和相互叠加,表现为一种 采动效应对另一个平衡体系的干扰或破坏作用，使得两种开挖体系之 间相互诱发或相互扰动,从而组成一个复合动态变化系统。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 坡岩体变形问题。因此，本项目针对安家岭露天矿北帮露井联采区域 开展相关研究，对井采影响下北帮边坡的稳定性进行评价，提出合理 的边坡变形破坏的防治措施，防止灾害性滑坡发生，为露天矿安全生 产提供理论依据。本项目的工作主要包含以下几个方面的内容： 1、工程地质、水文地质条件(1)、现场踏勘及工程地质调查；

5、(2)、工程地质、水文地质资料收集；(3)、井工矿开采情况调查，包括北帮地下巷道及采空区的资料及分 布情况；(4)、确定研究区域工程地质、水文地质条件。2、岩土物理力学性质研究(1)、以往本地区岩土体物理力学性质指标的收集、汇总分析；(2)、井工巷道岩样力学性质分析；(3)、根据项目实际需要，结合以往试验成果，采用工程类比和强度 弱化的方法来确定本项目所需的岩土力学强度指标，为边坡稳定性评 价提供基础数据。3、边坡变形破坏机理及滑坡模式分析边坡变形破坏机理研究是边坡稳定性评价中一项基础研究，本次 对井采影响下安家岭矿北帮边坡变形破坏机理及滑坡模式的分析主 要根据北帮边坡工程地质、水文地质条件，

6、并结合本地区以往的科研 成果及经验进行分析与确定，由于井采影响下的边坡变形破坏机理是 非常复杂的，边坡总变形是由其自身变形与井采沉陷叠加而成的，因 此边坡变形破坏机理的研究采用理论研究与数值模拟相结合的方法， 具体计算、分析采用有限元方法。4、边坡稳定性分析与评价根据项目需要，本次边坡稳定性分析与评价选取2个剖面、每个 剖面建立2个计算模型进行边坡稳定计算与分析，具体的：考虑井 工开采对边坡强度弱化情况下的边坡稳定情况；考虑井工影响、降 雨等最不利条件下边坡的稳定情况。本次边坡稳定性分析与评价应用 极限平衡理论，具体方法采用morgenstern-price法。5、边坡变形破坏防治措施研究在边

7、坡稳定性分析、评价基础上，结合露天矿具体生产情况，提 出井采影响下安家岭露天矿北帮边坡切实可行、经济合理的变形破坏 防治措施。五、完成的主要工作煤炭科学研究总院抚顺分院自2008年2月份收到平朔煤炭工业 公司的委托书后，开始组织技术人员进行项目的设计工作，于2008 年4月初正式开展“井采影响安家岭矿北帮边坡稳定性评价与防治措 施研究”项目的研究工作，经过6个月的努力工作，于2008年10月 完成合同书所要求的全部工作。具体如下：1、工程地质条件研究；2、岩土物理力学性质研究；3、边坡变形破坏机理研究；4、边坡稳定分析与评价；5、边坡变形破坏防治措施研究。在进行该项目的过程中，得到了平朔公司及

8、安家岭露天矿各级领 导和广大工程技术人员的大力协作，在此表示衷心的感谢。第一章工程地质条件研究自然概况地理位置安家岭露天煤炭有限公司露天矿位于山西省朔州市北部，南距太 原市约250km,北距大同市约145km。公路交通运输四通八达，十分 便利，并有铁路通往太原、大同等地，从大同有通往秦皇岛的大秦铁 路，全长898km。北帮露井联采区位于安家岭露天矿矿坑北侧，具体位置参见图 1-1 O图1-1北帮露井联采区分布图1. 1. 2气候条件平朔矿区属温带半干旱大陆性气候，四季分明，干旱少雨。年平 均温度为5.56.8,最高温度37.9C,最低温度-32.4。年降雨量 范围为82.2489.16mm,主

9、要集中在79月份，最大降雨强度 478mm/月、87mm/日，降雨多以暴雨形式出现。日照充足，年蒸发 量大约为735.62598mm,超过降雨4倍以上，冬季地表土的最大冻 结深度1.31m,很少积雪。1. 1. 3地形地貌平朔矿区位于黄土高原，地表覆盖有厚层第四系黄土。由于气候 干旱、少雨，植被稀少，降雨集中，水土流失严重。从而使地表黄土 层被切割得沟壑纵横，地形支离破碎，异常复杂。露井联采区位于矿坑北端帮，由于采矿作用，变形区地形规整， 形成台阶状坡体，边坡由采掘台阶组成（图-2）。下部有井工矿9# 煤采空区，安家岭露天矿2#井工矿运煤大巷也在其下部建设，其典 型剖面示意图见图l-2o723

10、0072500757008855 (2)剖面 -14001400 _723007250072700图2北帮露井联采区典型剖面示意图1.2工程地质条件由于平朔矿区在矿山建设过程中及以往所开展的科研课题中曾 进行过大量的地质勘查工作，地质资料较为丰富，因此本子课题未进 行相关地质勘查工作。工程地质条件的研究采用以下方法进行：（1） 现场踏勘，地质调查：对露井联采区边坡进行现场踏勘和地质测绘;（2）井工开采情况调查：深入井工开采巷道进行地质调查，掌握井 工巷道及采空区与露天边坡上下位置对照及变形对照情况；（3）收集 安家岭矿北帮以往边坡地质资料；（4）收集北帮地下巷道及采空区的 资料、分布情况；本次

11、北帮露井联采区工程地质条件按是在对以上几 方面资料整理、分析得到的。2.1岩土层组划分北帮露井联采区赋存地层主要有第四系黄土、第三系红土和石炭 系基岩。第四系黄土第四系黄土中有粉土层、粉质粘土层和粘土层。粉土层灰黄棕黄色，少有粘粒和砂粒，具孔隙，含植物根系、有机斑 点、钙质菌丝、云母碎屑，偶有钙核。实验指标：W=12.55%； P =1.672g/cm3 ； Gs=2.685 ； e =0.813； Sr=44.327% ； W P =16.75% ； Wli7/Wlio=28. 18%/24.75% ； IPi7/Ipio =11.42/7.95； C=31.2kPa； =26.92 ； q

12、u=93kPa。粉质粘土层棕黄棕红色，具一定量的粉粒，大多为粘土集粒，含较多有机 质斑点及褐色、褐红色条纹，常与薄层粉土层交互出现。下部基质呈 暗红色，含钙核、潮湿、软塑状。实验指标:W=17.75%； P=L942g/cm3； Gs=2.683 ； e=0.63； Sr=78.782% ； WLi7/WLio=29.2%/25.37% ； W = 16.57%;I P 17/IL10=12.68/8.77 ； C=41.4kPa ； 中=24.75 ； qu=211.5kPao粘土层棕红色，稍有粉粒，基本由粘土集粒组成，细密，潮湿，软塑状, 含有机质斑点，铁质条纹，下部含少量砾岩颗粒。实验指

13、标： W=21.86%； P =2.083g/cm3； Gs=2.674； e=0.577； Sr= 101.447%； W“ =23.86% ； Wli7/Wlio=4O.45%/35.43% ； I P )7/I 0 io= 16.63/11.44 ； C=79.4kPa；中=22.413 ； qu=106kPao第三系红土层组呈紫红色、致密，半成岩状、硬、脆，具油脂光泽。含磨圆甚好 的砾石，层中多见节理裂隙，隙缝中可含水。层厚019.51m。实验 指标：W=23.47%； P =2.058g/cm3； Gs=2.666； e=0.603 ； Sr=101.686%； Wli7/Wlio=

14、35.44%/3 1.68% ； W P =22.64% ； I P 17/I P io= 12.7/8.9 ； C=87.4kPa；中=24.65 ； qu=305.9kPao石炭系基岩北端帮边坡体石炭系中有泥岩层、砂岩层和煤层。泥岩层组主要呈灰白色、灰黄色，厚度为0.721.7m不等，岩芯完整。含有高岭石、水云母、等矿物，绢云母，以泥质胶结和钙质胶结为主。 物理力学性能指标为：天然容重P=2.51g/cn?；凝聚力C=1.60Mpa； 内摩擦角6=28.0。；单轴抗压强度R=18.52Mpa。砂岩层组以灰白色为主，也有灰黄色、棕黄色、棕红色等，层厚度为2.6 22.1m不等。矿物组成主要是

15、石英、岩屑、长石，石英含量占绝对优 势，岩屑与长石的含量在不同的层位互有增减。砂岩以粘质胶结的呈 酥粉状或手可粉之，以铁质或硅质胶结的质硬。岩芯完整，层理结构 面密度平均为3条/m左右，结构以构造节理为主，通常闭合，无充 填。根据构成的颗粒大小程度可详细划分为粗砂岩、中砂岩、细砂岩。 岩石局部含钙质与铁质结核，岩芯较完整。其物理力学性能指标为： 天然容重P =2.51g/cm3；凝聚力C=4.95Mpa；内摩擦角6=43.0。；单 轴抗压强度R=28.52Mpa。煤层对边坡稳定影响较大的是4#煤层，该层煤以暗煤、半暗煤为主， 夹少量半光亮型煤，层厚为9.512.9m不等。4#煤层顶部有12m

16、的强风化带，为边坡岩体主要软弱层。煤层风化后疏松，严重风化后 呈粘泥状，容重减小，而孔隙率及含水率增大，抗压强度降低。其物 理力学性能指标为:天然容重P=1.40g/cm3；凝聚力C=l.llMpa；内 摩擦角6=26.5。；单轴抗压强度R=12.54Mpa。1. 2. 2构造及节理裂隙上已述及，北帮边坡赋存地层有第四系、第三系和石炭系，其中 第三系只是局部分布，各地层之间的接触关系为不整和接触。基岩顶 板总体产状为南倾，倾角变化较大。基岩岩层产状倾向南东，倾角3 5 o通过野外节理裂隙调查，北端帮边坡岩体节理、裂隙发育。统计 结果表明，频度接近的优势理节有四组，分别为：、产状215237 N

17、7488 ；、327 N8289 ；、284298 N8487 ； 、7075 N8286。在4#煤层上部的岩层中，优势节理的平均 间距为25条/m。1.2.3水文地质简述北帮边坡岩土体大体可以划分为第四系潜水含水单元和基岩裂 隙含水单元：第四系潜水含水单元粉土层组具大孔隙，成为相对含水层组，其渗透系数为1.22.0 X 10-5m/s,边坡坡面未见出水点。基岩裂隙含水单元北端帮基岩边坡节理裂隙发育，有若干出水点，其中4#煤层较 为严重。但从勘探钻孔中的静止水位来看，其水位较低，在4#煤层 底板。1.2.4工程地质简化模型北帮露井联采区边坡工程地质简化模型如图1-3, 1-4所示。723007

18、2500图1-3北帮8855剖面图1-4北帮9127剖面第二章岩土物理力学性质研究研究方法岩土体物理力学性质是项目研究、稳定分析的主要基础资料，但 要搞清岩土体的物理力学性质需要进行大量的各种试验研究，这需要 打许多钻孔勘察并要取样试验。一是工程量大，二是时间不允许。但 平朔矿区在矿山设计阶段、露天煤矿建设、生产中，煤炭科学研究总 院抚顺分院、中国矿大、一四八地质勘探队等许多科研院校、勘察单 位结合各自研究项目的具体需要，对各类岩土体的物理力学性质进行 过大量的多次试验研究，积累了丰富的资料。根据这一特点，本次北 帮露井联采区岩土体物理力学性质研究工作采用如下研究方法：(1 )、对以往的各个项

19、目的岩土体试验研究成果进行收集、归纳、 分析。采用岩土体工程地质性质类比的方法将适合于本次项目研究的 试验成果分析总结提供本项目研究之用。(2)、由于北帮曾经发生过滑坡，该滑坡相当一次大型的原位试 验，对于滑体及滑面力学强度指标的确定具有非常重要的意义，因此 通过对滑坡前及滑坡后边坡轮廓的反分析，可得出滑体相关力学强度 指标。(3)、由于井工开采的扰动，井采影响域内的边坡岩体的力学强 度受到一定程度的影响，因此指标本次岩土体物理力学指标推荐值既 考虑了无井采扰动时的性质指标，又考虑了在受到井采扰动后岩土体 物理力学指标的弱化。本次对研究区岩土物理力学性质的确定是在综合以上三方面因 素及资料的基

20、础上，进行归纳、分析、整理得到的。2. 2以往试验工作分析2. 2.1 一四八地质勘探队试验成果对于该区第三系砂岩、泥岩、煤等试验指标，山西煤田地质勘探 一四八队曾做了大量的力学强度试验，着重测定了硬岩的抗压强度、 抗拉强度、抗剪强度(参阅山西省宁武煤田平朔矿区安家岭露天煤 矿安太堡二号勘探区勘探(精查)地质报告)，试验主要成果见表 2-1 o岩石物理力学性质指标表2T岩石类别容重 (g/cm3)抗压强度 (Mpa)抗拉强度 (Mpa)凝聚力 (Mpa)内摩擦角( )砂岩类2. 152. 6222.31151.25. 41. 429. 11842泥岩类1. 932. 661.413. 10.

21、125. 72. 022. 814382. 2. 2抚顺分院在安家岭矿北端帮试验成果煤炭科学研究总院抚顺分院在“安家岭北端帮边坡稳定性评价与 监控工程”项目中，对北端帮岩土体进行了补充试验；在“安家岭露 天矿北帮滑坡治理”项目中针对滑坡体也进行了地质勘查工作，同时 进行了相关岩土力学性质试验，由于本次研究范围和这两个项目的研 究范围接近，因此试验成果对本项目中岩土体力学强度指标的确定具 有一定的借鉴作用。“安家岭北端帮边坡稳定性评价与监控工程”试验成果 安家岭矿北端帮补充试验内容有三项：. 土工试验试验对象为北端帮黄土层中粉土、粉质粘土、粘土，测定这三种 土层的密度、含水率、压缩性能、抗剪强度

22、及无侧限抗压强度。重点 通过抗剪强度试验（三轴剪切试验与平面直接剪切试验）确定这三种 土层的凝聚力与内摩擦角。.岩石试验试验对象为基岩层中的砂岩、泥岩、砂泥岩、煤，着重测定这四 种岩层抗剪强度指标（凝聚力C与内摩擦角）,通过点载荷试验确 定岩石的抗压强度，相应测定岩石密度等项指标。.特殊试验对于北端帮边坡体内赋存的红粘土与风氧化煤弱层，在采矿活过 程中其受力状态、工程动力性质是在不断变化中的。随着时间的推移 抗剪强度降低，即产生应力松弛现象，导致边坡体原来的平衡状态破 坏而发生滑动；或者随时间的推移边坡变形在增长，即发生蠕变现象, 致使边坡土体遭破坏，这两种效应称之为流变。任何一类有弱层参与

23、的边坡变形破坏过程，实际上均是一个蠕变变形破坏的过程。在处于 危险空间结构中，其受力与强度变化是长期作用的结果，在临界破坏 时，往往只有残余强度起作用。因此弱层的饱水长期强度试验（流变 试验）对稳定性分析十分重要。另外，这两种弱层在地下水的长期作 用及大气降水的影响下，含水量会逐年增加，不同含水量试验能有效地反映出弱层的抗剪强度受含水量变化影响0试验成果见表2-22-13。黄土层直接剪切试验与排水反复剪切试验成果表2-2地层 特征孔号取样深度H (m)凝聚力 C(kpa)内摩擦角 4 ( )残余凝聚 力 C(Kpa)残余摩擦角巾( )密度P (g/cm3)含水量W(%)粉土BJ1-32.4-2

24、.624.223.611.518.71.877.8-8.025.824.510.717.81.8914.0BJ2-611.2-11.421.522.19.816.81.8613.515.8-16.019.421.38.715.21.8414.3粉粘土BJ1-314.2-14.460.816.242.312.51.9814.916.0-17.062.017.339.513.02.0018.7BJ2-632.2-32.559.315.837.411.41.9419.735.3-35.558.416.940.113.41.9818.4粘土BJ1-316.8-17.097.815.352.811.22

25、.0119.217.2-17.492.414.850.79.11.9920.4BJ2-640.4-4.0689.518.049.212.52.0622.542.5-42.795.615.947.510.62.0321.0黄土层三轴剪切试验与无侧限抗压强度试验成果表2-3土 层 特 征试 样 状 态试 样 编 号围压 。3 (Kpa)抗剪强度指标平均抗剪强度 指标无侧限 强度 q (Mpa)灵 敏 度 St密度P (g/cm3)含 水 量 W (%)凝聚 力 C(Kpa)内摩 擦角 (。)凝聚 力C (Kpa)内摩 擦角4)(0 )粉土浅 黄 色FS1100-30032.622.825. 124

26、. 10. 350. 651.8714.8FS2100-40024.825.6FS3100-30023.324.0FS4100-40019.523.9粉 粘 土棕 黄 色FN1200-40058.720.563.521.50. 400.711.9818.2FN2100-30065.222.8FN3100-40074.723.5FN4100-30055.419.2粘 致 密NS1200-400108.218.7102.717.90. 430. 752. 0321.8NS2100-40097.517.3NS3100-300115.319.0NS4100-40089.816.5岩石 名称孔号取样 深

27、度 H(m)周围最大 压力o 3(Mpa)三轴抗剪强度指标压缩模量E (104Mpa)泊 松 比U天然容重P (g/cm3：凝聚力C(Mpa)内摩擦角6( )泥岩BJ1-115.5-18.06.02.4132.82.080.322.51砂泥岩BJ1-268.5-69.58.03.0139.42.170.262.49砂岩BJ2-545.5-47.210.06.1748.93.540.232.54煤BJ2-425.6-26.84.01.3528.91.980.201.41黄土层标准固结压缩试验成果表2-5土层 特征孔号取样深度H(m)固结压力 o p(Kpa)压缩变形量 h(0. 01mm)压缩变

28、形系数6 P(%)密度P (g/cm3)含水率 w(%)粉土BJ1310.210.51007.50.381.8714.830018.60.9360045.22.2680089.74.491600105.35.273200121.56.08粉 粘 土BJ1314.514.810012.40.621.9818.230035.61.7860065.33.2780091.84.591600138.56.933200167.88.39粘土BJ2639.539.810017.70.892.0321.830049.92.5060082.14.11800135.86.791600204.510.2332002

29、66.213.31弱 层 名 称正应 力a(Kpa)长期强度 第三屈服 f3 (Kpa)剪切模量G(Mpa)粘滞系数T1 (10Hkpa.s)长期强度指标密度P (g/cn?)含水量W(%)备注瞬时模量 Go(Mpa)长期模量GB(Mpa)凝聚 力 C(Kpa)内摩 擦角0( )粘10095.270.360.160.20模200118.540.480.250.3572.013.12.0324.2拟弱300141.810.540.260.25浸层400165.080.620.260.19水风氧 化煤 弱层5017.910.290.100.09泥10026.810.350.140.139.010.

30、11.8927.1化15035.720.430.210.18状20044.630.500.220.14态不同含水率试验成果表2-7试样 名称试样状态含水 程度 w(%)凝聚力C(Kpa)内摩擦角 山( )0 为 200Kpa 剪切强度 t (Kpa)密度P (g/cm3)备注粘土重塑15.297.218.3163. 342. 03模拟不同含 水状态20.882.515. 1136. 462. 0024.565.213. 1111. 741.9629.351.812.094.311.9334.535.610.974. 111.89单轴强度(测变形参量)、容重及吸水率试验成果表2-8孔 号试样 名

31、称试样状态取样深度H(m)试件 数 n(个)单轴抗 压强度 R (Mpa)弹性 模量 E(lOMpa)泊松 比U天然 容重P(g/cm3)饱和 吸水 率 Q(%)BJ1-1泥岩灰黄色15. 4-16. 1315. 831.410. 282.412. 1317. 5-18. 0217. 121.500. 252. 422. 10BJ1-2砂泥岩紫红色67. 3-67. 6220. 751.950. 242. 451.9567. 7-70. 0222. 042. 130.212. 471.94BJ2-4砂,”灰白色7. 2-7. 8324. 652.510. 252. 480. 9314. 1-1

32、4. 6326. 172. 650. 232.510. 90BJ2-5煤局部有 裂纹59. 5-60. 029. 590. 850. 201.423. 5761.5-61.9211. 710. 930. 211.433. 48孔号取样 深度 H(m)试样 状态试样编号垂直 压力0 (Mpa)剪切强 度峰值 I (Mpa)凝聚力C(Mpa)内摩 擦角( )天然 容重p (g/cm3)BJ1 128.729.7泥砂 互层SNJ1-14.015.212.4534.52.54SNJ1-28.138.04SNJ1-312.2510.87BJ1268.569.5泥砂 互层SNJ2-14.124.942.3

33、132.62.48SNJ2-28.317.62SNJ2-312.5010.30BJ2431.432.2泥砂 互层SNJ3-14.085.102.3833.72.41SNJ3-28.147.81SNJ3-312.2010.52SNJ3-416.0913.11BJ2572.573.5泥砂 互层SNJ4-14.155.572.5436.12.46SNJ4-28.108.45SNJ4-312.2011.44孔号取样 深度 H(m)试样状态试样 编号垂直 压力 o (Mpa)剪切强 度峰值 t (Mpa)凝聚力 C(Mpa)内摩 擦角 6( )天然容重P (g/cm3)BJ1 110.511.5灰白色S

34、J1-15.129.474.7842.52.48SJ1-29.3813.38SJ1-313.2516.92BJ1242.444.0棕红色SJ2-15.7610.615.1243.62.54SJ2-29.8114.46SJ2-313.7218.19BJ246.57.8灰黄色SJ3-14.8510.265.3945.12.57SJ3-28.7714.19SJ3-312.8018.23SJ3-416.7522.20BJ2545.547.2黄色SJ4-15.419.194.5240.82.44SJ4-29.3512.59SJ4-313.2815.984号煤抗剪切强度试验成果表2-12孔号取样 深度 H

35、(m)试样状态试样编号垂直压力o (Mpa)剪切强 度峰值 t (Mpa)凝聚力C(Mpa)内摩 擦角 4( )天然容重P (g/cm3)BJ1 122.523.7局部有 裂纹MJ1-11.421.751.0825.31.41MJ1-24.853.37MJ1-37.544.64BJ1259.561.0局部有 裂纹MJ2-11.501.861.1226.41.42MJ2-24.713.46MJ2-37.825.00BJ2425.626.8局部有 裂纹MJ3-11.101.731.1527.81.39MJ3-24.203.36MJ3-37.154.92MJ3-410.086.46BJ2565.46

36、7.1局部有 裂纹MJ4-11.401.801.1026.51.38MJ4-25.313.75MJ4-39.055.61地层特征密度P (g/cmJ)凝聚力C (KpJ内摩擦角 小( )弹性模量E(10Mpa)泊松比U备注粉土1.8725.024.00. 0150. 30综合成果粉粘土1.9863.521.50. 0250. 35粘土2.0372.013. 10. 0300. 40砂岩2.4649033.01. 6-3. 70. 21-0. 28泥岩2.3932927.01. 3-2. 10. 25-0. 50风氧化煤1.469.010. 10. 0090. 36流变指标甲煤1.4921026

37、.50. 38-2. 10. 20-0. 30综合成果砂泥岩2.4345032.00. 8-2. 20. 22-0. 272.2.2.2 安家岭矿北帮滑坡治理”试验成果安家岭露天矿北帮滑坡区土岩物理力学试验成果表表2-14编号采样地点土岩名称密度P(g/cm3 )含水量3 (%)凝聚力c(KPa)内摩擦角6 ()备注1K5-2红粘土1.9821. 0990.3111.992K41粉质粘上2.0619. 3642.578. 623K51粉质粘土2.0019.3795. 7215.214K32红粘土2.0921.50139. 8216. 445K31粉质粘土2.0123. 33125. 949.

38、646K64风化泥岩2. 2814. 7018. 4720.61重塑7K66风化泥岩2. 1514. 4658. 6225. 48重塑8K61风化砂岩2.2311. 8760. 8726. 34重塑9K62风化泥岩2. 1216. 3520. 6414.27重塑10K63风化泥岩2. 1316. 5022.0615. 45重塑11K65风化泥岩2. 1016. 7220. 8510.37重塑12K22风化砂岩2. 2211.9362.8326. 89重塑2.2.2.3以往相关项目成果关于平朔矿区露井联采方面的研究，煤炭科学研究总院抚顺分院 曾开展的项目有“安家岭露天煤矿西排土场北部变形区边坡稳

39、定性分 析与评价”、“安太堡矿六坑排土场增高的边坡排土参数研究”、“安太 堡矿西排土场受二铺矿采空区影响下边坡稳定性分析与评价”等，其 研究成果可供本项目参考。安家岭露天矿西排土场北侧边坡变形区岩土体物理力学指标推荐值表2-15凝聚力C (kPa)内摩擦角力( )密度 p (g/cm3)未受扰动受扰动水浸未受扰动受扰动水浸未受扰动受扰动排弃物料1919-16152924-2520-231.871.85粉土层25-5120-22202523-2422-231.871.85粘土M72555521-2416-1816-182. 022. 02黄15层201918-191312101.921.91基岩

40、350-490240-3003531-33312.52.5甲煤210100-15026.516-201.449,煤210271.49不考虑井采扰动时岩土体物理力学指标推荐表表2-16类别凝聚力 (Kpa)内摩擦角力( )密度P(g/cm3)混合排弃物19261.87基底黄土40201.99粘土76202.02软弱层28102.02类另凝聚力 (Kpa)内摩擦角6( )密度P(g/cm3)混合排弃物162525. 51. 87基底黄土3616.818.01. 95粘土65.518-192.02软弱层20.58-102. 02安太堡矿六坊南F土场岩土物理力学综合指标推荐值表2-18地层特征密度P

41、(g/cm3)凝聚力C (Kpa)内摩擦角 4)( )排弃物1.87162123粉土1.872022粘土2. 035513-18粘土弱层2.0212.5308.8-12砂岩2.4245031泥岩2.3830025.5砂泥岩2.4044028煤1.48205263本次岩土物理力学指标推荐值本次岩土体物理力学指标推荐值既考虑了无井采扰动时的性质 指标，又考虑了在受到井采扰动后岩土体物理力学指标的弱化及考虑 井工开采和暴雨等最不利的情况。因此根据以上对以往本地区岩土物 理力学性质试验结果及井采沉陷后边坡变形情况分析评价进行整理， 得到本次稳定性分析所用的岩土物理力学性质指标推荐值，见表2-190岩凝

42、聚力C(T/M2)内摩擦角(P ()密度 p (T/M3)未扰动受扰动最不利未扰动受扰动最不利未扰动受扰动粉土层2.55.12.02.22.025232422231.871.85粘土层7.25.55.521 24161816182.022.02黄土弱层21.91.81.91312101.921.91基岩35 492430353133312.52.54#煤21101526.516201.449#煤21271.49砂岩48322.42泥岩32.126.52.38砂泥岩45.5292.40第三章边坡变形破坏机理研究露井联采条件下岩层变形破坏规律1.1井工开采引起的岩层破坏力学特征当在煤、岩体内开掘巷

43、道或进行开采时，破坏了原来的应力平衡 状态，使巷道或采场的周围岩体的应力重新分布。在应力重新分布过 程中，引起巷道和回采工作面周围煤岩体内形成一个与原岩应力场截 然不同的新的应力场，其形成过程就是煤、岩体中应力重新分布的过 程。在开采煤层之前，原岩应力线相互平行，没有变形。在开采后， 形成地下采空区，岩体应力重新分布后的压力线变形，压力大的地方 压力线变密，形成支撑压力带，压力线变稀的地方形成无压带。原岩 应力与开采后压力线分布对比如示意图3-1所示。(a)(b)图3-1原岩应力与地下开采后压力线分布对比示意图地下煤层采出形成采场空间后，首先引起围岩原始应力的变化， 原始应力的变化引起附加应力

44、，当附加应力大于原始应力时，围岩中 形成高应力集中区，集中应力超出其强度极限后，岩层发生变形，产 生位移、开裂直至垮落。1. 2井工开采引起覆岩破坏规律采动覆岩的破坏具有一定的范围和形态。经大量现场实测研究结 果表明，在水平及缓倾斜煤层（035）开采条件下，覆岩垮落带、 裂缝带范围的最终形态类似于马鞍形，在中倾斜煤层（3654）开采 条件下，覆岩垮落带、裂缝带范围的最终形态呈上大下小的抛物线形 态；在急倾斜煤层（5590）开采条件下，覆岩破坏最终形态呈拱形 形态。关于覆岩破坏的最大高度，主要取决于采出煤层厚度，煤层倾角 及岩性，在采用全部垮落法管理顶板开采缓倾斜及中倾斜煤层条件 下，覆岩垮落及

45、裂缝带最大高度可用下式表示（充分采动条件下）:式中：H垮-一垮落带最大高度；H裂一-裂隙带最大高度;M-累计采 厚，m;a、b、c、d与覆岩性质有关的系数一般按离采空区的垂直距离来划分开采影响范围，形象地将被采 煤层上覆直到地表的岩土层分为上、中、下三段，亦即地表覆岩、内 部及顶板。对于上段的移动变形与破坏研究历来是矿山测量学科开采 沉陷界的主要研究范畴，对下段的冒落、来压及稳定性研究，则是采 矿学科矿山压力界的研究范畴。对于中段，由于条件复杂，研究手段 缺乏，一直缺乏较深入、较系统的研究，而事实恰恰是：中段是上， 下两段移动变形与破坏的关键所在，是“下段的力量来源，上段的幕 后主宰”。开采沉

46、陷主要受地层结构及覆岩物理性质的影响，而其中 的制约因素是上覆后硬岩层的空间位置与几何力学特性，因此对“中 段”的研究，首先应放在上覆层硬岩受采动影响的应力应变规律这个 核心问题上。3. 1. 3露井联采条件下边坡岩体变形机制依据采区的空间对应关系，两种采动影响域中的一部分相互重叠, 致使采动效应相互作用和相互叠加，表现为一种采动效应对另一个平 衡体系的干扰或破坏作用，使得两种开挖体系之间相互诱发或相互扰 动,从而组成一个复合动态变化系统。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岩体变形问题。地下煤、岩体未采动以前，由于自重作用在其内部引起的应力， 通常称为原岩应

47、力，这种应力在地下处于相对平衡状态。露天矿开挖 破坏了原地质体的应力平衡状态，导致应力的重新分布，当边坡轮廓 形成后，形成了新的应力分布场，边坡体处于稳定状态。假定原岩应 力状态为。，由露天开采引起的应力变化为4,当岩体达到稳 定后，应力场变为bJ = % + A4。当转入地下开采后，由于地下 开采所引起的应力变化为分，则在两者共同作用下，两采动影响 域内边坡岩体的应力场变为% = % + 分。由于采矿过程是一 个动态过程，边坡岩体不断受到扰动，其应力平衡系统不断地受到破 坏，同时进行自组织调整，因此实际上%和%都是变化的， 从而形成一个复合动态叠加体系。由于两种采动效应的相互作用和叠加，影响

48、域内不同空间单元同 时受到两种采动效应的影响，其合成矢量的大小和方向在不同空间位置上是不一致的，一般情况下合成矢量更多的表现出“强势采动效应” 的属性。设边坡岩体因受露天开采效应引起的位移矢量为与，由地下 采动引起的位移矢量为吗，两者叠加后的位移矢量为% （见图3-2）。 边坡体内位移矢量具有如下特点：从井采区下山方向岩移边界线GD 至上山方向岩移边界线EB, 和明之间的夹角逐渐增大，经过走向 主断面FC后，在某一位置上两矢量之间的夹角将大于90 ,此时两 矢量合成后开始相互抵消一部分，且随着其夹角的增大，相互抵消越 多，合成矢量逐渐变小。两种采动影响域内岩体下沉具有如下规律： 从EB至FC间

49、区域，下沉值呈递增规律，其变形结果使边坡角减小， 有利于边坡稳定，EC至GD间区域下沉值呈递减规律，变形结果使得 该区域坡角增大，不利于边坡稳定。在地下采区下山方向的最大拉裂 缝，极易构成滑坡体的后缘，同时沿着地下采区倾向边界线附近的拉 裂缝，构成滑体的侧边缘，使得滑体与滑床分离，减少侧阻力，特别 是地下采区沿走向长度不大时可能构成滑坡内因，导致滑坡。另外，两种采动效应的影响随着单元体的空间位置改变而改变， 随着深度的增加，露天采动影响逐渐减弱直至消失，岩体变形将表现 为地下采动特性。n走向主断面稳定O图3-2井采影响下边坡岩体变形机制示意图因此对于边坡稳定 而言，露天矿坑越 浅，地下采区位置

50、 越深越有利于边坡走向主断面稳定O图3-2井采影响下边坡岩体变形机制示意图3. 1. 4地表移动特征随着回采工作面的向前推进，新采动的岩层开始移动，当采空区 范围很大，采空区埋深小于上覆岩层的影响厚度时，亦即小于冒落带、 裂隙带、弯曲带和弹性变形带厚度之和时，岩层移动发展到地表，引 起地表移动，在地表形成一个范围较大的洼地（图7-3）。典型的地 下开采主断面内地表移动和变形分布规律如图7-4所示。图3-3主断面上地表各点移动示意图图 3-4地下开采主断面内地表移动和变形分布规律3. 1. 5井采影响下边坡岩体强度的变化当采空区面积扩大到一定范围时，岩层移动波及地表，使地表产 生移动和变形。走向

51、主断面上的地表各点移动，可以分为垂直移动和 水平移动两个分量，其中垂直移动分量表征的是下沉，而水平移动的 分量表征的是水平移动。这些移动也伴生大量的节理、裂隙产生和岩 体一定程度的破碎，从而大大降低采空区上覆岩土体的力学强度。另 外，在采动过程和采动后，地表和地下水系径流改变、调整和破坏， 从而对边坡的稳定产生不利的影响。另外开采沉陷所形成的沉陷带和 拉张裂缝，容易导致雨季降水大量入渗。大量的事实已经证明，水的 物理、化学及力学作用是导致岩土体失稳的一个极为重要的不可忽略 的因素，水对岩土体力学系统有很大的影响，水的作用可降低岩土体 的强度指标，尤其可以使断层介质或弱层的强度大幅度降低，使之更

52、 易破坏。水的作用还可使岩土体介质的弹性模量降低，使断层及弱层 储存弹性势能的能力降低。另外，水在结构面中的流动、存储的结果 还将产生浮托力，使水在结构面上的压力作用下，结构面有效正压力 减小，同时也导致了阻尼力的减小。比如，由于下沉的不均匀性，地 下采区下山方向的最大拉裂缝，很容易构成滑坡体的后缘，如再遇有 大气降雨等因素的诱发作用，将有可能导致滑坡。3. 1. 6井采影响下边坡变形破坏一般规律边坡表面出现围绕井采采空区的环状裂缝，下部发生局部底 鼓，边坡轮廓变化很大，沉陷严重，但并不一定构成闭合贯通滑面而 引起整体滑坡。如果井采工作面距矿坑的保安煤柱过短，裂缝及沉陷位置将会 出现在边坡坡角

53、处（即滑坡体的被动段），边坡抗滑力减小，对边坡 的稳定性影响最大；如果井采工作面距矿坑的保安煤柱足够长，裂缝及沉陷位置将会 出现在边坡中部或后部，边坡的下滑力可能减小，虽然边坡轮廓外 貌变化较大，但对整体边坡的稳定性影响不大。可以根据有关三下采煤煤柱留设标准、采煤沉陷有关试验数据、 理论计算公式及边坡稳定性计算理论与方法，通过分析计算边坡稳定 性来确定合理的保安煤柱长度。井采对边坡的影响主要表现在两方面：一是井采沉陷导致其上 覆岩土体、边坡发生裂缝、沉陷与变形，一旦遇到暴雨，则降雨与地 表水、地下水可能通过裂缝渗入边坡体内，大大降低岩体强度；二是 井采沉陷改变岩土体原有的完整性，可导致边坡岩土

54、体强度降低，目 前可以采用抗剪强度指标折减的方法及数值模拟方法。3. 2边坡变形破坏机理数值模拟研究对于多种因素综合作用下的露天煤矿边坡变形失稳的研究极为 复杂而又十分困难。在研究中，通常采用模型试验研究、理论研究和 数值计算分析相结合的研究方法，通过在试验的基础上的理论和数值 计算，方能给出边坡变形失稳破坏机制和规律。国内外，一般对于这 类问题运用的数值分析方法有：有限差分法、边界元法、有限元法、 离散元法及流形元等。其中：有限元法由于对各种边界和边界条件的 组合比较容易处理，因而比较流行且已达到较高的使用水平。3. 2.1有限元分析的数学一力学原理有限元法与具体力学模型相结合，求解边坡变形

55、失稳的数学一力 学原理、分析步骤如下：3. 2.1.1建立离散化有限元计算模型用一定形式的单元类型（三角形或四边形），将计算模型划分为 适当大小的有限个单元，并假定各单元间的连接通过节点来实现，同 时确定荷载及位移边界条件。3. 3.1.2单元位移模式分析、单元应变及应力 TOC o 1-5 h z 位移模式一般选择为坐标的多项式，写成矩阵的形式则有： f=N 6 (3-1)式中：N为形函数矩阵；6为单元节点位移矩阵。根据几何方程，对上式求偏导数，可得到单元应变，即： = B 8 (3-2)式中：B为应变矩阵。根据物理方程及(3-2)式，从而可得到单元节点位移 8 表达 的单元应力计算公式：o

56、 = D = DHB6(3-3)3. 2. 1.3单元刚度分析通过虚功原理，对立单元节点与节点位移之间的关系为：Ke 6 =F(3-4)式中F为单元节点力；Ke为单元刚度矩阵，可由下式确定： Ke= uBYDBdu(3-5)式中：D为弹性矩阵。3. 2. 1.4形成荷载列阵R将各单元的体积力、面力等均静力等效原则移置到各单元的节点 上，计算公式为：Q = J“WFPd优 =卬了俨垃(3-6)式中Pu、Ps分别为作用于单元的体积力P及面力P的等效节点 荷载，设环绕某节点I菜有K个单元，贝也节点上的外荷载Ri为：0 =次 +为暇 + 片(3-7)e=l5=1式中Pi为作用于i节点上的集中力，荷载列

57、阵R为：R=Ri R2 R3Rn13. 2.1.5形成总体平衡方程将各单元节点力与节点位移之间的关系迭加，形成以节点位移列 阵 5 为基本未知量的线性代数方程组：K = Kee=lKb = H(3-8)式中：K为总体刚度矩阵。3. 2. 1. 6破坏准则破坏准则通常采用比较符合岩石材料的Druck-Prager准则： /=见+口-Ka = 一四J(3-9)(9 + 3sin20 3C*cosK (9 + 3sin2式中：11、J2分别为应力张量和应力偏量的第一和第二不变量；C、 为岩石的抗剪强度参数。对于破坏单元要进行应力转移，破坏单元 的转移应力为： ooDcp B。e(3-10)式中：。叩

58、为弹塑性矩阵，调整后单元的应力为。 - Ooo3. 2. 1.7总体平衡方程求解求解(3-8)式，通常采用增量一初应力法，得出节点位移矢量U。根据相应节点的位移（3-2）、（3-3）式计算各单元的应变和应力，然 后根据材料力学的应力状态理论求出各单元的主应力（。”。3）和最大主应力（。1）与X轴的夹角（a ）：a = Lctg- 2r J2b r - cr v3. 2.2本次数值模拟采用方法本次数值模拟采用大型通用有限元分析软件（ANASYS软件），该 软件功能丰富、用户界面良好、前后处理和图形功能完备。ANASYS 软件处理岩土问题的分析过程主要包括以下三个步骤：、创建有限 元模型，含创建几

59、何模型、定义材料属性、单元网格划分等；、施 加载荷并求解，含施加的载荷选项、设定约束条件、求解等步骤；、 结果输出，含计算结果的图表、曲线等的显示、输出等。3. 2. 3数值模拟计算3. 2. 3. 1计算模型建立露天煤矿边坡的许多工程地质现象是在卸荷过程中发生的，其模 拟的基本思路是将边坡性态的改变近似为若干步的快速开挖，每开挖 一次，进行一次有限元分析并将开挖荷载作为卸荷荷载纳入计算，从 而对边坡的稳定性状况进行模拟计算，达到对地质体变形破坏描述的目的。本次计算选取了 9127剖面作为数值分析的典型剖面进行模拟。在考虑采空区和不考虑采空区的情况下，对现状边坡和设计边坡分别 作为一次开挖进行

60、数值模拟。72300725009127 (3)剖面1400砂泥岩层组72300725007270072300725009127 (3)剖面1400砂泥岩层组723007250072700图3-5 9127剖面地质模型图3. 2. 3. 2边界条件及计算参数的确定模型的右侧边界为截离边界，边界上作用自重应力引起的水平侧向应力，其分布呈三角形的面力形式，向下增大的变化率为1- N边界上不考虑水平构造应力的作用，模型的左边界和底部边界分别以 水平（X）和垂直（Y）方向的位移约束，从而构成位移边界条件，已 保持整个系统受力体系的平衡。计算剖面主要求取可能诱发的边坡变形破坏的机理，为边坡设计 提供依据。