耿会斌研究生论文 - 图文

硕士学位论文

霍林河南露天矿边坡稳定性分析 The slope stability analysis in Huolinhe South open pit mine

作者姓名 指导教师 工程领域

耿会斌 何保 地质工程

二0一一 年 六 月

学位论文书脊样式：

辽宁工程技术大学 耿会斌

露霍林河南露天矿边坡稳定性分析

耿 辽

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学校代码 10147

密 级 UDC

硕 士 学 位 论 文

霍林河南露天矿边坡稳定性分析 The slope stability analysis in Huolinhe South ope pit mine

作者姓名 耿会斌 指导教师 何 保 申请学位 工程硕士 工程领域 地质工程 研究方向 工程地质

辽宁工程技术大学

致 谢

本论文是在导师何宝老师精心指导与严格要求下完成的，无论是论文的选题、思路的形成，还是编写、定稿，都倾注了导师大量的心血和汗水。导师严谨求实的治学态度和渊博的学识给学生留下了极其深刻的印象，也将对我今后的学习和工作产生深远的影响。在此向导师致以衷心的感谢和深深的敬意!

感谢地质系的全体老师给予的支持与关心!感谢霍林河露天煤业地质勘探公司为本次论文的完成提供的帮助和支持！再次向为本论文的完成提供过帮助和支持的所有人士表达由衷的谢意！感谢论文引用文献中的所有作者，感谢他们给予的启发和帮助！最后衷心感谢各位专家教授在百忙之中对作者论文的评阅和指导！

摘 要

本文以霍林河南露天矿工作帮和南端帮的地质环境条件为基础，以滑坡稳定性影响因素和变形破坏特征分析为辅应用PLAXIS分析软件对该边坡的稳定性防治措施进行了深入研究。研究认为，该边坡未开挖之前处于非常稳定的状态，但随着开挖的逐步进行，原设计最终边坡角不能满足边坡安全储备系数要求，为避免由于煤层开采而导致的不可预测的边坡失稳事故，选取典型地质剖面为底图抽象出用于计算的模型，在工程地质勘察、岩土物理力学性质试验、节理化岩体强度确定及边坡变形破坏机理研究的基础上，进行边坡的稳定性计算与分析，提出最优边坡角。

关键词：南露天矿 边坡稳定性，PLAXIS，安全储备系数

I

Abstract

This study was based on the geological circumstance condition of working side and south side in Huolinhe South open pit mine, as well as analyzing influencing factors of the slope stability and the character of deformation and failure, and then used PLAXIS software to research the prevention measures of this slope stability. This study concluded that the slope was stable before excavation, but in pace with excavating, the original design final side slope angle cannot satisfy the side slope safety margin coefficient request, the side slope jitter accident which which causes as a result of coal bed mining for avoids not to be possible to be forecast, select end of typical geological sections for abstracting the model used for calculation, in engineering geological survey, ground testing, physical and mechanical properties of jointed rock slope deformation and failure mechanism and strength determines on the basis of the study, slope stability calculation and analysis of proposed optimal slope angle.

Keyword: south open pit mine ,the slope stability ,PLAXIS, safety margin coefficient

II

目 录

摘 要 ........................................................... I Abstract ........................................................... II 1 绪论 .............................................................. 1

1.1边坡稳定性研究的历史 ........................................ 1 1.2问题的提出 .................................................. 2 1.3国内外边坡稳定性研究现状 .................................... 4 1.3.1国外边坡工程稳定性的研究 ................................. 4 1.3.2我国边坡工程稳定性研究 ................................... 5 1.3.3露天矿边坡的变形破坏机制与变形阶段研究现状 ............... 6 1.3.5滑坡防治措施研究现状 .................................... 12 1.4论文研究的主要内容 ......................................... 13 1.4.1论文的研究思路 .......................................... 13 1.4.2本文主要研究内容 ........................................ 13 2 土的本构理论和非线性有限元方法................................... 14

2.1土体本构理论概述 ........................................... 14 2.2边坡稳定分析中的非线性有限元方法 ........................... 16 2.2.1边坡稳定分析中非线性有限元法类别 ........................ 16 2.2.2应用非线性有限元法进行边坡稳定分析的优点 ................ 18 3边坡工程地质背景 ................................................. 22

3.1 自然地理 ................................................... 22 3.1.1地理及交通 .............................................. 22 3.1.2地形地貌 ................................................ 22 3.1.3 气候条件 ................................................ 22 3.2研究区地质情况 ............................................. 24 3.2.1 地层岩性 ................................................ 24 3.2.2地层组合特征 ............................................ 27 3.3研究区构造 ................................................. 29 3.3.1 区域地质构造概况 ........................................ 29 3.3.2霍林河煤田区域地质构造 .................................. 29

III

3.3.3南露天矿地质构造 ........................................ 31 3.4 水文地质条件 ............................................... 33 3.4.1 含水层 .................................................. 33 3.4.2 隔水层 .................................................. 33 3.4.3 断层导水性 .............................................. 34 3.5边坡构造分析 ............................................... 34 3.6岩土体工程地质特征 ......................................... 35 3.6.1边坡岩层组合特点 ........................................ 35 3.6.2岩石的物理力学特性 ...................................... 35 3.7风化带的划分 ............................................... 38 3.8岩土体结构类型的划分 ....................................... 39 4 地质模型的选取与建立 ............................................. 41

4.1边坡稳定性诸多因素分析 ..................................... 41 4.2边坡稳定性的PLAXIS数值模拟研究 ............................ 42 4.2.1计算方法的确定 .......................................... 42 4.2.2数值模拟方法简述 ........................................ 44 4.3计算剖面与模型建立 ......................................... 44 4.3.1数值模拟模型建立及材料力学参数的选取 .................... 44 4.3.2 模拟分析 ................................................ 52 5 采场边坡稳定性计算及稳定性评价................................... 54

5.1边坡滑坡模式的确定 ......................................... 54 5.2 边坡稳定性计算方法选取 ..................................... 55 5.3 边坡计算指标的选取 ......................................... 56 5.4安全储备系数的确定 ......................................... 58 5.5 分析计算结果 ............................................... 58 5.6 工作帮及端帮边坡稳定性评价................................. 63 5.7关于采矿场边坡的建议 ....................................... 65 6 结论与展望 ....................................................... 66

6.1结论 ....................................................... 66 6.2 展望 ....................................................... 66

IV

参考文献： ......................................................... 67 作 者 简 历 ....................................................... 69 学位论文数据集 ..................................................... 71

V

1 绪论

1.1边坡稳定性研究的历史

随着世界经济的发展，采矿、水利和建筑工程的大规模建设，边坡己成为一个众人瞩目的工程问题，从我国边坡工程的发展来看，早期的边坡研究通常以土体为研究对象，其方法的显著特点是采用材料力学和简单的均质弹性、弹塑性理论为基础的半经验半理论性质的研究方法。这些方法对边坡的力学机理的反映都比较粗浅，其中的某些假设也往往存在不合理的地方，所以其计算结果与实际情况差别都比较大[1]。

边坡的稳定性是岩土体力学研究的一个重要组成部分。其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展密切相关。在岩体力学的发展初期，研究岩体力学问题时基本上采用了以材料力学和以简单的均质弹性理论为基础的土力学原理和方法。土质边坡稳定分析的方法被应用于岩质边坡稳定问题的研究。在这个时期，边坡稳定性的计算方法，其半经验半理论性质及假设滑动面具有一定位置和形状为其显著特点。例如，1773年的库仑理论，1820年的Fransa和1886年Cluman的平面滑动分析方法，1922年瑞典国家委员会发表的近似圆弧滑动面的分析方法，1926年Felleniu的瑞典圆弧稳定分析方法等，均为当时各国普遍采用。岩体力学在二十世纪四十年代开始进入了重要的发展阶段，在应用土力学的基础上，人们普遍认识到有必要也有可能引进一些较新的理论和方法来解决诸如岩体边坡的一系列岩体力学问题[2]。其中，Stimi、Muler、Rocha、Jaeger、Talobersalustowicz等人做出了很大的贡献。这个阶段，是以光弹性试验和模拟材料模型试验为主要特征。

1954年索柯洛夫斯基根据介质的极限平衡原理提出了边坡稳定的计算方法，是通过严格的数学推导来解决边坡在极限状态时滑动面的形状和位置，在边坡稳定问题中得到了应用。同时，费先科还考虑了岩体中软弱结构面对滑动面的控制作用，并根据松散介质的极限平衡理论，提出了一套边坡稳定性的计算分析方法，在研究和解决矿山边坡稳定问题中得到了一定的应用[3]。

20世纪六十年代起，边坡稳定性研究在基础理论和方法等方面均有了较大的进展。在边坡稳定的计算方面，基本上沿着两个途径进行：一种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中断裂结构面的控制因素，利用图解或数学分析计算方法，最后求

1

得安全系数或类似于安全系数的“破坏概率”的概念来进行边坡稳定性的定量评价，如1962年Teizaghi的《陡坡稳定》论文中提出的“以刚体极限平衡为基础的半球体图解法”。另一种途径是以有限元方法计算边坡的变形特征和应力状态。

20世纪七十年代后，原来已形成的一些边坡的计算分析方法得到了较大程度的发展，且逐渐把岩体作为弹塑性介质、流变介质和更为复杂的多裂隙复合介质等。在这个时期，概率理论己初步应用到边坡稳定问题中来，有两种情况：其一是在构造不连续面样本总体或样本族的分析中，用以确定岩体有无主导的方向。如井兰如的《工程岩体不连续面网络结构的统计分析及模拟》就是以概率的观点对结构面的方向、迹长、间距、频率等进行分析的。其二是用破坏概率来取代安全系数作为边坡稳定性指标。

其后，国内外对边坡稳定性的研究更注意到岩体结构的复杂化。以前研究较多的是坡体的滑动，那么现在研究较多的是坡体的崩坍，使用较多的还是模型实验方法和极限平衡方法。其中，我国的石根华提出的关键块体理论对推动节理边坡问题的研究做出了很大的贡献。自樱井等人提出的反分析方法以来，用位移反分析方法及数值反分析方法来解决边坡问题也得到了迅猛的发展。

20世纪九十年代前后，边坡稳定性分析的各种方法都得到了发展与应用。Yucemen对三维的边坡稳定性问题进行了可靠性分析，分析结果基本上与观测结果相吻合。日本的Marbusa提出了边坡稳定分析的复合算法，在边坡应力、应变计算中采用有限元方法，而稳定分析中则采用极限平衡方法，并用几个边坡实例进行了验证。Kumar在边坡稳定分析中应用了序贯无约束极小方法，自动搜索边坡的临界滑面，计算边坡的稳定性则采用简布方法，成功地应用于边坡的实例计算中。李国英在边坡稳定分析中，将有限元法同塑性极限分析方法相结合，建立起适用于线性规划求解的数学模型，通过优化计算，求解安全系数的下限值，对边坡的非均质性及其边界形状的任意性均具有较好的适应性。

1.2问题的提出

由于边坡失稳[4]的危害巨大，关于加强对边坡稳定性的研究，使人类最大限度的减少和避免滑坡灾害，己经受到世界各国的重视。加强边坡稳定性研究，对我国来说，更具有特殊的必要性。

2

我国幅员辽阔，矿产资源丰富，地质条件复杂。由于我国是一个缺油、少气、富煤的国家，在能源的需求中，与其他国家相比，我国更加依赖的依然是煤炭资源。世界能源工业和我国煤炭工业发展的实践都证明，煤炭以其所具有的资源可靠性、价格低廉性、燃烧的可洁净性，决定了它在一次能源中不可替代的地位。而且，与井工采煤相比，露天煤矿具有基建投资省、生产成本低、资源浪费少，安全好和效率高等优点。因而，近年来露天采矿的规模得到了迅速的扩张，露天采矿的技术也得到了迅速的发展，其有效与合理的开采深度也在不断增加，300～500m都已不足为奇。其边坡暴露的高度、面积以及维持的时间也在不断增加。由于地质条件的复杂，加之人类改造自然的规模越来越大，设计施工的不当，高边坡开挖后，采场滑坡和地表塌陷变形等地质灾害事故频繁发生，造成切断运输线路、推倒采掘运输设备、掩埋采场、剥离工作面、破坏地面工业民用建筑物，甚至迫使矿山停产等事故更是不胜枚举[5]。例如：

抚顺西露天煤矿创办于1914年，目前露天采场走向长约6.5km，宽约2km，采深已达300m，最终采深将达500m。该矿滑坡始于1927年，截至1986年，有记录的滑坡已54次，其中规模较大的1964年南机电厂滑坡和1979年W700剖面线滑坡，滑动量分别达到105万m3和129万m3。

海州露天煤矿建于1951年，采场走向长4000m，设计采深350m，现深200m。1953年投产，当年即发生滑坡。至今沿非工作帮（底帮）已发生滑坡50多次，沿顶帮发生10余次。其中规模较大的1977年底帮86站滑坡和1986年底帮滑坡，滑动量分别为17万m3和31万m3。

义马北露天煤矿1961年建设，1962年简易投产。采场走向长2.4 km，宽0.2～0.3 km，采深50～60m。1965年9月西区出现滑坡，滑动量约27万m3。

我国许多冶金矿山也都发生过边坡的变形破坏。如金川露天矿采场长1000m，宽600m，呈椭圆形。边坡高180～310m。自1969年以来近1/2的边坡区段先后发生了明显的变形破坏。

攀枝花钢铁公司石灰石矿属高山矿床。1980年11月～1981年6月，采场的东西两端发生了两次大型滑坡，尤其是1981年6月的H2滑坡，滑体从标高1400 m至1645 m，垂直高差达250 m，东西宽200 m，滑动量达416万m3。据不完全统计，每年由于开采边坡失稳所直接造成的经济损失高达100亿以上。

3

霍林河南露天煤矿位于南露天煤矿位于霍林河煤田东北部，距霍林郭勒市西南约9km，采区中心位置东经119°34′，北纬45°28′。是我国1976年建成，设计开采总面积约35.7km2， 1984年一期300万吨工程投产， 1992年二期700万吨工程移交投产，2004年设计生产规模1500万吨/年，服务年限57年。 2010年实际生产能力1622万吨/年，现已累计产出原煤1.6亿吨。霍林河南露天矿有地质储量为25.8亿吨的低磷、低硫优质褐煤，目前露天可采原煤储量7.52亿吨。按煤矿年产1500万吨的水平测算，露天矿尚可连续开采50年左右。矿坑南北走向长约2800m，投产30多年来开挖深度已达170m,最终深度将达到290m。

随着煤炭市场的迅速发展，霍林河南露天煤矿的开采强度和建设速度日益加快，随之而来的采场和排土场边坡问题显得越来越突出。临时排土场二次剥离，南排土场加大排放力度，南端帮的南扩，都对边坡稳定性提出要求。采取多大边坡角才能在安全情况下取得最佳效益，也成为了技术人员的首要任务。

本文在边坡工程地质勘查资料的基础上，应用PLAXIS分析软件对采场边坡的稳定性进行定性分析、定量计算和综合评价，以及发展趋势和灾害的预测,确定采场最优边坡角。

本次边坡稳定性分析评价重点区域为南端帮及采区工作帮。

1.3国内外边坡稳定性研究现状

1.3.1国外边坡工程稳定性的研究

工程实践的需要是岩土工程得以快速发展的主要动力。边坡工程的稳定性问题是岩土工程研究内容之一。纵观国外边坡工程性研究的发展历程，大体可划分为三个阶段[6]。

第一阶段：20世纪20年代以前，边坡工程稳定性的计算分析，基本采用材料力学和土力学的原理和方法，以半经验、半理论性并假定滑动面具有某一固定位置和开头为显著特点。该阶段边坡工程稳定性的计划处分析在力学原理上是很粗浅的，所做出的基本假定也是脱离力学实际情况的。

第二阶段：到20世纪50年代，边坡工程稳定性分析进入了重要发展阶段，以采用均质体弹塑性理论和极限平衡理论，能够考虑岩体材料的特性及岩体结构面对边坡失稳的控制作用为显著特色。

第三阶段：20世纪60年代后，边坡工程稳定性分析进入了深入发展阶段，研究人员将岩体视为黏弹性、弹塑性或具有裂隙的脆性介质，并展开了对岩体非均质、

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各向异性和非连续性的研究，对岩体应力应变关系及岩体流变特性等时间效应的研究等。

边坡工程稳定性的计算分析，基本上沿着两条路径进行：一是以极限平衡理论为基础，考虑受岩体中断裂结构面控制，利用图解法或计算分析法，最后求得“安全系数”或类似“安全系数”的概念进行边坡工程稳定性的定量评价。例如，1962年太沙基提出的临界边坡理论；1970年约翰提出的半球体图解计算分析等。另一途径则是以有限单元法，近似地分析边坡工程岩体的变形特征和应力状态，但针于对边坡岩体的基本力学特性、边坡的力学状态和应力特征等研究得不够，给计算与分析等带来了一定的困难，因而，目前通过各种计算分析方法所得到的结果与实际情况均有一定的差异，还有待进一步深入研究和向前发展。

1.3.2我国边坡工程稳定性研究

我国从解放到现在，对边坡工程稳定性问题的研究可划分为四个阶段： 第一阶段：20世纪50年代，我国开始对露天煤矿的边坡工程问题进行研究，其他行业如对铁路路暂边坡和引水渠道边坡等也开始进行研究。当时着重从边坡工程造成的地质灾害出发，进行边坡工程破坏的定性分类，利用基于刚体极限平衡的分析方法，同时利用工程地质类比法，对边坡工程的稳定性进行评价和设计。

第二阶段：到20世纪60年代，孙玉科等提出了岩体结构及控制的观点，划出了边坡岩体的结构类型，并在应用亦平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行块体破坏的计算、判断边坡工程的稳定性。同时结合露天煤矿边坡工程稳定性研究，开展了野外大型工程岩体的边学试验，在边坡工程的稳定性计算方面有了很大的进展。

第三阶段：从20世纪70年代开始，进行边坡工程变形破坏机制的研究，在计算分析方面，不仅应用极限平衡原理，还应用弹塑性力学等理论，并随着计算机技术的发展，广泛采用有限单元法等来分析边坡工程变形破坏的条件及评价边坡工程的稳定性，到70年代末80年代初，已经形成了一套比较完整的工程地质力学观点和方法。在研究边坡工程稳定性问题上，积累了比较丰富的实践经验。

第四阶段：20世纪80年代以后，边坡工程稳定性研究进入了一个新的发展阶段。一方面，随着计算理论及计算机技术的发展，数值模拟技术已广泛应用于边坡工程稳定性研究中，且逐步从定性过渡到半定量研究，从整体上认识边坡工程的变

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有限单元法(FEM)是最早得到应用，同时也是目前应用最广的一种数值分析方法。有限元分析方法可以部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变的大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制[16]。

与传统的极限平衡法相比，采用有限元法的优势可归纳如下：(1)可以分析具有复杂地貌、地质边坡的稳定性；(2)可以考虑土体非线性的本构关系及各种特性，可以了解土体内应力应变的发展过程；(3)可以得到复杂边坡的破坏机制和形式，确定潜在滑动面的位置;(4)可以考虑各种不同的荷载工况，如降雨、泄洪、地震、填挖建造等，以及复杂的加载过程。正是由于有限元法的上述优点，采用有限元法分析边坡稳定性受到众多学者的关注[17，18]。

适用条件：有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法，是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，有限单元法用于边坡中应力和位移的分析已经比较完善,并得到了许多学者成功的应用。

（3）非确定性分析方法 ①可靠性分析法

可靠性分析法是目前边坡稳定性分析中应用最广的非确定性分析方法。边坡可靠性分析就是基于对边坡岩土体性质、荷载、工程地质条件、计算模型等的不确定性的认识，首先通过现场调查，以获取影响边坡稳定性因素的多个样本，然后进行统计分析，求出它们的概率分布及其特征参数，再利用某种可靠性分析方法，如可靠指标法、随机有限元法等来求出边坡岩土体的破坏概率即可靠度。用可靠度比用安全系数在一定程度上更能客观、定量地反映边坡的安全性，分析中采用的破坏概率又是某种意义上的风险概率，因此边坡可靠性分析对于边坡工程的经济风险分析和优化决策具有现实意义。

但是可靠性分析目前还缺少一个统一的可以接受的风险阀值，同时极少发生的小概率事件往往容易被忽视，而这又极可能产生严重后果，因此如不结合具体工程进行分析，将大大影响该方法的应用与推广[19]。

②模糊分级评判方法

影响边坡稳定性的诸因素除了具有前述的可靠度外，还具有一定的模糊不确定性。采用模糊分级评判或模糊聚类方法对边坡稳定性作出分级评判，其具体做法是

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先找出影响边坡稳定性的各个因素，并赋予它们不同的权值，然后根据最大隶属度原则来判定边坡的稳定性。实践证明，模糊分级评判方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段，该方法适用于大型边坡整体稳定性的评价。但模糊分级评判法中对边坡稳定性的评价较为笼统，同时其隶属函数是依据一些基本原则确定的，权重又是根据经验来确定的，主观性较大。

目前，除了以上两种常用的非确定性分析方法外，系统工程分析方法、灰色系统理论方法、突变理论方法、损伤断裂力学理论等也在边坡稳定性评价中得到不同程度的应用，这些新理论新方法的应用为边坡稳定性分析及预测提供了新的途径。

1.3.5滑坡防治措施研究现状

目前，国内外对滑坡的治理主要从改变边坡的几何形态、排水、支挡和改变坡体岩土工程性质四方面入手，常用的防治措施如下[20]：

改变边坡的几何形态主要是削减边坡主滑段物质和增加抗滑段物质，即砍头压脚，或减缓边坡的总高度，即削方减载。这种方法技术上简单易行，且加固效果好，所以应用广泛。排水包括将地表水引出边坡区外的地表排水和降低地下水位的地下排水，地表排水法几乎所有的边坡治理工程都采用。

地下排水方法应用也很广泛，大型边坡的深部大规模排水往往采用这种方法，但其施工技术比地表排水要复杂得多。近年来垂直排水钻孔与深部水平排水廊道相结合的排水系统、水平孔排水得到较广泛的应用。

在改变边坡的几何形态和排水仍不能保证滑坡稳定的地方，常采用支挡结构物加固滑坡及坡体改性加固。其中支挡工程中各种抗滑桩、挡墙用得较多，特别是抗滑桩更是目前我国主要的边坡治理方法之一，支挡工程中近几年又发展了锚索桩、锚索墙等新的方法。

边坡坡体改性主要是灌浆改性法，采用旋喷注浆和钢花管注浆加固滑动带土，通过水泥浆液与岩土体混合、速凝、早强，使滑体与滑面及滑床固结，改善滑动带土质特性，提高抗剪强度，从而达到使滑坡稳定的目的。这种技术方法具有施工便捷、机械化程度高、劳动强度低等优点，与抗滑桩、墙被动支挡相比较，属于对滑坡的主动加固。

目前露天矿地质灾害防治中，大多是综合应用各类方法，其中抗滑桩、预应力锚索及排水工程用得最为普遍。

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1.4论文研究的主要内容

1.4.1论文的研究思路

本论文通过对南露天煤矿原有资料收集整理，进行南露天矿采场工程地质条件等研究，选取典型性剖面，建立稳定性分析地质模型；应用PLAXIS分析软件，研究当前边坡状况和边坡稳定性系数达到安全储备系数时的变形局部化特征。最后在边坡稳定性综合分析研究的基础上，提出采场最优边坡角。

1.4.2本文主要研究内容

本论文以霍林河南露天矿采场边坡为主要研究对象，在分析软弱夹层的位置、厚度、工程力学性质和充分收集各类相关资料的基础上，总结出分析边坡稳定性所用的资料和数据，从综合工程地质分析入手，深入系统地研究该矿采场的边坡稳定性，运用PLAXIS分析软件对坡体位移和应力应变场分布特征进行了模拟，并根据数值模拟的结果，在确保边坡稳定的基础上，确定采场最优边坡角。具体内容如下：

⑴南露天矿区域工程地质条件研究：分析边坡体内赋存的岩层（尤其是弱层）形态、规律；分析边坡岩体的结构、构造；收集岩土样（尤其是弱层）的物理、力学性质指标等资料（包括边坡的地形地貌特征、地层岩性、水文地质条件、地质构造、人类工程活动等）。

⑵物理力学参数分析：在边坡的地质环境条件研究的基础上，进行边坡岩土体物理力学指标的参数研究，为后续的PLAXIS数值分析提供比较详尽的数据。

⑶边坡PLAXIS数值模拟模型的建立：对滑坡变形破坏模式进行研究，建立PLAXIS数值模拟模型，分析影响南露天矿采场滑坡稳定性的因素，并预测滑坡的发展趋势。

⑷边坡稳定性的数值模拟分析与评价：运行PLAXIS分析程序建立的接近真实情况的边坡模型，对当前边坡状况和边坡稳定性系数达到安全储备系数时的变形局部化特征。对滑坡的稳定性进行模拟和分析。

⑸最优采场边坡角的提出：根据滑坡稳定性数值模拟结果，在确保边坡稳定的基础上，提出最优边坡角。

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2 土的本构理论和非线性有限元方法

2.1土体本构理论概述

在当今岩土工程界，常用的岩土本构模型有以下几种

[21]

。

⑴线弹性模型:线弹性模型是最简单的一种本构模型(图2-1)，这种介质也称为虎克(Hooke)介质，其特点是:应力和应变成正比;卸载后所有应变都将恢复。对于各向同性的材料，它只需要两个弹性常数(弹性模量E和泊松比υ)来表达材料的本构关系。线弹性模型的缺点是除了低应力水平和小应变情况外，它不太适合描述岩土的本构特性。

(2)非线性弹性模型:常见的非线性弹性有双线性弹性模型(图2-2)、多线性弹性模型(分段线性弹性模型，图2-3)和双曲线弹性模型(邓肯-张模型，图2-4)，这类模型的特点是：弹性常数随着应力水平的不同而变化；卸载时应变或者按加载路径得到恢复或者呈线弹性变化。其中，邓肯-张双曲线弹性模型是一种建立在增量广义胡克定律基础上的非线性弹性模型，它具有这类模型的优点，如可以反映应力应变关系的非线性，参数的物理定义明确和易于确定，易于掌握和便于在数值中运用等；但是它也不可避免地具有这类模型的固有弱点，例如较难反映土的剪胀性和应力路径的影响、加卸载的判断不明确、在土体屈服后并不符合塑性理论的流动法则，其塑性变形是随意的，有可能违背热力学定律等。

图2-1弹性模型应力应变关系 图2-2双线性模型应力应变关系

ε

ε

σ σ

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图2-3多线性弹性模型应力应变关系 图2-4双曲线弹性模型应力应变关系

ε

ε σ σ (3)弹塑性模型：弹塑性模型可以克服上述非线性弹性模型中塑性变形随意的缺点，它把总的变形分成弹性变形和塑性变形两部分，用虎克定律计算弹性变形部分，用塑性理论解释塑性变形部分，弹塑性材料进入塑性的特征是当载荷卸去后存在不可恢复的永久变形，因而在涉及卸载的情况时，应力应变之间不再存在唯一的对应关系，这是区别非线性弹性材料的基本属性。对材料塑性状态下的本构关系的研究通常包含四方面的内容：屈服准则(或塑性条件)；流动法则及硬化定律；加载卸载准则；弹塑性应力应变关系。弹塑性模型又分为线性弹塑性模型和非线性弹塑性模型，如图2-5和图2-6所示。

图2-5线性弹塑性模型应力应变关系

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σ 硬化 完全 塑性 软化 ε

σ

2-6非线性弹塑性模型应力应变关系

应变 软化 应变 软化 ε

尽管在有限元分析中可以考虑更加复杂的本构模型，但目前在工程分析中最普遍的还是理想弹塑性模型[22]，因为理想弹塑性的结果与工程师们熟悉的极限平衡法的结果最具可比性。另外，对一般的边坡和地下工程，边坡的稳定分析主要关心的是力和强度问题，选择理想弹塑性本构模型已能够满足边坡稳定分析的需要[23]。因而边坡工程用理想弹塑性模型是比较好的选择，计算结果能较好的反映土体实际的工作性态。

2.2边坡稳定分析中的非线性有限元方法

2.2.1边坡稳定分析中非线性有限元法类别

根据边坡稳定分析原理与算法的不同，应用于边坡稳定分析的非线性有限元法分为两大类：

⑴基于滑裂面上应力分析的有限元分析方法

以有限元计算得出的域内所有点的应力值为基础，通过插值得到给定的某一形状的滑裂面上各点的应力值，并依据该应力值进一步计算该滑裂面上的抗滑力与下滑力，即可得出基于该特定滑裂面位置的边坡安全系数。比较所有可能发生滑动的滑裂面上的安全系数，并从中确定一个最小值作为边坡的整体安全系数。该方法的实质是研究如何对一个无显式表达式的变量寻找最小值的问题，即优化方法的研究。

⑵强度折减有限元方法

强度折减弹塑性有限元数值分析方法将强度折减技术、极限平衡原理与弹塑性有限元计算原理相结合，首先对于某一给定的强度折减系数，通过逐级加载的弹塑

16

性有限元数值计算来确定边坡内的应力场、应变场或位移场，并且对应力、应变或位移的某些分布特征以及有限元计算过程中的某些数学特征进行分析，不断增大折减系数，直至根据对这些特征的分析结果表明边坡己经发生失稳破坏，将此时的折减系数定义为边坡的稳定安全系数。该方法最早在1975年由学者

Zienkiewicz[24]提出，当时由于需要耗费大量机时而未得到重视。随着计算机技术的日益完善，尤其是计算机计算速度几乎以几何级数的增长，使得强度折减有限元方法在边坡稳定性分析中得到了广泛的应用和发展。

国外，Ugai[25]假定土体为理想的弹塑性材料，采用强度折减有限元法较系统地分别对直立边坡、倾斜边坡、非均质边坡及存在孔隙水压力的复杂边坡的稳定性进行了分析研究，并指出弹塑性强度折减有限元法具有较强的适应性和可行性。Matsui和San[26]将强度折减技术与采用Duncan-Chang双曲线模型的非线性有限元法相结合，以剪应变作为边坡破坏评判指标，研究了人工填筑边坡和开挖边坡的稳定性，指出填筑边坡应采用总剪应变，而开挖边坡应采用局部剪应变增量作为失稳破坏标准，并将分析结果与极限平衡法进行了对比。ugai和Leshchinsky[27]将强度折减技术引入弹塑性有限元法中进行边坡的三维稳定性分析，并与极限平衡法的计算结果进行了较全面的比较研究，指出尽管二者的理论基础、实现手段完全不同，但强度折减弹塑性有限元法得出与极限平衡法几乎一致的结果，间接说明了强度折减有限元法的可信性和适应性;Griffiths和Lane[28]假定土体为Mohr-Coulomb材料，采用弹塑性强度折减有限元法较全面地对多个边坡的稳定性进行了分析，随着土体强度的降低，得到了边坡土体单元网格变形图以及边坡土体单元中应力变化发展情况。

国内，宋二祥[29]采用强度折减法对边坡的稳定性进行分析，并以边坡中某一部位的位移变化作为收敛指标。连镇营、韩国城用强度折减有限元方法[30]对开挖边坡的稳定性进行了较为全面的研究，当折减系数达到某一数值时，边坡内一定幅值的广义剪应变自坡底向坡顶贯通时边坡破坏，此时对应的折减系数作为边坡安全系数，并认为:和强度指标相比，弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数对边坡的安全系数影响不大，开挖边坡和天然边坡具有相似的破坏形式。赵尚毅、时卫民[31]等将强度折减有限元法应用到边坡稳定分析中，并结合工程算例，对边坡加锚杆前后的稳定性进行了分析，并与传统的求稳定系数的方法进行了比较。赵尚毅、郑颖人等认为通过强度折减，使系统达到不稳定状态时，有限元计算将不收敛，此时的

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折减系数就是安全系数，同时认为安全系数的大小与所采用的屈服准则有关，并对几种常用的屈服准则进行了比较，导出了各种准则互相代换的关系，并采用莫尔-库仑等面积圆屈服准则代替莫尔-库仑准则，并用算例表明求得的边坡稳定安全系数十分接近传统方法的计算结果。通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减，使边坡达到不稳定状态时，非线性有限元静力计算将不收敛，可得到边坡破坏时的滑动面及传统条分法无法获得的岩质边坡的滑动面与稳定安全系数;同时对该方法的计算精度及影响因素进行了分析，结果表明采用摩尔一库仑等面积圆屈服准则求得的稳定安全系数与简化Bishop法的误差为3%～8%，与Spencer法的误差为1%～4%。

2.2.2应用非线性有限元法进行边坡稳定分析的优点

边坡稳定性分析的传统方法极限平衡法需要事先知道滑动面位置和形状，不能自动搜索出危险滑动面以及相应的稳定系数。针对极限平衡条分法的上述局限性，人们开始探索新的边坡稳定性分析理论与方法。20世纪60年代以来，有限元方法逐渐用于土质边坡的稳定性分析。与传统的极限平衡方法相比，有限元方法在分析边坡稳定性中具有下列特点：

(1)不需要对土体进行条分，因此不必对土条之间作用力的发生方式进行假定，也不需对滑裂面的性状和位置进行假设，可以确定潜在滑裂面的大致位置，这对于指导施工设计是很重要的。

(2)有限元计算同时满足力和力矩平衡，其计算得到的应力场可以近似看作是在一定边界条件下针对某一特定边坡构型及土性参数得到的真实应力场。

(3)有限元计算中可以考虑边坡土层的复杂应力-应变关系，其为探讨复杂非线性弹塑性本构关系下边坡的破坏模式提供了可能。而极限平衡条分法中土体的屈服与破坏准则仅采用Mohr-Coulomb准则。

(4)根据有限元计算得到的应力场和应变场信息，可以动态模拟边坡的渐进式破坏过程，即可描述边坡屈服的产生、发展及达到屈服破坏的过程。而极限平衡条分法认为边坡的破坏是整个滑裂面上的抗剪强度同步达到土体屈服强度后而瞬间发生的。

(5)可以考虑影响土体稳定的更为复杂因素，如模拟降雨过程、水位降低、地震等对边坡稳定的影响；可以考虑土体与支挡或锚固结构的共同作用和协调变形。

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(6)可以了解土体随强度的恶化而呈现出的渐进失稳过程，了解土体的薄弱部位，从而指导加固设计。

(7)可以考虑不同的施工工序对土体稳定最终安全度的影响，天然边坡，开挖边坡、填筑边坡的安全系数往往是不同的，一次开挖和分级开挖也会不一样。

(8)可以及时地吸收土力学和计算力学发展的最新成果，如考虑应力路径、各向异性、应力轴旋转、土体结构性、土体渐进性破坏对土体稳定的影响。

PLAXIS程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件[32]。该程序界面友好，建模简单，能自动进行网格剖分。用于分析土的本构模型有：线弹性、理想弹塑性模型、软土模型、硬化模型和软土流变模型。此类模型可以模拟施工步骤，进行多步计算。其程序能够计算两类工程问题，即平而应变问题和轴对称问题。常用于变形分析与稳定分析。在使用过程中发现PLAXIS程序功能比较强大，能模拟比较多的实际工程，同时用户界面友好，使用也比较方便；能自动生成有限元网格，并通过重要部位网格的细分到达比较好的精度;在后处理方面，该程序能在计算过程中动态显示提示信息，利于工程人员在使用过程对计算结果进行监控。

(l)单元类型

单元类型主要有板单元、土工隔栅单元、界面单元以及专门用来模拟土体的三角形单元。板单元、土工隔栅单元、界面单元可用来模拟结构的反应以及土体与结构的相互作用。PLAXIS自动进行有限元网格划分时，类组被划分为三角形单元。主要分为两种，一种为6节点单元，另一种为15结点单元。15节点单元用来精确计算应力和失效荷载，而6节点单元可以快速计算正常使用状态。

(2)强度折减法的应用

在进行边坡稳定性计算时，PLAXIS程序采用强度折减法。其分析方法是对强度参数tanφ和c不断减小直到计算模型发生破坏。在程序中系数∑Msf定义为强度的折减系数。其表达式为

?Μsf?? （2-1）

tan?reducecreducetan?inputcinput式中: tan?input和cinput为程序在定义材料属性时输入的强度参数值；tan?reduced，

creduced为在分析过程中用到的经过折减后的强度参数值。在该方法中，外部荷载保

持不变，土的强度参数(粘聚力和切线摩擦角)成比例逐渐减小，使土体结构达极限状态，土所具有的强度参数值与相应极限状态的强度参数值之比，就是所求的安全

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系数。程序开始时默认?Msf=1.0，然后∑Msf按设置的数值递增至计算模型发生破坏，?Msf趋于一个常值，反映在位移与安全系数关系曲线上就是曲线基本水平，此时的?Msf为模型的安全系数值。土体趋于破坏状态时，在强度参数不变的情况下变形会持续发展，相应位移继续增大，而安全系数却不会再增大，因此曲线最终成水平状。

(3)弧长控制法的应用

为了跟踪强度参数降低时土的结构变化，PLAXIS程序采用了弧长控制法，以便得到可靠的极限状态及相应的强度参数值tanφreduced和creduced弧长控制法是计算结构破坏荷载及跟踪结构变形曲线软化的一种方法。其基本原理是在迭代过程中调整荷载增量的大小，以得到收敛的解。荷载调整原则是使位移向量增量的内积在迭代过程中保持为常量。对于荷载控制的计算，弧长控制法是PLAXIS程序缺省的方法。如果不采用弧长控制法，从其迭代过程(图2-7(a))可以看出并不收敛。当采用弧长控制法时，其迭代过程如图2-7(b)所示。

step3 荷载

荷载

圆弧 step3 step2 step1 位移

(a)

(b)

位移

step2

step1

图2-7正常迭代与弧长法迭代图

值得指出的是，用PLAXIS进行边坡稳定分析时，由于PLAXIS程序采用弧长控制和自动加载步长，其折减系数不像其他有限元软件那样受增加幅度影响，计算得到的安全系数比较可靠。

(4)有限元建模步骤

PLAXIS有限元建模步骤主要包括:定义单元类型、单元实常数、定义材料属性、建立几何模型，并对几何模型划分网格，生成有限元模型。

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21

3边坡工程地质背景

3.1 自然地理

3.1.1地理及交通

霍林河矿区位于内蒙古自治区通辽市西北端，霍林郭勒市和扎鲁特旗境内。南邻阿鲁科尔沁旗，西北与东乌旗相连，地理坐标为东经119°08′～119°46′，北纬45°10′～45°40′。

南露天煤矿位于霍林河煤田东北部，距霍林郭勒市西南约9Km，采区中心位置东经119°34′，北纬45°28′。勘察区交通位置见图3-1。

3.1.2地形地貌

霍林河煤田位于大兴安岭南端，为一个山间盆地，四周为中低山峦环抱，海拔标高1100～1350m。盆地内部地势较平坦，东北和西南两端为低丘陵，中段为开阔的平原，海拔标高在930～980m之间。

南露天矿北部为地势起伏的低山丘陵，海拔920～950m，由北向南逐渐变缓为坡地，海拔890～920m，南部为平坦波状洼地，海拔875～890m，地形总趋势西北部高，向东南略呈波状起伏，至南部呈平坦洼地，高差70m左右。

3.1.3 气候条件

⑴气温

整个霍林河矿区夏季炎热、冬季寒冷，为典型的温带半干旱大陆性气候。年平均气温0.2℃，一月平均气温最低，零下20.9℃，极端最低零下37.2℃，七月平均最高气温19.7～24.9℃，极端最高气温33.6℃，全年气温变化幅度为70.8℃。日最低气温在0℃以下有251天，无霜期91～134天。

⑵ 降雨和蒸发量

年平均降水量为380.5mm，最大为426.9mm。降水多集中在6～8月，为一年中中降水量的80％。水面蒸发为1432.9～1644.2mm，平均1544.2 mm，大于降水量的四倍，1988-1989年蒸发量。

⑶气压

平均910.6-911.5mbar,12～1月份最高913.3～918.6mbar,6～7月份最低903.7～

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908.3mbar。

图3-1 南露天矿交通位置图

⑷ 风

年平均风速4.6m/s,最大风速20.7m/s,11月～次年5月份风力较大,月平均风速最小3.7m/s以上,11月～12月吹雪严重甚至影响视程,6～9月风速较小,月平均风速最小2.7m/s

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以上。风向以偏西北方向为主。

⑸ 冻土

土壤从10月份初开始冻结，至次年7月中旬解冻，冻结日数286d，最大冻深为2.35m。

3.2研究区地质情况

3.2.1 地层岩性

⑴地层岩性

南露天煤矿地层由晚侏罗世兴安岭群火山岩系及晚侏罗～早白垩世霍林河群含煤岩系和新生界第三系、第四系组成（见表3-1）。 岩性特征从老到新分述如下：

古生界石炭-二叠系变质岩（C～P）

分布煤田边缘，为煤田的基底，由板岩、变质砂岩、变质粉砂岩、角岩化凝灰岩、绢云母石英角岩等组成，有海西期黑云母花岗岩侵入。厚度不详。与上覆岩层为不整合接触。

晚侏罗世兴仁组（J3）

分布煤田四周，形成明显的中低山地形。上部为灰褐色角闪安山岩，灰石安山岩及部分橄榄玄武岩，在地表呈局部小块分布。安山岩呈块状，局部具杏仁构造，可见成分除灰石和角闪石斑晶外，偶见黑云母。厚度不详，与与上覆岩层为假整合接触。

早白垩霍林河组（K1）

是煤田内一套主要的陆相碎屑岩沉积，主要含煤地层，依照岩性特征自下而上分为6个岩性段：

①砂砾岩段（J3～K1h1）以浅灰、灰白、灰绿色砂岩为主，偶夹薄层灰～灰白色粗砂岩，砾石成分为石英及火山岩砾，呈次圆或菱角状，分选不好，泥质或凝灰质胶结。

②下泥岩段（J3～K1h2）由灰～灰褐色，深灰色泥岩及粉砂质泥岩组成，中夹粉砂岩、细砂岩和薄层粗砂岩，似深水湖泊相。具水平层理，岩性单一，致密而细腻，偶见植物化石碎屑，全区发育。

③下含煤段（J3～K1h3）由灰～深灰色细砂岩、粉砂岩、泥岩及浅灰色中砂岩、薄层粗砂岩、砾岩和煤层组成。含四个煤层组，其中粗砂岩、中砂岩主要由粗面质凝灰岩、粗面岩和火山岩中的燧石组成，含少量长石、石英碎屑。细、粉砂岩主要由长石、石英碎屑组成，含少量云母、火山岩屑。本段含苏铁类，银杏类、蕨类等植物化石。

④ 上泥岩段（J3～K1h4）由深灰色～黑灰色泥岩、粉砂质泥岩、及薄层砂岩组成。质

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纯致密，细腻，多呈块状构造，局部具水平层理，为深水湖泊相沉积。

⑤上含煤段（J3～K1h5）由碎屑岩、各种粒级的砂岩和煤层组成的含煤碎屑岩。与下含煤段的明显区别，主要表现在细碎屑比例较高，含煤性较差。本段只有三个发育较好在一定范围内可采的薄煤层，累计可采厚度局部达到1～3m。

⑥顶部砂泥岩段（J3～K1h6）本段以碎屑岩为主，发育有以火山碎屑为主的砾岩夹层和砂岩层，常与泥岩和粉砂岩互层。

第四系（Q）

上部由黄色、黄褐色及浅灰色中、细砂组成，成分主要为石英、长石，局部含少量火山岩砾。该层的上部为风积砂，分选和磨圆度良好。下部为冲、洪积砂，磨圆度和分选性均较差。

中部为黑色湖泊沼泽相淤泥质亚粘土构成，具可塑性，含螺化石碎片，有腥臭味。 下部由黄褐色～浅灰色冲、洪积砂砾石构成，砂成分主要为石英、长石，砾石成分为火山岩、变质岩，次菱角状，分选中等。

表3-1 南露天矿地层层序表

界 新生界

系 第四系

统

组

段 砂泥岩段

霍

白垩系

下统

林 河 组

上含煤段 上泥岩段 下含煤段 下泥岩段 砂砾岩段

侏罗系 石炭、 二叠系

上统

兴仁组

代号 Q K1h K1h K1h K1h K1h K1h J3

123456

接触 关系 不整合 整合

厚度 （m） 0-16 ＞130 400 150～350 ＞700 230～520 100～300 厚度不详

中生界

整合 假整合

古生界 C-P

不整合

厚度不详

⑵含煤地层煤层赋存情况

全区24个煤层，主要可采煤层有9层。可采及局部可采煤层总厚度81.18m。 6煤：厚度较稳定，一般由1～2个分层组成的复合煤层。局部明显分叉变薄。顶底板以细、粉砂岩为主，局部为粗砂岩或泥岩。

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8煤：为一局部可采层。厚度不稳定，局部变薄尖灭。顶底板以粉砂岩为主。 10煤：全区基本发育，煤层较稳定。一般厚度10～25m。煤层结构较简单。本煤层基本是两个分层组成，上分层为含多层夹石的复合煤层，下分层一般为单一薄层。顶底板为粉砂岩、泥岩。局部为中、粗粒砂岩。

11煤：基本稳定，厚度5～8m。除局部为单一煤层外，一般为两个分层组成的复合煤层。顶底板为细砂岩、粉砂岩、泥岩，局部为粗砂岩。

14煤：全区发育，基本为单一煤层，厚度变化有规律，厚度在8～15m之间。煤层结构简单，煤层下部局部夹有数层夹石。顶底板以细、粉砂岩或泥岩为主。

表3-2 可采煤层特征表

可采厚度（m）

层号

两极

6

1.00-15.95

平均 8.93

间距 （m） 30-50

结构

发育特征

主要发育F8以南，中部局部发育存在，出露范围小，较稳定 局部可采，发育范围小，厚度变化大。

较简单

8 10

1.00-24.68 1.05-29.97

7.84 10.81

0-45 25-50

较复杂

较简单 全区基本发育，较稳定。

主要发育28勘察线以南，中深部、

11 1.15-15.66 6.92 25-65 较简单 发育区。煤层基本稳定，中部区浅

部有分叉。

14 17 19 21 24

1.00-21.93 1.03-25.48 1.10-16.17 1.00-55.23 1.00-19.40

10.52 10.86 4.77 15.50 5.02

20-25 35-55 5-15 5-25

简单 全区发育稳定。

较简单 南部发育稳定，北部分叉。 较复杂 主要发育F4以西。 较复杂 全区发育，稳定。 简单

全区发育稳定。

17煤：本煤层为本区主要煤层之一，发育稳定，结构简单，厚度10～20m。局部分为两层。顶底板为粉砂岩、泥岩。

19煤：煤层变化大，测井无特定形态特征。厚度一般为5m左右，中区浅部不发育，煤层多不可采或尖灭。顶板岩性缺乏规律性。

21煤：为本区的主要煤层，全区发育。比较稳定，结构简单，基本为单一煤层，厚度5～18m。顶板南部为粗碎屑岩，北部为细、粉砂岩和泥岩。

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24煤：全区层位稳定，厚度变化小保持3～5m左右。该煤层为全区最为稳定的煤层之一。

3.2.2地层组合特征

为了更好的了解东南帮边坡变形的破坏机理，从而能更真实的建立本区工程地质模型，本次对南露天煤矿边坡稳定性分析与评价，在充分收集利用原有的各种相关资料基础上，针对分析与评价工作的具体需要，采用西排1勘探线和南排2勘探线作为典型地质勘察剖面勘察剖面图（图3-2）。根据钻孔揭露及地质填图等成果，该矿为第四系地层广泛覆盖，第四系地层与下伏地层呈不整合关系。区内属中生代白垩系下统霍林河组含煤地层，根据资料显示，采区边坡岩系由第四系松散层、全风化－强风化砂岩、泥岩层及煤系地层组成。

西排1西排2西1-3西2-4西3-3西2-3西 排 土 场南3-3南3-4南3-5南排2南 排 土 场南2-2南2-3南2-4西1-1西2-2西排3西1-2南3-1南3-2南排3西3-2西3-1南排1南1-2南1-3南1-4采 场图例南1-1钻 孔等高线南1-1勘探线

图3-3 南露天矿边坡勘察工程平面图

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3-3南露天矿综合柱状图

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3.3研究区构造

3.3.1 区域地质构造概况

在中生代，我国东部地质构造发育有明显的阶段性、分带性和方向性。早期的印支运动和晚期的燕山运动形成了斜贯全区的北东和北北东向的大型隆起带、沉降带、断裂带和岩浆岩带。燕山运动最强烈的一幕发生在中侏罗世末，形成了以北东向为主的构造带。晚侏罗世开始进入以断陷为主的阶段，沿着以北北东向为主导的断裂系统发生张裂，形成了大兴安岭、燕山为中心的晚中生代最大的火山岩带。继之，在大面积的火山岩基底上，形成了一系列晚侏罗～早白垩世新断陷型盆地。从晚中生代晚期到新生代，我国东北部至少经历过规模较大的一次褶皱和一次新的张裂下陷，使晚中生代煤盆地受到部分改造，含煤地层部分遭受剥蚀、破坏，部分保存下来。霍林河煤盆地就是其中的一个，其位于大兴安岭南段山系脊部。在区域地质上，处于第三沉降带中，居巴音和硕盆地群东部的一个具有代表性的煤盆地。

3.3.2霍林河煤田区域地质构造

霍林河煤田，位于大兴安岭南段山系脊部，为半地堑型山间断陷盆地。属新华夏构造系的第三沉降带，是二连盆地群最东部的一个具有代表性的盆地。煤田四周被石炭二叠系变质岩和晚侏罗世下火山岩组成的中低山所环抱，并组成煤田的基底。

盆地的西北侧盆缘断裂以北北东～南南西方向延展，是盆地控制性断裂。它发生在早白垩世之前，并在后期构造活动中有继承性发展，为含煤地层的沉积提供了古地理条件，对含煤地层、含煤性及其煤田的展布方向起控制作用。早白垩世沉积层形成后构造运动比较轻微，大体以升降运动为主，含煤地层主要构造为宽缓的褶曲和以断陷产生的张性正断层为主。

盆地几何形态和构造特征

霍林河盆地总体呈北东向延展。盆地北段和南段的为北北东向，(20°～27°），中段为北东向（50°～60°），略成反S型，平面形状呈狭长带状。盆地西侧有F1盆缘断裂，北端为NWW～近EW向断裂所限，东侧和南端为侵蚀边界，总体为一半地堑构造。

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F1为控盆断裂，全长约57km，从西南向北东，其走向由NE25°～NE50°，转为NNE～SN，最后转为NNW方向。中间被十余条NNW、EW和NW方向的横向断层切断错开，平面上呈折线状。断层面向盆内倾斜，倾角56°，断距逾千米。具有两个主断面，倾角上陡下缓，到深部合而二为一，呈犁状。该断层对整个盆地的含煤地层及其含煤性均有重要的控制作用。

盆地北端的北西西断裂亦为控盆断裂，全长超过20Km，被NW和NNE向断层切为数段，并平移错开。该断裂北盘上升，断距约数百米以上。

在盆地内晚侏罗～早白垩世地层自东南向西北方向平缓倾斜，倾角一般在10°以内，到盆地中、西部近水平，到盆缘内侧有平缓抬起并被F1断层所限，总体为一不对称的箕状宽缓向斜。此外，盆地内还存在有两个NWW向的次级正向构造单元和三个被其隔开的次级负向构造单元，由北东到南西分别是：西林保拉向斜、珠斯花背斜、翁能花向斜、“三湖”宽缓鞍状背斜和西南部向斜。

霍林河盆地内断裂系统不大发育，多出现于珠斯花背斜和“三湖”宽缓鞍状背斜附近及盆缘一带。按其展布方向可分为5组，即NW、NEE、NE、NNW和EW向断层组。根据露天坑和钻孔揭露的资料来看，以NE和NW向断层规模较大，长约10Km以上，断距多在百米以上，断层倾角65°～75°。还有一些EW、NEE和NNW向断层，这些断层规模一般较小，断距多在几十米，系高角度正断层性质。本区断层对煤层的影响破坏作用不大。

霍林河盆地的构造格架包括盆地边缘断裂（F1）、断块状的基底、盆地内部的同沉积断裂和次级的同沉积隆起与坳陷以及作为物源区的边缘隆起。

⑴基底构造

盆地以横向分割为主。盆地内存在的一些地层厚度和含煤情况的突变界限指示了盆地基底中断裂的存在部位。发育有三个次级坳陷和两个次级隆起。

⑵同沉积构造

霍林河煤盆地的基底构造在盆地演化过程中的活动体现着不同的同沉积构造运动形式，可以归纳为：

a 基底向北西方向的整体掀斜运动

在盆地基底与边缘隆起的相对运动过程中，基底总体向北西的掀斜运动，始终是一种主要的运动。在区域右旋构造应力场的作用下，盆地北西侧边缘断裂的构造力学性质显示张性。因此，盆缘断裂F1遭受引张作用，它的形态是利用和追踪了

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