井采影響下安家?guī)X礦北幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治措施研究

1、一、問題的提出為了確保2008年投資計(jì)劃中的工程項(xiàng)目在4月份氣候轉(zhuǎn)暖時(shí)開 工建設(shè)，1月30日平朔煤炭工業(yè)公司召開專題會(huì)議，討論安排計(jì)劃 內(nèi)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，同時(shí)簽發(fā)了辦公會(huì)議13號(hào)文件。根據(jù)13號(hào) 文件要求，平朔煤炭工業(yè)公司確定煤炭科學(xué)研究總院撫順分院為安太 堡、安家?guī)X露天礦邊坡綜合治理工程項(xiàng)目的承擔(dān)單位，并同時(shí)下達(dá)了 項(xiàng)目委托書。煤炭科學(xué)研究總院撫順分院接到委托書后，組織科研人 員到達(dá)安家?guī)X露天煤礦與礦方領(lǐng)導(dǎo)及工程技術(shù)人員對(duì)2008年露天礦 邊坡問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析與協(xié)商，決定立項(xiàng)開展“安家?guī)X露天礦邊 坡綜合治理”項(xiàng)目，并制定了切實(shí)可行的研究方案。“安家?guī)X露天礦 邊坡綜合治理”項(xiàng)目由四個(gè)子

2、項(xiàng)目組成，其中“井采影響下安家?guī)X礦 北幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治措施研究”為其中的一個(gè)子課題。二、本課題研究背景露井聯(lián)采作為一種新型的開采方式，具有合理、高效開采煤炭資 源，減少資源浪費(fèi)，有利于發(fā)揮露天開采與井工開采優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)， 但是由于露天礦與井工礦應(yīng)力和變形的耦合作用，使得其變形機(jī)理與 災(zāi)害發(fā)生方式都不同于單一開采方式，并且這將關(guān)系到露天礦與井工 礦兩礦的安全生產(chǎn)問題，現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果表明，北幫邊坡上部已經(jīng)出現(xiàn) 裂縫和沉陷區(qū)，因此，對(duì)北幫露井聯(lián)采區(qū)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治 措施研究是當(dāng)務(wù)之急，也是關(guān)系到整個(gè)露天礦乃至井工礦安全生產(chǎn)的重大問題。三、項(xiàng)目主要基礎(chǔ)資料在開展本項(xiàng)目前及項(xiàng)目進(jìn)行過程中，

3、項(xiàng)目組同安家?guī)X露天煤礦相 關(guān)部門及技術(shù)人員進(jìn)行了深入溝通，并對(duì)與本項(xiàng)目有關(guān)的資料進(jìn)行了 廣泛的收集，所收集到的前期資料，具體有安家?guī)X露天礦提供的“安 家?guī)X露天礦北幫前期勘查資料”，“研究區(qū)域邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì) 相關(guān)資料”，“安家?guī)X2#井工礦開采相關(guān)資料”，以往本地區(qū)相關(guān)科研 項(xiàng)目的研究報(bào)告等資料，具體的有：(1)安家?guī)X露天礦68月份采礦現(xiàn)狀圖；(2)研究區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)相關(guān)資料；(3)井工礦相關(guān)資料；(4)安家?guī)X露天煤礦北幫滑坡綜合治理研究報(bào)告；(5)安家?guī)X礦北端幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與監(jiān)控工程研究報(bào)告；四、本次主要工作內(nèi)容由于安家?guī)X露天礦露井聯(lián)采區(qū)域邊坡受到露天開采與井工開采 兩種采動(dòng)效

4、應(yīng)的作用，依據(jù)采區(qū)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種采動(dòng)影響域中 的一部分相互重疊,致使采動(dòng)效應(yīng)相互作用和相互疊加,表現(xiàn)為一種 采動(dòng)效應(yīng)對(duì)另一個(gè)平衡體系的干擾或破壞作用，使得兩種開挖體系之 間相互誘發(fā)或相互擾動(dòng),從而組成一個(gè)復(fù)合動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)。在該系統(tǒng) 內(nèi)的巖體應(yīng)力狀態(tài)與變化過程完全不同于單一露天開采條件下的邊 坡巖體變形問題。因此，本項(xiàng)目針對(duì)安家?guī)X露天礦北幫露井聯(lián)采區(qū)域 開展相關(guān)研究，對(duì)井采影響下北幫邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出合理 的邊坡變形破壞的防治措施，防止災(zāi)害性滑坡發(fā)生，為露天礦安全生 產(chǎn)提供理論依據(jù)。本項(xiàng)目的工作主要包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 1、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件(1)、現(xiàn)場(chǎng)踏勘及工程地質(zhì)調(diào)查；

5、(2)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料收集；(3)、井工礦開采情況調(diào)查，包括北幫地下巷道及采空區(qū)的資料及分 布情況；(4)、確定研究區(qū)域工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件。2、巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究(1)、以往本地區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的收集、匯總分析；(2)、井工巷道巖樣力學(xué)性質(zhì)分析；(3)、根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，結(jié)合以往試驗(yàn)成果，采用工程類比和強(qiáng)度 弱化的方法來確定本項(xiàng)目所需的巖土力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，為邊坡穩(wěn)定性評(píng) 價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。3、邊坡變形破壞機(jī)理及滑坡模式分析邊坡變形破壞機(jī)理研究是邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中一項(xiàng)基礎(chǔ)研究，本次 對(duì)井采影響下安家?guī)X礦北幫邊坡變形破壞機(jī)理及滑坡模式的分析主 要根據(jù)北幫邊坡工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，

6、并結(jié)合本地區(qū)以往的科研 成果及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析與確定，由于井采影響下的邊坡變形破壞機(jī)理是 非常復(fù)雜的，邊坡總變形是由其自身變形與井采沉陷疊加而成的，因 此邊坡變形破壞機(jī)理的研究采用理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法， 具體計(jì)算、分析采用有限元方法。4、邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)根據(jù)項(xiàng)目需要，本次邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)選取2個(gè)剖面、每個(gè) 剖面建立2個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計(jì)算與分析，具體的：考慮井 工開采對(duì)邊坡強(qiáng)度弱化情況下的邊坡穩(wěn)定情況；考慮井工影響、降 雨等最不利條件下邊坡的穩(wěn)定情況。本次邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)應(yīng)用 極限平衡理論，具體方法采用morgenstern-price法。5、邊坡變形破壞防治措施研究在邊

7、坡穩(wěn)定性分析、評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，結(jié)合露天礦具體生產(chǎn)情況，提 出井采影響下安家?guī)X露天礦北幫邊坡切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的變形破壞 防治措施。五、完成的主要工作煤炭科學(xué)研究總院撫順分院自2008年2月份收到平朔煤炭工業(yè) 公司的委托書后，開始組織技術(shù)人員進(jìn)行項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作，于2008 年4月初正式開展“井采影響安家?guī)X礦北幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與防治措 施研究”項(xiàng)目的研究工作，經(jīng)過6個(gè)月的努力工作，于2008年10月 完成合同書所要求的全部工作。具體如下：1、工程地質(zhì)條件研究；2、巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究；3、邊坡變形破壞機(jī)理研究；4、邊坡穩(wěn)定分析與評(píng)價(jià)；5、邊坡變形破壞防治措施研究。在進(jìn)行該項(xiàng)目的過程中，得到了平朔公司及

8、安家?guī)X露天礦各級(jí)領(lǐng) 導(dǎo)和廣大工程技術(shù)人員的大力協(xié)作，在此表示衷心的感謝。第一章工程地質(zhì)條件研究自然概況地理位置安家?guī)X露天煤炭有限公司露天礦位于山西省朔州市北部，南距太 原市約250km,北距大同市約145km。公路交通運(yùn)輸四通八達(dá)，十分 便利，并有鐵路通往太原、大同等地，從大同有通往秦皇島的大秦鐵 路，全長(zhǎng)898km。北幫露井聯(lián)采區(qū)位于安家?guī)X露天礦礦坑北側(cè)，具體位置參見圖 1-1 O圖1-1北幫露井聯(lián)采區(qū)分布圖1. 1. 2氣候條件平朔礦區(qū)屬溫帶半干旱大陸性氣候，四季分明，干旱少雨。年平 均溫度為5.56.8,最高溫度37.9C,最低溫度-32.4。年降雨量 范圍為82.2489.16mm,主

9、要集中在79月份，最大降雨強(qiáng)度 478mm/月、87mm/日，降雨多以暴雨形式出現(xiàn)。日照充足，年蒸發(fā) 量大約為735.62598mm,超過降雨4倍以上，冬季地表土的最大凍 結(jié)深度1.31m,很少積雪。1. 1. 3地形地貌平朔礦區(qū)位于黃土高原，地表覆蓋有厚層第四系黃土。由于氣候 干旱、少雨，植被稀少，降雨集中，水土流失嚴(yán)重。從而使地表黃土 層被切割得溝壑縱橫，地形支離破碎，異常復(fù)雜。露井聯(lián)采區(qū)位于礦坑北端幫，由于采礦作用，變形區(qū)地形規(guī)整， 形成臺(tái)階狀坡體，邊坡由采掘臺(tái)階組成（圖-2）。下部有井工礦9# 煤采空區(qū)，安家?guī)X露天礦2#井工礦運(yùn)煤大巷也在其下部建設(shè)，其典 型剖面示意圖見圖l-2o723

10、0072500757008855 (2)剖面 -14001400 _723007250072700圖2北幫露井聯(lián)采區(qū)典型剖面示意圖1.2工程地質(zhì)條件由于平朔礦區(qū)在礦山建設(shè)過程中及以往所開展的科研課題中曾 進(jìn)行過大量的地質(zhì)勘查工作，地質(zhì)資料較為豐富，因此本子課題未進(jìn) 行相關(guān)地質(zhì)勘查工作。工程地質(zhì)條件的研究采用以下方法進(jìn)行：（1） 現(xiàn)場(chǎng)踏勘，地質(zhì)調(diào)查：對(duì)露井聯(lián)采區(qū)邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘和地質(zhì)測(cè)繪;（2）井工開采情況調(diào)查：深入井工開采巷道進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，掌握井 工巷道及采空區(qū)與露天邊坡上下位置對(duì)照及變形對(duì)照情況；（3）收集 安家?guī)X礦北幫以往邊坡地質(zhì)資料；（4）收集北幫地下巷道及采空區(qū)的 資料、分布情況；本次

11、北幫露井聯(lián)采區(qū)工程地質(zhì)條件按是在對(duì)以上幾 方面資料整理、分析得到的。2.1巖土層組劃分北幫露井聯(lián)采區(qū)賦存地層主要有第四系黃土、第三系紅土和石炭 系基巖。第四系黃土第四系黃土中有粉土層、粉質(zhì)粘土層和粘土層。粉土層灰黃棕黃色，少有粘粒和砂粒，具孔隙，含植物根系、有機(jī)斑 點(diǎn)、鈣質(zhì)菌絲、云母碎屑，偶有鈣核。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)：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。粉質(zhì)粘土層棕黃棕紅色，具一定量的粉粒，大多為粘土集粒，含較多有機(jī) 質(zhì)斑點(diǎn)及褐色、褐紅色條紋，常與薄層粉土層交互出現(xiàn)。下部基質(zhì)呈 暗紅色，含鈣核、潮濕、軟塑狀。實(shí)驗(yàn)指標(biāo):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粘土層棕紅色，稍有粉粒，基本由粘土集粒組成，細(xì)密，潮濕，軟塑狀, 含有機(jī)質(zhì)斑點(diǎn)，鐵質(zhì)條紋，下部含少量礫巖顆粒。實(shí)驗(yàn)指

13、標(biāo)： 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第三系紅土層組呈紫紅色、致密，半成巖狀、硬、脆，具油脂光澤。含磨圓甚好 的礫石，層中多見節(jié)理裂隙，隙縫中可含水。層厚019.51m。實(shí)驗(yàn) 指標(biāo)：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石炭系基巖北端幫邊坡體石炭系中有泥巖層、砂巖層和煤層。泥巖層組主要呈灰白色、灰黃色，厚度為0.721.7m不等，巖芯完整。含有高嶺石、水云母、等礦物，絹云母，以泥質(zhì)膠結(jié)和鈣質(zhì)膠結(jié)為主。 物理力學(xué)性能指標(biāo)為：天然容重P=2.51g/cn?；凝聚力C=1.60Mpa； 內(nèi)摩擦角6=28.0。；單軸抗壓強(qiáng)度R=18.52Mpa。砂巖層組以灰白色為主，也有灰黃色、棕黃色、棕紅色等，層厚度為2.6 22.1m不等。礦物組成主要是

15、石英、巖屑、長(zhǎng)石，石英含量占絕對(duì)優(yōu) 勢(shì)，巖屑與長(zhǎng)石的含量在不同的層位互有增減。砂巖以粘質(zhì)膠結(jié)的呈 酥粉狀或手可粉之，以鐵質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)的質(zhì)硬。巖芯完整，層理結(jié)構(gòu) 面密度平均為3條/m左右，結(jié)構(gòu)以構(gòu)造節(jié)理為主，通常閉合，無充 填。根據(jù)構(gòu)成的顆粒大小程度可詳細(xì)劃分為粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖。 巖石局部含鈣質(zhì)與鐵質(zhì)結(jié)核，巖芯較完整。其物理力學(xué)性能指標(biāo)為： 天然容重P =2.51g/cm3；凝聚力C=4.95Mpa；內(nèi)摩擦角6=43.0。；單 軸抗壓強(qiáng)度R=28.52Mpa。煤層對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大的是4#煤層，該層煤以暗煤、半暗煤為主， 夾少量半光亮型煤，層厚為9.512.9m不等。4#煤層頂部有12m

16、的強(qiáng)風(fēng)化帶，為邊坡巖體主要軟弱層。煤層風(fēng)化后疏松，嚴(yán)重風(fēng)化后 呈粘泥狀，容重減小，而孔隙率及含水率增大，抗壓強(qiáng)度降低。其物 理力學(xué)性能指標(biāo)為:天然容重P=1.40g/cm3；凝聚力C=l.llMpa；內(nèi) 摩擦角6=26.5。；單軸抗壓強(qiáng)度R=12.54Mpa。1. 2. 2構(gòu)造及節(jié)理裂隙上已述及，北幫邊坡賦存地層有第四系、第三系和石炭系，其中 第三系只是局部分布，各地層之間的接觸關(guān)系為不整和接觸?；鶐r頂 板總體產(chǎn)狀為南傾，傾角變化較大?；鶐r巖層產(chǎn)狀傾向南東，傾角3 5 o通過野外節(jié)理裂隙調(diào)查，北端幫邊坡巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育。統(tǒng)計(jì) 結(jié)果表明，頻度接近的優(yōu)勢(shì)理節(jié)有四組，分別為：、產(chǎn)狀215237 N

17、7488 ；、327 N8289 ；、284298 N8487 ； 、7075 N8286。在4#煤層上部的巖層中，優(yōu)勢(shì)節(jié)理的平均 間距為25條/m。1.2.3水文地質(zhì)簡(jiǎn)述北幫邊坡巖土體大體可以劃分為第四系潛水含水單元和基巖裂 隙含水單元：第四系潛水含水單元粉土層組具大孔隙，成為相對(duì)含水層組，其滲透系數(shù)為1.22.0 X 10-5m/s,邊坡坡面未見出水點(diǎn)?；鶐r裂隙含水單元北端幫基巖邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，有若干出水點(diǎn)，其中4#煤層較 為嚴(yán)重。但從勘探鉆孔中的靜止水位來看，其水位較低，在4#煤層 底板。1.2.4工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型北幫露井聯(lián)采區(qū)邊坡工程地質(zhì)簡(jiǎn)化模型如圖1-3, 1-4所示。723007

18、2500圖1-3北幫8855剖面圖1-4北幫9127剖面第二章巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究研究方法巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是項(xiàng)目研究、穩(wěn)定分析的主要基礎(chǔ)資料，但 要搞清巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)需要進(jìn)行大量的各種試驗(yàn)研究，這需要 打許多鉆孔勘察并要取樣試驗(yàn)。一是工程量大，二是時(shí)間不允許。但 平朔礦區(qū)在礦山設(shè)計(jì)階段、露天煤礦建設(shè)、生產(chǎn)中，煤炭科學(xué)研究總 院撫順分院、中國(guó)礦大、一四八地質(zhì)勘探隊(duì)等許多科研院校、勘察單 位結(jié)合各自研究項(xiàng)目的具體需要，對(duì)各類巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行 過大量的多次試驗(yàn)研究，積累了豐富的資料。根據(jù)這一特點(diǎn)，本次北 幫露井聯(lián)采區(qū)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)研究工作采用如下研究方法：(1 )、對(duì)以往的各個(gè)項(xiàng)

19、目的巖土體試驗(yàn)研究成果進(jìn)行收集、歸納、 分析。采用巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)類比的方法將適合于本次項(xiàng)目研究的 試驗(yàn)成果分析總結(jié)提供本項(xiàng)目研究之用。(2)、由于北幫曾經(jīng)發(fā)生過滑坡，該滑坡相當(dāng)一次大型的原位試 驗(yàn)，對(duì)于滑體及滑面力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的確定具有非常重要的意義，因此 通過對(duì)滑坡前及滑坡后邊坡輪廓的反分析，可得出滑體相關(guān)力學(xué)強(qiáng)度 指標(biāo)。(3)、由于井工開采的擾動(dòng)，井采影響域內(nèi)的邊坡巖體的力學(xué)強(qiáng) 度受到一定程度的影響，因此指標(biāo)本次巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值既 考慮了無井采擾動(dòng)時(shí)的性質(zhì)指標(biāo)，又考慮了在受到井采擾動(dòng)后巖土體 物理力學(xué)指標(biāo)的弱化。本次對(duì)研究區(qū)巖土物理力學(xué)性質(zhì)的確定是在綜合以上三方面因 素及資料的基

20、礎(chǔ)上，進(jìn)行歸納、分析、整理得到的。2. 2以往試驗(yàn)工作分析2. 2.1 一四八地質(zhì)勘探隊(duì)試驗(yàn)成果對(duì)于該區(qū)第三系砂巖、泥巖、煤等試驗(yàn)指標(biāo)，山西煤田地質(zhì)勘探 一四八隊(duì)曾做了大量的力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)，著重測(cè)定了硬巖的抗壓強(qiáng)度、 抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度(參閱山西省寧武煤田平朔礦區(qū)安家?guī)X露天煤 礦安太堡二號(hào)勘探區(qū)勘探(精查)地質(zhì)報(bào)告)，試驗(yàn)主要成果見表 2-1 o巖石物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表2T巖石類別容重 (g/cm3)抗壓強(qiáng)度 (Mpa)抗拉強(qiáng)度 (Mpa)凝聚力 (Mpa)內(nèi)摩擦角( )砂巖類2. 152. 6222.31151.25. 41. 429. 11842泥巖類1. 932. 661.413. 10.

21、125. 72. 022. 814382. 2. 2撫順分院在安家?guī)X礦北端幫試驗(yàn)成果煤炭科學(xué)研究總院撫順分院在“安家?guī)X北端幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與 監(jiān)控工程”項(xiàng)目中，對(duì)北端幫巖土體進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)；在“安家?guī)X露 天礦北幫滑坡治理”項(xiàng)目中針對(duì)滑坡體也進(jìn)行了地質(zhì)勘查工作，同時(shí) 進(jìn)行了相關(guān)巖土力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，由于本次研究范圍和這兩個(gè)項(xiàng)目的研 究范圍接近，因此試驗(yàn)成果對(duì)本項(xiàng)目中巖土體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的確定具 有一定的借鑒作用?！鞍布?guī)X北端幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與監(jiān)控工程”試驗(yàn)成果 安家?guī)X礦北端幫補(bǔ)充試驗(yàn)內(nèi)容有三項(xiàng)：. 土工試驗(yàn)試驗(yàn)對(duì)象為北端幫黃土層中粉土、粉質(zhì)粘土、粘土，測(cè)定這三種 土層的密度、含水率、壓縮性能、抗剪強(qiáng)度

22、及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。重點(diǎn) 通過抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)（三軸剪切試驗(yàn)與平面直接剪切試驗(yàn)）確定這三種 土層的凝聚力與內(nèi)摩擦角。.巖石試驗(yàn)試驗(yàn)對(duì)象為基巖層中的砂巖、泥巖、砂泥巖、煤，著重測(cè)定這四 種巖層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（凝聚力C與內(nèi)摩擦角）,通過點(diǎn)載荷試驗(yàn)確 定巖石的抗壓強(qiáng)度，相應(yīng)測(cè)定巖石密度等項(xiàng)指標(biāo)。.特殊試驗(yàn)對(duì)于北端幫邊坡體內(nèi)賦存的紅粘土與風(fēng)氧化煤弱層，在采礦活過 程中其受力狀態(tài)、工程動(dòng)力性質(zhì)是在不斷變化中的。隨著時(shí)間的推移 抗剪強(qiáng)度降低，即產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，導(dǎo)致邊坡體原來的平衡狀態(tài)破 壞而發(fā)生滑動(dòng)；或者隨時(shí)間的推移邊坡變形在增長(zhǎng)，即發(fā)生蠕變現(xiàn)象, 致使邊坡土體遭破壞，這兩種效應(yīng)稱之為流變。任何一類有弱層參與

23、的邊坡變形破壞過程，實(shí)際上均是一個(gè)蠕變變形破壞的過程。在處于 危險(xiǎn)空間結(jié)構(gòu)中，其受力與強(qiáng)度變化是長(zhǎng)期作用的結(jié)果，在臨界破壞 時(shí)，往往只有殘余強(qiáng)度起作用。因此弱層的飽水長(zhǎng)期強(qiáng)度試驗(yàn)（流變 試驗(yàn)）對(duì)穩(wěn)定性分析十分重要。另外，這兩種弱層在地下水的長(zhǎng)期作 用及大氣降水的影響下，含水量會(huì)逐年增加，不同含水量試驗(yàn)?zāi)苡行У胤从吵鋈鯇拥目辜魪?qiáng)度受含水量變化影響0試驗(yàn)成果見表2-22-13。黃土層直接剪切試驗(yàn)與排水反復(fù)剪切試驗(yàn)成果表2-2地層 特征孔號(hào)取樣深度H (m)凝聚力 C(kpa)內(nèi)摩擦角 4 ( )殘余凝聚 力 C(Kpa)殘余摩擦角巾( )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黃土層三軸剪切試驗(yàn)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)成果表2-3土 層 特 征試 樣 狀 態(tài)試 樣 編 號(hào)圍壓 。3 (Kpa)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)平均抗剪強(qiáng)度 指標(biāo)無側(cè)限 強(qiáng)度 q (Mpa)靈 敏 度 St密度P (g/cm3)含 水 量 W (%)凝聚 力 C(Kpa)內(nèi)摩 擦角 (。)凝聚 力C (Kpa)內(nèi)摩 擦角4)(0 )粉土淺 黃 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 黃 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巖石 名稱孔號(hào)取樣 深

27、度 H(m)周圍最大 壓力o 3(Mpa)三軸抗剪強(qiáng)度指標(biāo)壓縮模量E (104Mpa)泊 松 比U天然容重P (g/cm3：凝聚力C(Mpa)內(nèi)摩擦角6( )泥巖BJ1-115.5-18.06.02.4132.82.080.322.51砂泥巖BJ1-268.5-69.58.03.0139.42.170.262.49砂巖BJ2-545.5-47.210.06.1748.93.540.232.54煤BJ2-425.6-26.84.01.3528.91.980.201.41黃土層標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)壓縮試驗(yàn)成果表2-5土層 特征孔號(hào)取樣深度H(m)固結(jié)壓力 o p(Kpa)壓縮變形量 h(0. 01mm)壓縮變

28、形系數(shù)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 層 名 稱正應(yīng) 力a(Kpa)長(zhǎng)期強(qiáng)度 第三屈服 f3 (Kpa)剪切模量G(Mpa)粘滯系數(shù)T1 (10Hkpa.s)長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)密度P (g/cn?)含水量W(%)備注瞬時(shí)模量 Go(Mpa)長(zhǎng)期模量GB(Mpa)凝聚 力 C(Kpa)內(nèi)摩 擦角0( )粘10095.270.360.160.20模200118.540.480.250.3572.013.12.0324.2擬弱300141.810.540.260.25浸層400165.080.620.260.19水風(fēng)氧 化煤 弱層5017.910.290.100.09泥10026.810.350.140.139.010.

30、11.8927.1化15035.720.430.210.18狀20044.630.500.220.14態(tài)不同含水率試驗(yàn)成果表2-7試樣 名稱試樣狀態(tài)含水 程度 w(%)凝聚力C(Kpa)內(nèi)摩擦角 山( )0 為 200Kpa 剪切強(qiáng)度 t (Kpa)密度P (g/cm3)備注粘土重塑15.297.218.3163. 342. 03模擬不同含 水狀態(tài)20.882.515. 1136. 462. 0024.565.213. 1111. 741.9629.351.812.094.311.9334.535.610.974. 111.89單軸強(qiáng)度(測(cè)變形參量)、容重及吸水率試驗(yàn)成果表2-8孔 號(hào)試樣 名

31、稱試樣狀態(tài)取樣深度H(m)試件 數(shù) n(個(gè))單軸抗 壓強(qiáng)度 R (Mpa)彈性 模量 E(lOMpa)泊松 比U天然 容重P(g/cm3)飽和 吸水 率 Q(%)BJ1-1泥巖灰黃色15. 4-16. 1315. 831.410. 282.412. 1317. 5-18. 0217. 121.500. 252. 422. 10BJ1-2砂泥巖紫紅色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 裂紋59. 5-60. 029. 590. 850. 201.423. 5761.5-61.9211. 710. 930. 211.433. 48孔號(hào)取樣 深度 H(m)試樣 狀態(tài)試樣編號(hào)垂直 壓力0 (Mpa)剪切強(qiáng) 度峰值 I (Mpa)凝聚力C(Mpa)內(nèi)摩 擦角( )天然 容重p (g/cm3)BJ1 128.729.7泥砂 互層SNJ1-14.015.212.4534.52.54SNJ1-28.138.04SNJ1-312.2510.87BJ1268.569.5泥砂 互層SNJ2-14.124.942.3

33、132.62.48SNJ2-28.317.62SNJ2-312.5010.30BJ2431.432.2泥砂 互層SNJ3-14.085.102.3833.72.41SNJ3-28.147.81SNJ3-312.2010.52SNJ3-416.0913.11BJ2572.573.5泥砂 互層SNJ4-14.155.572.5436.12.46SNJ4-28.108.45SNJ4-312.2011.44孔號(hào)取樣 深度 H(m)試樣狀態(tài)試樣 編號(hào)垂直 壓力 o (Mpa)剪切強(qiáng) 度峰值 t (Mpa)凝聚力 C(Mpa)內(nèi)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棕紅色SJ2-15.7610.615.1243.62.54SJ2-29.8114.46SJ2-313.7218.19BJ246.57.8灰黃色SJ3-14.8510.265.3945.12.57SJ3-28.7714.19SJ3-312.8018.23SJ3-416.7522.20BJ2545.547.2黃色SJ4-15.419.194.5240.82.44SJ4-29.3512.59SJ4-313.2815.984號(hào)煤抗剪切強(qiáng)度試驗(yàn)成果表2-12孔號(hào)取樣 深度 H

35、(m)試樣狀態(tài)試樣編號(hào)垂直壓力o (Mpa)剪切強(qiáng) 度峰值 t (Mpa)凝聚力C(Mpa)內(nèi)摩 擦角 4( )天然容重P (g/cm3)BJ1 122.523.7局部有 裂紋MJ1-11.421.751.0825.31.41MJ1-24.853.37MJ1-37.544.64BJ1259.561.0局部有 裂紋MJ2-11.501.861.1226.41.42MJ2-24.713.46MJ2-37.825.00BJ2425.626.8局部有 裂紋MJ3-11.101.731.1527.81.39MJ3-24.203.36MJ3-37.154.92MJ3-410.086.46BJ2565.46

36、7.1局部有 裂紋MJ4-11.401.801.1026.51.38MJ4-25.313.75MJ4-39.055.61地層特征密度P (g/cmJ)凝聚力C (KpJ內(nèi)摩擦角 小( )彈性模量E(10Mpa)泊松比U備注粉土1.8725.024.00. 0150. 30綜合成果粉粘土1.9863.521.50. 0250. 35粘土2.0372.013. 10. 0300. 40砂巖2.4649033.01. 6-3. 70. 21-0. 28泥巖2.3932927.01. 3-2. 10. 25-0. 50風(fēng)氧化煤1.469.010. 10. 0090. 36流變指標(biāo)甲煤1.4921026

37、.50. 38-2. 10. 20-0. 30綜合成果砂泥巖2.4345032.00. 8-2. 20. 22-0. 272.2.2.2 安家?guī)X礦北幫滑坡治理”試驗(yàn)成果安家?guī)X露天礦北幫滑坡區(qū)土巖物理力學(xué)試驗(yàn)成果表表2-14編號(hào)采樣地點(diǎn)土巖名稱密度P(g/cm3 )含水量3 (%)凝聚力c(KPa)內(nèi)摩擦角6 ()備注1K5-2紅粘土1.9821. 0990.3111.992K41粉質(zhì)粘上2.0619. 3642.578. 623K51粉質(zhì)粘土2.0019.3795. 7215.214K32紅粘土2.0921.50139. 8216. 445K31粉質(zhì)粘土2.0123. 33125. 949.

38、646K64風(fēng)化泥巖2. 2814. 7018. 4720.61重塑7K66風(fēng)化泥巖2. 1514. 4658. 6225. 48重塑8K61風(fēng)化砂巖2.2311. 8760. 8726. 34重塑9K62風(fēng)化泥巖2. 1216. 3520. 6414.27重塑10K63風(fēng)化泥巖2. 1316. 5022.0615. 45重塑11K65風(fēng)化泥巖2. 1016. 7220. 8510.37重塑12K22風(fēng)化砂巖2. 2211.9362.8326. 89重塑2.2.2.3以往相關(guān)項(xiàng)目成果關(guān)于平朔礦區(qū)露井聯(lián)采方面的研究，煤炭科學(xué)研究總院撫順分院 曾開展的項(xiàng)目有“安家?guī)X露天煤礦西排土場(chǎng)北部變形區(qū)邊坡穩(wěn)

39、定性分 析與評(píng)價(jià)”、“安太堡礦六坑排土場(chǎng)增高的邊坡排土參數(shù)研究”、“安太 堡礦西排土場(chǎng)受二鋪礦采空區(qū)影響下邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)”等，其 研究成果可供本項(xiàng)目參考。安家?guī)X露天礦西排土場(chǎng)北側(cè)邊坡變形區(qū)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值表2-15凝聚力C (kPa)內(nèi)摩擦角力( )密度 p (g/cm3)未受擾動(dòng)受擾動(dòng)水浸未受擾動(dòng)受擾動(dòng)水浸未受擾動(dòng)受擾動(dòng)排棄物料1919-16152924-2520-231.871.85粉土層25-5120-22202523-2422-231.871.85粘土M72555521-2416-1816-182. 022. 02黃15層201918-191312101.921.91基巖

40、350-490240-3003531-33312.52.5甲煤210100-15026.516-201.449,煤210271.49不考慮井采擾動(dòng)時(shí)巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦表表2-16類別凝聚力 (Kpa)內(nèi)摩擦角力( )密度P(g/cm3)混合排棄物19261.87基底黃土40201.99粘土76202.02軟弱層28102.02類另凝聚力 (Kpa)內(nèi)摩擦角6( )密度P(g/cm3)混合排棄物162525. 51. 87基底黃土3616.818.01. 95粘土65.518-192.02軟弱層20.58-102. 02安太堡礦六坊南F土場(chǎng)巖土物理力學(xué)綜合指標(biāo)推薦值表2-18地層特征密度P

41、(g/cm3)凝聚力C (Kpa)內(nèi)摩擦角 4)( )排棄物1.87162123粉土1.872022粘土2. 035513-18粘土弱層2.0212.5308.8-12砂巖2.4245031泥巖2.3830025.5砂泥巖2.4044028煤1.48205263本次巖土物理力學(xué)指標(biāo)推薦值本次巖土體物理力學(xué)指標(biāo)推薦值既考慮了無井采擾動(dòng)時(shí)的性質(zhì) 指標(biāo)，又考慮了在受到井采擾動(dòng)后巖土體物理力學(xué)指標(biāo)的弱化及考慮 井工開采和暴雨等最不利的情況。因此根據(jù)以上對(duì)以往本地區(qū)巖土物 理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果及井采沉陷后邊坡變形情況分析評(píng)價(jià)進(jìn)行整理， 得到本次穩(wěn)定性分析所用的巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)推薦值，見表2-190巖凝

42、聚力C(T/M2)內(nèi)摩擦角(P ()密度 p (T/M3)未擾動(dòng)受擾動(dòng)最不利未擾動(dòng)受擾動(dòng)最不利未擾動(dòng)受擾動(dòng)粉土層2.55.12.02.22.025232422231.871.85粘土層7.25.55.521 24161816182.022.02黃土弱層21.91.81.91312101.921.91基巖35 492430353133312.52.54#煤21101526.516201.449#煤21271.49砂巖48322.42泥巖32.126.52.38砂泥巖45.5292.40第三章邊坡變形破壞機(jī)理研究露井聯(lián)采條件下巖層變形破壞規(guī)律1.1井工開采引起的巖層破壞力學(xué)特征當(dāng)在煤、巖體內(nèi)開掘巷

43、道或進(jìn)行開采時(shí)，破壞了原來的應(yīng)力平衡 狀態(tài)，使巷道或采場(chǎng)的周圍巖體的應(yīng)力重新分布。在應(yīng)力重新分布過 程中，引起巷道和回采工作面周圍煤巖體內(nèi)形成一個(gè)與原巖應(yīng)力場(chǎng)截 然不同的新的應(yīng)力場(chǎng)，其形成過程就是煤、巖體中應(yīng)力重新分布的過 程。在開采煤層之前，原巖應(yīng)力線相互平行，沒有變形。在開采后， 形成地下采空區(qū)，巖體應(yīng)力重新分布后的壓力線變形，壓力大的地方 壓力線變密，形成支撐壓力帶，壓力線變稀的地方形成無壓帶。原巖 應(yīng)力與開采后壓力線分布對(duì)比如示意圖3-1所示。(a)(b)圖3-1原巖應(yīng)力與地下開采后壓力線分布對(duì)比示意圖地下煤層采出形成采場(chǎng)空間后，首先引起圍巖原始應(yīng)力的變化， 原始應(yīng)力的變化引起附加應(yīng)力

44、，當(dāng)附加應(yīng)力大于原始應(yīng)力時(shí)，圍巖中 形成高應(yīng)力集中區(qū)，集中應(yīng)力超出其強(qiáng)度極限后，巖層發(fā)生變形，產(chǎn) 生位移、開裂直至垮落。1. 2井工開采引起覆巖破壞規(guī)律采動(dòng)覆巖的破壞具有一定的范圍和形態(tài)。經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究結(jié) 果表明，在水平及緩傾斜煤層（035）開采條件下，覆巖垮落帶、 裂縫帶范圍的最終形態(tài)類似于馬鞍形，在中傾斜煤層（3654）開采 條件下，覆巖垮落帶、裂縫帶范圍的最終形態(tài)呈上大下小的拋物線形 態(tài)；在急傾斜煤層（5590）開采條件下，覆巖破壞最終形態(tài)呈拱形 形態(tài)。關(guān)于覆巖破壞的最大高度，主要取決于采出煤層厚度，煤層傾角 及巖性，在采用全部垮落法管理頂板開采緩傾斜及中傾斜煤層條件 下，覆巖垮落及

45、裂縫帶最大高度可用下式表示（充分采動(dòng)條件下）:式中：H垮-一垮落帶最大高度；H裂一-裂隙帶最大高度;M-累計(jì)采 厚，m;a、b、c、d與覆巖性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)一般按離采空區(qū)的垂直距離來劃分開采影響范圍，形象地將被采 煤層上覆直到地表的巖土層分為上、中、下三段，亦即地表覆巖、內(nèi) 部及頂板。對(duì)于上段的移動(dòng)變形與破壞研究歷來是礦山測(cè)量學(xué)科開采 沉陷界的主要研究范疇，對(duì)下段的冒落、來壓及穩(wěn)定性研究，則是采 礦學(xué)科礦山壓力界的研究范疇。對(duì)于中段，由于條件復(fù)雜，研究手段 缺乏，一直缺乏較深入、較系統(tǒng)的研究，而事實(shí)恰恰是：中段是上， 下兩段移動(dòng)變形與破壞的關(guān)鍵所在，是“下段的力量來源，上段的幕 后主宰”。開采沉

46、陷主要受地層結(jié)構(gòu)及覆巖物理性質(zhì)的影響，而其中 的制約因素是上覆后硬巖層的空間位置與幾何力學(xué)特性，因此對(duì)“中 段”的研究，首先應(yīng)放在上覆層硬巖受采動(dòng)影響的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律這個(gè) 核心問題上。3. 1. 3露井聯(lián)采條件下邊坡巖體變形機(jī)制依據(jù)采區(qū)的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩種采動(dòng)影響域中的一部分相互重疊, 致使采動(dòng)效應(yīng)相互作用和相互疊加，表現(xiàn)為一種采動(dòng)效應(yīng)對(duì)另一個(gè)平 衡體系的干擾或破壞作用，使得兩種開挖體系之間相互誘發(fā)或相互擾 動(dòng),從而組成一個(gè)復(fù)合動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)。在該系統(tǒng)內(nèi)的巖體應(yīng)力狀態(tài)與 變化過程完全不同于單一露天開采條件下的邊坡巖體變形問題。地下煤、巖體未采動(dòng)以前，由于自重作用在其內(nèi)部引起的應(yīng)力， 通常稱為原巖應(yīng)

47、力，這種應(yīng)力在地下處于相對(duì)平衡狀態(tài)。露天礦開挖 破壞了原地質(zhì)體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致應(yīng)力的重新分布，當(dāng)邊坡輪廓 形成后，形成了新的應(yīng)力分布場(chǎng)，邊坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。假定原巖應(yīng) 力狀態(tài)為。，由露天開采引起的應(yīng)力變化為4,當(dāng)巖體達(dá)到穩(wěn) 定后，應(yīng)力場(chǎng)變?yōu)閎J = % + A4。當(dāng)轉(zhuǎn)入地下開采后，由于地下 開采所引起的應(yīng)力變化為分，則在兩者共同作用下，兩采動(dòng)影響 域內(nèi)邊坡巖體的應(yīng)力場(chǎng)變?yōu)? = % + 分。由于采礦過程是一 個(gè)動(dòng)態(tài)過程，邊坡巖體不斷受到擾動(dòng)，其應(yīng)力平衡系統(tǒng)不斷地受到破 壞，同時(shí)進(jìn)行自組織調(diào)整，因此實(shí)際上%和%都是變化的， 從而形成一個(gè)復(fù)合動(dòng)態(tài)疊加體系。由于兩種采動(dòng)效應(yīng)的相互作用和疊加，影響

48、域內(nèi)不同空間單元同 時(shí)受到兩種采動(dòng)效應(yīng)的影響，其合成矢量的大小和方向在不同空間位置上是不一致的，一般情況下合成矢量更多的表現(xiàn)出“強(qiáng)勢(shì)采動(dòng)效應(yīng)” 的屬性。設(shè)邊坡巖體因受露天開采效應(yīng)引起的位移矢量為與，由地下 采動(dòng)引起的位移矢量為嗎，兩者疊加后的位移矢量為% （見圖3-2）。 邊坡體內(nèi)位移矢量具有如下特點(diǎn)：從井采區(qū)下山方向巖移邊界線GD 至上山方向巖移邊界線EB, 和明之間的夾角逐漸增大，經(jīng)過走向 主斷面FC后，在某一位置上兩矢量之間的夾角將大于90 ,此時(shí)兩 矢量合成后開始相互抵消一部分，且隨著其夾角的增大，相互抵消越 多，合成矢量逐漸變小。兩種采動(dòng)影響域內(nèi)巖體下沉具有如下規(guī)律： 從EB至FC間

49、區(qū)域，下沉值呈遞增規(guī)律，其變形結(jié)果使邊坡角減小， 有利于邊坡穩(wěn)定，EC至GD間區(qū)域下沉值呈遞減規(guī)律，變形結(jié)果使得 該區(qū)域坡角增大，不利于邊坡穩(wěn)定。在地下采區(qū)下山方向的最大拉裂 縫，極易構(gòu)成滑坡體的后緣，同時(shí)沿著地下采區(qū)傾向邊界線附近的拉 裂縫，構(gòu)成滑體的側(cè)邊緣，使得滑體與滑床分離，減少側(cè)阻力，特別 是地下采區(qū)沿走向長(zhǎng)度不大時(shí)可能構(gòu)成滑坡內(nèi)因，導(dǎo)致滑坡。另外，兩種采動(dòng)效應(yīng)的影響隨著單元體的空間位置改變而改變， 隨著深度的增加，露天采動(dòng)影響逐漸減弱直至消失，巖體變形將表現(xiàn) 為地下采動(dòng)特性。n走向主斷面穩(wěn)定O圖3-2井采影響下邊坡巖體變形機(jī)制示意圖因此對(duì)于邊坡穩(wěn)定 而言，露天礦坑越 淺，地下采區(qū)位置

50、 越深越有利于邊坡走向主斷面穩(wěn)定O圖3-2井采影響下邊坡巖體變形機(jī)制示意圖3. 1. 4地表移動(dòng)特征隨著回采工作面的向前推進(jìn)，新采動(dòng)的巖層開始移動(dòng)，當(dāng)采空區(qū) 范圍很大，采空區(qū)埋深小于上覆巖層的影響厚度時(shí)，亦即小于冒落帶、 裂隙帶、彎曲帶和彈性變形帶厚度之和時(shí)，巖層移動(dòng)發(fā)展到地表，引 起地表移動(dòng)，在地表形成一個(gè)范圍較大的洼地（圖7-3）。典型的地 下開采主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律如圖7-4所示。圖3-3主斷面上地表各點(diǎn)移動(dòng)示意圖圖 3-4地下開采主斷面內(nèi)地表移動(dòng)和變形分布規(guī)律3. 1. 5井采影響下邊坡巖體強(qiáng)度的變化當(dāng)采空區(qū)面積擴(kuò)大到一定范圍時(shí)，巖層移動(dòng)波及地表，使地表產(chǎn) 生移動(dòng)和變形。走向

51、主斷面上的地表各點(diǎn)移動(dòng)，可以分為垂直移動(dòng)和 水平移動(dòng)兩個(gè)分量，其中垂直移動(dòng)分量表征的是下沉，而水平移動(dòng)的 分量表征的是水平移動(dòng)。這些移動(dòng)也伴生大量的節(jié)理、裂隙產(chǎn)生和巖 體一定程度的破碎，從而大大降低采空區(qū)上覆巖土體的力學(xué)強(qiáng)度。另 外，在采動(dòng)過程和采動(dòng)后，地表和地下水系徑流改變、調(diào)整和破壞， 從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利的影響。另外開采沉陷所形成的沉陷帶和 拉張裂縫，容易導(dǎo)致雨季降水大量入滲。大量的事實(shí)已經(jīng)證明，水的 物理、化學(xué)及力學(xué)作用是導(dǎo)致巖土體失穩(wěn)的一個(gè)極為重要的不可忽略 的因素，水對(duì)巖土體力學(xué)系統(tǒng)有很大的影響，水的作用可降低巖土體 的強(qiáng)度指標(biāo)，尤其可以使斷層介質(zhì)或弱層的強(qiáng)度大幅度降低，使之更

52、 易破壞。水的作用還可使巖土體介質(zhì)的彈性模量降低，使斷層及弱層 儲(chǔ)存彈性勢(shì)能的能力降低。另外，水在結(jié)構(gòu)面中的流動(dòng)、存儲(chǔ)的結(jié)果 還將產(chǎn)生浮托力，使水在結(jié)構(gòu)面上的壓力作用下，結(jié)構(gòu)面有效正壓力 減小，同時(shí)也導(dǎo)致了阻尼力的減小。比如，由于下沉的不均勻性，地 下采區(qū)下山方向的最大拉裂縫，很容易構(gòu)成滑坡體的后緣，如再遇有 大氣降雨等因素的誘發(fā)作用，將有可能導(dǎo)致滑坡。3. 1. 6井采影響下邊坡變形破壞一般規(guī)律邊坡表面出現(xiàn)圍繞井采采空區(qū)的環(huán)狀裂縫，下部發(fā)生局部底 鼓，邊坡輪廓變化很大，沉陷嚴(yán)重，但并不一定構(gòu)成閉合貫通滑面而 引起整體滑坡。如果井采工作面距礦坑的保安煤柱過短，裂縫及沉陷位置將會(huì) 出現(xiàn)在邊坡坡角

53、處（即滑坡體的被動(dòng)段），邊坡抗滑力減小，對(duì)邊坡 的穩(wěn)定性影響最大；如果井采工作面距礦坑的保安煤柱足夠長(zhǎng)，裂縫及沉陷位置將會(huì) 出現(xiàn)在邊坡中部或后部，邊坡的下滑力可能減小，雖然邊坡輪廓外 貌變化較大，但對(duì)整體邊坡的穩(wěn)定性影響不大?？梢愿鶕?jù)有關(guān)三下采煤煤柱留設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、采煤沉陷有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、 理論計(jì)算公式及邊坡穩(wěn)定性計(jì)算理論與方法，通過分析計(jì)算邊坡穩(wěn)定 性來確定合理的保安煤柱長(zhǎng)度。井采對(duì)邊坡的影響主要表現(xiàn)在兩方面：一是井采沉陷導(dǎo)致其上 覆巖土體、邊坡發(fā)生裂縫、沉陷與變形，一旦遇到暴雨，則降雨與地 表水、地下水可能通過裂縫滲入邊坡體內(nèi)，大大降低巖體強(qiáng)度；二是 井采沉陷改變巖土體原有的完整性，可導(dǎo)致邊坡巖土

54、體強(qiáng)度降低，目 前可以采用抗剪強(qiáng)度指標(biāo)折減的方法及數(shù)值模擬方法。3. 2邊坡變形破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究對(duì)于多種因素綜合作用下的露天煤礦邊坡變形失穩(wěn)的研究極為 復(fù)雜而又十分困難。在研究中，通常采用模型試驗(yàn)研究、理論研究和 數(shù)值計(jì)算分析相結(jié)合的研究方法，通過在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上的理論和數(shù)值 計(jì)算，方能給出邊坡變形失穩(wěn)破壞機(jī)制和規(guī)律。國(guó)內(nèi)外，一般對(duì)于這 類問題運(yùn)用的數(shù)值分析方法有：有限差分法、邊界元法、有限元法、 離散元法及流形元等。其中：有限元法由于對(duì)各種邊界和邊界條件的 組合比較容易處理，因而比較流行且已達(dá)到較高的使用水平。3. 2.1有限元分析的數(shù)學(xué)一力學(xué)原理有限元法與具體力學(xué)模型相結(jié)合，求解邊坡變形

55、失穩(wěn)的數(shù)學(xué)一力 學(xué)原理、分析步驟如下：3. 2.1.1建立離散化有限元計(jì)算模型用一定形式的單元類型（三角形或四邊形），將計(jì)算模型劃分為 適當(dāng)大小的有限個(gè)單元，并假定各單元間的連接通過節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，同 時(shí)確定荷載及位移邊界條件。3. 3.1.2單元位移模式分析、單元應(yīng)變及應(yīng)力 TOC o 1-5 h z 位移模式一般選擇為坐標(biāo)的多項(xiàng)式，寫成矩陣的形式則有： f=N 6 (3-1)式中：N為形函數(shù)矩陣；6為單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣。根據(jù)幾何方程，對(duì)上式求偏導(dǎo)數(shù)，可得到單元應(yīng)變，即： = B 8 (3-2)式中：B為應(yīng)變矩陣。根據(jù)物理方程及(3-2)式，從而可得到單元節(jié)點(diǎn)位移 8 表達(dá) 的單元應(yīng)力計(jì)算公式：o

56、 = D = DHB6(3-3)3. 2. 1.3單元?jiǎng)偠确治鐾ㄟ^虛功原理，對(duì)立單元節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系為：Ke 6 =F(3-4)式中F為單元節(jié)點(diǎn)力；Ke為單元?jiǎng)偠染仃嚕捎上率酱_定： Ke= uBYDBdu(3-5)式中：D為彈性矩陣。3. 2. 1.4形成荷載列陣R將各單元的體積力、面力等均靜力等效原則移置到各單元的節(jié)點(diǎn) 上，計(jì)算公式為：Q = J“WFPd優(yōu) =卬了儼垃(3-6)式中Pu、Ps分別為作用于單元的體積力P及面力P的等效節(jié)點(diǎn) 荷載，設(shè)環(huán)繞某節(jié)點(diǎn)I菜有K個(gè)單元，貝也節(jié)點(diǎn)上的外荷載Ri為：0 =次 +為暇 + 片(3-7)e=l5=1式中Pi為作用于i節(jié)點(diǎn)上的集中力，荷載列

57、陣R為：R=Ri R2 R3Rn13. 2.1.5形成總體平衡方程將各單元節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系迭加，形成以節(jié)點(diǎn)位移列 陣 5 為基本未知量的線性代數(shù)方程組：K = Kee=lKb = H(3-8)式中：K為總體剛度矩陣。3. 2. 1. 6破壞準(zhǔn)則破壞準(zhǔn)則通常采用比較符合巖石材料的Druck-Prager準(zhǔn)則： /=見+口-Ka = 一四J(3-9)(9 + 3sin20 3C*cosK (9 + 3sin2式中：11、J2分別為應(yīng)力張量和應(yīng)力偏量的第一和第二不變量；C、 為巖石的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。對(duì)于破壞單元要進(jìn)行應(yīng)力轉(zhuǎn)移，破壞單元 的轉(zhuǎn)移應(yīng)力為： ooDcp B。e(3-10)式中：。叩

58、為彈塑性矩陣，調(diào)整后單元的應(yīng)力為。 - Ooo3. 2. 1.7總體平衡方程求解求解(3-8)式，通常采用增量一初應(yīng)力法，得出節(jié)點(diǎn)位移矢量U。根據(jù)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移（3-2）、（3-3）式計(jì)算各單元的應(yīng)變和應(yīng)力，然 后根據(jù)材料力學(xué)的應(yīng)力狀態(tài)理論求出各單元的主應(yīng)力（?！?。3）和最大主應(yīng)力（。1）與X軸的夾角（a ）：a = Lctg- 2r J2b r - cr v3. 2.2本次數(shù)值模擬采用方法本次數(shù)值模擬采用大型通用有限元分析軟件（ANASYS軟件），該 軟件功能豐富、用戶界面良好、前后處理和圖形功能完備。ANASYS 軟件處理巖土問題的分析過程主要包括以下三個(gè)步驟：、創(chuàng)建有限 元模型，含創(chuàng)建幾

59、何模型、定義材料屬性、單元網(wǎng)格劃分等；、施 加載荷并求解，含施加的載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件、求解等步驟；、 結(jié)果輸出，含計(jì)算結(jié)果的圖表、曲線等的顯示、輸出等。3. 2. 3數(shù)值模擬計(jì)算3. 2. 3. 1計(jì)算模型建立露天煤礦邊坡的許多工程地質(zhì)現(xiàn)象是在卸荷過程中發(fā)生的，其模 擬的基本思路是將邊坡性態(tài)的改變近似為若干步的快速開挖，每開挖 一次，進(jìn)行一次有限元分析并將開挖荷載作為卸荷荷載納入計(jì)算，從 而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性狀況進(jìn)行模擬計(jì)算，達(dá)到對(duì)地質(zhì)體變形破壞描述的目的。本次計(jì)算選取了 9127剖面作為數(shù)值分析的典型剖面進(jìn)行模擬。在考慮采空區(qū)和不考慮采空區(qū)的情況下，對(duì)現(xiàn)狀邊坡和設(shè)計(jì)邊坡分別 作為一次開挖進(jìn)行

60、數(shù)值模擬。72300725009127 (3)剖面1400砂泥巖層組72300725007270072300725009127 (3)剖面1400砂泥巖層組723007250072700圖3-5 9127剖面地質(zhì)模型圖3. 2. 3. 2邊界條件及計(jì)算參數(shù)的確定模型的右側(cè)邊界為截離邊界，邊界上作用自重應(yīng)力引起的水平側(cè)向應(yīng)力，其分布呈三角形的面力形式，向下增大的變化率為1- N邊界上不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的作用，模型的左邊界和底部邊界分別以 水平（X）和垂直（Y）方向的位移約束，從而構(gòu)成位移邊界條件，已 保持整個(gè)系統(tǒng)受力體系的平衡。計(jì)算剖面主要求取可能誘發(fā)的邊坡變形破壞的機(jī)理，為邊坡設(shè)計(jì) 提供依據(jù)。