本文是一篇工程硕士论文，本论文以伊敏露天矿三采区的端帮边坡为工程背景，通过室内试验、现场踏勘类比分析、数值模拟等方法，进行了三采区边坡稳定性分析；根据勘探成果核定原水文地质参数，建立三采区水文地质模型，开展矿区地下水渗流场模拟、疏干降深漏斗模拟。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
目前，煤炭资源在我国各能源领域中依然处于首要位置，煤炭广泛应用于发电、供暖以及工业生产等诸多方面，未来十余年，我国对煤炭资源的需要量将不减反增。在大环境的影响下，煤炭需求量不断上升，其中，我国露天煤矿产量占煤炭总产量的比重逐年增加，近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展，有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。
边坡角度设计是露天矿开采过程中涉及到采矿经济性和生产安全性的关键因素，设置一个相对经济、合理的边坡角度直接影响了矿山的生产安全和效益以及国家资源的采出率。露天开采的稳定性问题具有重要研究意义，避免出现滑坡以及人员与设备的安全隐患。边坡破坏过程是一种隐性的地质学现象，既有内在影响又有外在影响因素。如何根据露天矿特有的工程地质条件，设计合理的边坡形态是首要问题。2023年2月22日，内蒙古新井煤矿边坡坍塌事故，将边坡问题再一次突显出来。伊敏露天矿边坡属于典型的软岩边坡，富水、弱层、构造发育，西端帮今后将长期面临富水、顺倾、多弱层等因素影响，边坡失稳将对煤矿安全生产造成严重的威胁，软岩边坡难于防治，需要投入大量的人力、物力与财力[1]。
本文以伊敏露天煤矿为研究区，伊敏露天矿位于内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗境内，具体位于大兴安岭山脉西麓坡面。伊敏露天矿2023年生产作业范围全部进入三采区，三采区地层自上而下分别为第四系、新近系及伊敏组。岩性从上至下主要为黑色腐植土、黄色粘土、砂土、砾石层、含砾石粗砂岩、灰色泥岩、灰色的砂砾岩、细砂岩、中砂岩、粉砂岩、不可采薄煤层及可采巨厚煤层等。砂岩及砂砾岩多为泥质胶结，胶结性较差，在地下水作用下岩性较松散，强度较低。加之地下水、软弱岩层多等因素，均不利于边坡岩土体的稳定。因此，需对伊敏三采区端帮软岩边坡稳定性进行研究，三采区开采现状如图1-1伊敏露天矿开采现状图。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 边坡稳定性分析方法研究现状
露天矿边坡稳定性，影响露天矿的安全与生产。要特别注意水对这些岩石的软化作用[2-3]。边坡稳定性研究的方法有很多，不同的方法的适用条件有不同。需要根据所要研究的边坡工程地质条件，选择适应的边坡稳定性验算方法是保障边坡安全开采之前提。边坡稳定性分析方法的选择，非常重要，国外内不少专家学者对边坡稳定性问题进行研究[4-7]，从早期的定性分析发展到了定量分析（极限平衡）。实际上对边坡稳定性问题研究方法，大致可分为以工程地质类比法为主的定性分析方法和以极限平衡法及数值模拟为主定量分析的方法[8-10]。
其中定性分析法又可分为地质分析法[12]、工程地质类比法[13-14]、图解法[15-16]等几类，定性分析法主要取决分析人的经验，没有一个准确的判定标准，因此适用于经验丰富研究人员使用，但不适用于露天矿大型边坡的判定。
确定性分析方法是基于定性分析的基础之上，采用相对科学的力学模型，通过不同的计算理念，来定量的分析边坡稳定性，比如极限平衡法。起源于著名的瑞典条分法[17]，在工程中应用最为广泛，本文使用的Slide软件即为此原理，将边坡模型划分成一个个足够小的条网格（Bishop 法[18]、Spencer法[20]、Sarma法[22]圆弧法、Janbu法[21]），做力的极限状态下平衡分析，最终得出稳定系数。
②数值分析法，采用摩尔-库伦弹塑性模型，采用有限元的原理，通过给定折减系数，进行强度逐步折减，直至数组不收敛[25-27]计算出边坡稳定系数。数值分析软件中ANSYS、ABAQUS、FLAC等常用于分析边坡稳定性验算计算。
不确定分析法主要有系统分析方法、可靠度分析法、灰色系统法、模糊数学法[28-30]、神经网络法[31]模型法等等。
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2 伊敏露天矿开采现状
2.1 伊敏露天矿概况
露天矿采煤工艺包含单斗—卡车+半移动破碎站半连续工艺及单斗—自移式破碎机半连续工艺，共四套生产系统；剥离工艺包含轮斗连续工艺和单斗—卡车间断工艺（自营和外包）。自营挖掘机有WK-10B型号1台，WK-20型号6台、WK-35型号5台（含自移破单斗挖掘机）、EX8000E-6型号1台，卡车有TR100型号5台，172t型号26台和220t型号38台，剥离轮斗连续系统1套，3.5m3级液压挖掘机3台，5m3级液压挖掘机5台，60t级宽体电动自卸卡车40台。
开采现状见图2-1总体规划井（矿）田综合划分示意图。
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2.2 矿区开采现状
2.2.1 各帮边坡角情况
伊敏露天矿共划分四个采区，即首采区、二采区、三采区及接续区。首采区范围较小，位于露天矿东南部，目前已开采完毕，二采区位于露天矿东部，目前已开采完毕，目前已过渡完成正在开采三采区，接续区现未开采。现状情况下，露天采场整体位于矿证的东南部，顶部面积910.34hm2，采区上口北东最大宽度3585m，南西最大宽度2773m，采场最大采深104m，最低标高516m，采场底部南北最小宽度380m，东西最小宽度140m。台阶坡面角65°，帮坡角16°～23°。现采掘区域为一露天的三采区，目前仅有西北端帮为原始台阶边帮，南帮及东端帮为二次剥离后的永久端帮，西南为推进侧工作帮，因推进侧工作帮坡角仅为4度，不在本文探讨范围内。
2.2.2 矿区构造
伊敏煤田一号露天矿位于伊敏向斜轴部及东南翼，根据以往资料，查明其主体为一不完整的走向北东、倾角3－8°的宽缓向斜，属于简单构造，其中有4个次级褶曲及5条断层。
矿区褶曲详情见下图2-2海拉尔含煤盆地分布及构造位置示意图。褶曲的探明，主要来自于前期地震勘探资料。总体来说延展长度较大规模较完整的褶曲有4条，编号分别为：I号、II号、III号和IV号。I号向斜位于F8断层西北侧，4－20线之间，向斜轴延展长6km，跨度1.5km。向斜轴呈S型，在7－8线间被F6断开，轴向近北东向，在14线以北转为东西向，向斜轴中心位于W10005、W10006孔连线间，核部向两侧仰起且渐变宽缓。由4－20线之间的各勘探线及联络线控制；II号向斜位于F8断层西南侧，1－12线之间，向斜延展长4km，跨度0.8km，向斜轴呈S形，轴向近北东向，向斜轴东部略抬起，呈缓波状起伏，形成两个核部（在轴部两端）。由4条测线（2、3、8-1、8-2）及9条地质剖面控制（4－8线）；III号向斜位于F8号断层南12－16线之间，向斜轴延展长1.8km，跨度1km，轴向近东西，向斜轴向东仰起，向西与IV号背斜复合。由12－16线之间各测线控制；IV号向斜位于F8断层附近，由其两侧宽缓向斜所夹的狭长地带，背斜枢轴向北东延展长6km，跨度0.6km，背斜枢轴呈波起伏，由1－18线之间各测线控制，其中6－8线之间为开采实见，延展长1.4km，跨度0.3－0.4km，幅度15－34m，背斜轴向F8发生偏转(6-1、7、7-1剖面)。
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3 渗流分析及地下水治理措施研究 ......................... 44
3.1 典型岩石取样及力学参数试验...........................15
3.2 三维有限元模型与计算参数....................................23
3.3 F1、F5断层地下水降深分析...................................27
4 三采区边坡稳定性分析及边坡结构设计优化 ......................... 44
4.1 边坡数值模型构建....................................... 44
4.2南帮边坡稳定性分析及边坡结构设计优化......................... 48
4.3 西北帮边坡稳定性分析及边坡结构设计优化........................... 51
5 结论与展望 ...................... 68
4 三采区边坡稳定性分析及边坡结构设计优化
4.1 边坡数值模型构建
4.1.1 典型剖面位置选取
对边坡稳定性影响因素的分析，结合采区的生产条件和要求，剖面选取的总的原则是：
1、将各帮坡煤层最薄，边坡最高的剖面作为典型计算剖面； 2、选取资料齐全的区域； 3、地层顺倾且倾角最大处作为典型计算剖面； 4、尽量选择有建筑物的典型区域。
工程硕士论文参考
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5 结论与展望
5.1 结论
本论文以伊敏露天矿三采区的端帮边坡为工程背景，通过室内试验、现场踏勘类比分析、数值模拟等方法，进行了三采区边坡稳定性分析；根据勘探成果核定原水文地质参数，建立三采区水文地质模型，开展矿区地下水渗流场模拟、疏干降深漏斗模拟，主要取得如下成果与认识：
（1）归纳了伊敏露天矿开采现状、地层、构造、水文地质条件、岩体渗透性与渗透性等研究背景，分析了研究区端帮边坡的地质条件。
（2）根据工程区长期观孔水位资料，分析了模型边界地下水分布特征；进行了F1、F5断层地下水降深分析；计算了未开挖情况下矿区三维渗流场特征、2023年至2027年矿区三维渗流场分布规律及变化特征、矿区布设截渗墙的三维渗流场特征。
（3）提出地下水治理措施及优化方案：将原有100米间距240米深的疏干井优化为80米间距220米深的疏干井布置方式，可将接续区矿区地下水位控制在14#煤底板水平，进而有效减少F5断层以外接续区水利单元向本采区的渗透，以达到优化提升边坡角，提高资源回收率的目的。
（4）通过对地质剖面NB-1、NB-2、NB-3以及NB-4进行分析得出，南帮边坡稳定系数在1.244~1.48，边坡处于稳定状态，可能产生的破坏形式为位移沉降和局部坡面的圆弧滑动。经计算，选取14°作为南帮边坡的设计坡角。
（5）通过对地质剖面XBB-1、XBB-2以及XBB-3进行分析得出，西北帮边坡剖面处边坡稳定系数在1.21~1.76之间，处于稳定状态。但XBB-1边坡存在软弱层其系数只有1.21，相比于圆弧破坏，顺倾滑移的风险会更大一些。
（6）通过不同静水位下西北端帮稳定性分析，可以看出，地下水位是影响边坡稳定的重要因素，即使对软弱岩层做最坏设计，力学参数取最小值，当地下静水位低于550m，西北三个典型剖面仍可提高边坡角至15-16°，而目前西北帮F5断层揭露处水位渗出点570m，仍需加强西北帮水位降深，以进一步提高煤炭资源回收。
参考文献（略）