3露天煤矿边坡稳定性分析及岩移监测方法编制说明

“露天煤矿边坡稳定性分析及岩移监测方法”编制说明一、工作简况1任务来源《露天煤矿边坡稳定及岩移监测方法》由国家安全生产监督管理总局国家煤矿安全监察局于2011年下达计划项目，计划编号为2011-MT-29，由煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会归口。2主要参加单位和工作组成员起草单位煤科集团沈阳研究院有限公司在接到通知后立即组织起草小组对本标准进行起草，起草人员主要为祖国林、韩猛、缪海宾等人。3工作简要过程3.1成立起草工作组，编写讨论稿《露天煤矿边坡稳定及岩移监测方法》于2011年7月成立起草工作组，2012年1月完成工作组讨论稿。期间，起草小组成员通过调研、对相关资料的收集整理及8次内部讨论，2次专家讨论，于2012年1月形成标准的征求意见稿。3.2征求意见阶段2012年2月开始征求意见工作，在此期间起草小组共进行6次内部讨论，1次专家讨论，邀请煤科集团沈阳研究院有限公司张延寿等专家对征求意见稿提出相关意见，并加以修改，于2015年6月向全国典型露天煤矿、高校、科研等单位17位从事露天开采和边坡稳定性研究与工作的专家发出征求意见稿。3.3形成送审稿征求意见稿回函单位17家，提出意见单位11家，修改意见总数44个，起草小组讨论后采纳18个，未采纳26个。起草小组根据专家反馈的意见及时进行讨论、修改，于2015年8月向煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会露天煤矿安全及设备分会提交送审稿。3.4审查阶段2015年8月27日~28日，煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会露天煤矿安全及设备分会在沈阳召开该标准审查会，通过了标准审查。3.5报批起草小组按照审查会会议纪要和专家意见完成对标准送审稿的修改，于2016年1月18日形成了《露天煤矿边坡稳定性分析及岩移监测方法》报批稿。3.6报批稿再报批审查2019年12月9日，中国煤炭工业协会在北京召开煤炭行业标准审查会，审查会专家提出修改意见总数6个，起草小组成员根据专家审查意见进行8次内部讨论，1次专家讨论，采纳修改意见6个，未采纳0个，于2020年1月14日形成了标准最终报批稿。4标准编制的目的、意义和必要性露天煤矿边坡稳定是确保露天煤矿安全、高效生产的关键问题，而边坡稳定性分析与边坡岩移监测又是边坡稳定性研究中最重要的两大部分。只有边坡稳定分析成果可靠、及时、科学、符合实际才能使露天煤矿边坡稳定性的评价判断合理，使露天煤矿的生产安全、高效。如果边坡稳定分析成果不符合实际，则设计的边坡稳定、生产能力就不能实现，生产中就可能发生边坡失稳、滑坡，而造成重大经济损失、人员伤亡。我国内蒙设计新建的几个大型露天煤矿，就有按设计在露天煤矿建设初期边坡角未达设计值就发生滑坡的例子。如某露天煤矿端帮边坡角为26°，内排边坡角为18°，在建设期间就发生了多次滑坡，当将端帮边坡角降至24°，内排边坡角降至10°，边坡仍处于不稳定状态。这说明在边坡设计、工程地质勘查、岩石物理力学参数选取、边坡稳定性分析等环节存在严重缺陷。由此可见边坡稳定性分析方法规范合理的重要性、必要性、紧迫性。《露天煤矿边坡稳定性分析及岩移监测方法》是在总结多年露天煤矿边坡稳定性分析评价经验教训的基础上提出的。规范边坡工程地质勘查、岩石物理力学性试验与参数指标选取、边坡破坏机理与滑坡模式分析、边坡稳定性分析方法。但是由于岩体构造、软弱夹层、地下水赋存条件复杂多变，岩石物理力学性质多样多变，使边坡各具特点，故不能用同一滑坡模式与分析公式进行计算。因此本标准提出较为适合各类边坡的方法选用，以使边坡稳定性分析的计算成果更为符合实际。边坡岩移监测方法在国家、安监局等有关标准中均有论述与规定，但都没有系统的提出标准，而岩移监测又是掌握边坡动态、检验边坡稳定性、实现滑坡预测预报的重要手段，因此本标准提出岩移监测方法，以适应露天煤矿建设、生产、终采阶段边坡监测的需要，确保露天煤矿的高效、安全生产。这两部分内容在煤炭行业标准中均属首次提出并制定，因此随着标准的执行与我国露天煤矿边坡稳定研究新成果的推广应用，需要不断修订完善，以适应露天煤矿发展的需要。二、标准主要内容《露天煤矿边坡稳定性分析及岩移监测方法》正文内容共分5章。第1章规定了标准的范围；第2章给出了规范性引用文件；第3章为有关术语和定义；第4章为露天煤矿边坡稳定性分析方法；第5章为露天煤矿边坡岩移监测方法。将标准第4.5条中的滑动平衡原理、刚体极限平衡法分析和边坡稳定系数FS改动到资料性附录F、G、H，并对附录进行重新排序；修正标准中各物理量的符号和单位；标准附录C钻孔柱状图、附录D地质剖面图重新绘制。（1）露天煤矿边坡稳定性分析方法4.1.2边坡稳定性分析工作应贯穿露天煤矿规划、设计、建设、生产、终采全过程。边坡稳定性分析是贯穿露天煤矿资源规范、设计、建设、生产，直到终采闭坑全过程的一项不可缺少的工作，也就是说在每一个阶段都应进行相应的边坡稳定性验算，对有失稳危险的边坡尤为重要，防患于未然。4.2.3边坡工程地质勘察步骤：a)收集矿区相关地质、水文、气候等资料，包括勘探报告、钻孔资料、地质剖面图、位移监测资料等，确定边坡的岩体结构、组成及赋存形态；b)确定边坡工程地质勘察方案；c)边坡钻探应严格按照GB50021中有关技术要求执行；d)编制边坡工程地质勘察报告。为进行边坡稳定性分析计算，首先要做好边坡工程地质勘察，只有在此基础上选定的计算方法才可能符合露天煤矿边坡实际，计算成果才可靠可信。而在计算方法上通过调查、分析、研究国家、行业有关标准，如建筑、水利、冶金、国土资源等行业资料，采用极限平衡法为主的边坡稳定性分析方法，并辅以有限元等应力应变方法。这样稳定分析方法与成果更具有可比性，可靠性与可操作性。4.3.1边坡岩土物理力学性质试验主要内容：a)抗剪强度试验，包括岩样、原位岩体与散体岩土的直接剪切或三轴压缩抗剪强度试验；b)岩土物理性质指标测定，包括液塑限测定、压缩、固结、贯入试验；c)岩土试样抗压强度、点荷载强度、变形参数测定；d)软岩或泥化层流变试验采用直剪流变仪测定长期强度及各种流变参数；e)岩土不同含水量下的物理力学性质试验。岩土物理力学试验采用的试样规格要根据执行即：岩土样直剪采用直剪仪，试样直径φ61.8mm；岩土样小三轴抗剪采用三轴仪，试样直径三种：φ39.1mm、φ61.8mm、φ101mm；原位岩体直剪试验，采用原位岩体直剪试验系统，原位试样规格：70cm×70cm×50cm；散体岩土大三轴试验，采用大三轴仪试验系统，试样最大粒径60mm，试样直径φ30cm，试样高度60cm~70cm，测压1.5Mpa，垂压540kN。4.3.3岩体强度评价主要是确定边坡稳定分析采用的指标参数，结合露天煤矿边坡试验成果，选用适宜的岩体强度评价理论、滑坡反分析及岩土性质类比成果等，综合确定边坡各岩土体物理力学性质指标，特别是抗剪强度指标。边坡岩土物理力学性质会随露天煤矿勘探、建设、生产、终采不同阶段发生较大变化，同一岩种又随埋藏深度、埋藏地点不同、赋存条件改变，性质指标有较大变化。露天煤矿的岩土物理力学性质试验往往要贯穿露天开采全过程，涵盖采场、排土场各部位才能符合当前、当地实际，应用才合理、可靠、科学。4.4.2边坡变形破坏形式有松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕滑、剥落、流动等。露天煤矿边坡变形破坏可以是上述变形破坏形式的一种或多种结合。对于露天煤矿边坡而言，一般要求在生产期间边坡是稳定的。边坡稳定性评价的目的就是根据边坡的特点，考虑工程荷载的作用来研究边坡的稳定状况，预测边坡可能失稳或失稳后的危害程度，据此采取经济、合理、有效的防治措施。在对边坡稳定性评价时，一般采用“稳定边坡”、“不稳定边坡”、“可能失稳边坡”和“失稳边坡”来说明边坡的稳定状况及发展趋势。4.5.4.1常用的边坡稳定性分析计算软件有GEO-slope、ANSYS、FLAC等，国家或行业主管部门认证或推荐的软件优先采用。露天煤矿的边坡，其走向长度与高度相比，尺寸很大，视为平面问题，故可采用二维法进行力学分析。尤其是露天煤矿，滑坡多沿层面发生，即顺层滑坡，平面力学分析法是有效的。对于边坡棱体的稳定分析，应用三维分析方法。露天煤矿的端帮，应用三维分析法，它处于压缩拱受力状态，稳定性较好。（2）露天煤矿边坡岩移监测方法5.2.1地表位移监测是在露天煤矿边坡上按设计的监测网线位置布置若干观测点或观测标桩，定期监测位移变化量。边坡岩体地表位移平面点位测量方法：1)角交会法：采用两个或三个已知坐标的测站点观测测定的坐标值，可以采用大地测量通常采用的仪器装备。2)边交会法：测角交会是通过观测距离来确定测点的水平位移，而测边交会法是通过观测角度来确定测点的水平位移。同样可以采用大地测量常用仪器，应用电磁波测距仪进行测边交会，其点位测量精度较高。3)导线测量法：在边坡地表位移监测中，导线法简便、灵活。在一般工程测量和变形监测中有许多优越性，但测量成果的精度受测程大小和测角误差大小的影响较大。4)边角交会法：边角交会是在测边交会法的基础上又施测了角度，可进行平差改正计算，测量精度高。5.3.2地下位移监测主要仪器：1)钻孔测斜仪；2)应变式位移传感器；3)钻孔伸长计；4)倒置摆；5)沉降仪。地下位移监测仪表说明：根据敏感元件的作用原理和结构，测斜仪有应变式、伺服加速度计式、差动变压器式、电位计式及钢弦式等，另外，按测斜仪的测试功能或敏感元件的数量可分为双向式和单向式。钻孔测斜仪是露天煤矿最常用最有效的一种地下位移监测设备，测试精度高、使用方便、监测深度大、能确定不稳定边坡的潜在滑移面或弱面滑移方向与速度大小，从而分析评价边坡滑移规律。应变式位移传感器是一根粘贴有若干组应变片的金属管杆件，传感器通过钻孔埋设在边坡岩体内，当边坡岩体产生滑移时，由于金属管变形，由应变片组成的桥路输出电信号，从而达到监测的目的。钻孔伸长计通常用来监测稳定性有问题的岩体构造特性，适合露天煤矿边坡监测的伸长计有：多点钢丝恒定张力伸长计和岩石锚杆伸长计。伸长计通常在永久性坡面上安装，最适合在到界边坡或公路的帮坡上使用，在地下巷道中也可使用伸长计。倒置摆通过垂直度极好，孔径较大的钻孔将摆的钢丝自由悬垂的进行安装，利用配备精密读数盘的望远镜测量地层的水平位移，它测试精度高，但不能监测大的位移。由于对钻孔要求较严，且安装困难，所以只适合对浅部不稳定岩层的监测，在露天煤矿山已不常使用。沉降仪是用来监测边坡地层垂直方向位移或沉降的装置。它也是通过钻孔对有关地层的沉降进行监测。一般在有冒落层、破碎带等而造成较大垂直方向位移的边坡体中使用。移动式测斜仪数据处理软件系统是以PSH型双向伺服加速度计式测斜仪并兼顾国内外MK3、SINCO-1000、BC应变式等类型的测斜仪的数据处理工作为模型而研制的，可在较普及的微型机上运行。智能测斜仪实现数据监测、采集、存储、处理、传输全过程自动化。智能测录仪是用来与PSH双向伺服加速度计式钻孔测斜仪相配套，完成现场监测数据的采集、转换、存储记录功能，并在监测中心站内与上位机联机通讯，把记录信息传输到计算机系统，进行数据处理。智能测录仪的基本功能有：1)可确定并修改孔号，适应一次监测若干个测孔的要求；2)可确定并修改孔深，满足不同孔号监测深度不同的要求；3)对来自倾斜仪器探头的信号能自动进行模拟量-数据量的转换，便于通讯和上位机处理；4)具有存储记忆能力，可把现场监测数据记录并保存，掉电后记录结果至少可保存72h以上；5)可与上位机联机通讯，把监测数据传输给上位机进行处理；6)对某些错误操作和机器状态具有提醒报警能力；7)对现场工作条件有较高的适应能力，便携、省电，经保温防护，可在-30℃左右的低温环境中使用。5.5.1.1按照GB50026规定进行数据处理分析，包括变形量或位移量计算、监测点移动、边坡岩体移动、高程点位移动与否判别及开采境界外地表下沉分析、变形分析等。露天煤矿边坡岩体往往在自重长期作用下从蠕动变形发展到最终产生破坏性滑坡，合理正确、精确的边坡反应边坡岩体从蠕动变形到破坏这一全过程。根据同一剖面上各个监测点之间的水平变形值，可分析