1、1中 国 矿 业 大 学 矿 业 工 程 学 院课 程 设 计 报 告课程名称 露天矿边坡稳定姓名 李 涛 班级 露天 2006学号 01060103 日期 2010.01.20成绩 教师 彭洪阁2目录一 设计题目 .2二 设计分析 .4三 计算方案 .43.1 计算方案 .4四 计算步骤 .54.1 建立工程文件 .54.2 建立模型 .64.3 输入模型参数 .64.4 输入岩层参数 .84.5 输入岩层性质参数 .104.6 划分单元体 .114.7 计算稳定系数 .114.8 生成报告 .124.9 报告 .124.10 报告分析 .13五 计算结果 .145.1 西帮（逆层）计算结果
2、 .145.2 东帮（顺层）计算结果 .205.3 南/北帮（水平）计算结果 .26六 结果分析 .326.1 结果汇总 .326.2 三次样条三转角法插值计算 .326.3 误差分析 .34七 课程设计体会 .34八 附录 .358.1 岩层坐标参数 .358.2 三次样条三转角法插值代码 .363一 设计题目某露天矿地层关系如表 1 所示。地层产状均为为 908。表格 1 边坡地层岩性及厚度序号 岩层 各分层厚度(m)1 表土层 102 砂岩 203 泥岩及砂质泥岩 154 砂岩 225 1#煤 96 砂质泥岩 67 砂岩 168 泥岩 59 2#煤 1210 泥岩 411 砂岩 27各岩
3、层属性如表 2 所示。表格 2 边坡地层重度、刚度、强度参数序号 岩层重度 3(/)KNm剪切模量 ()GPa体积模量 ()vK粘聚力 ()CkPa内摩擦角 ()1 表土层 19 1.43 0.463 138 162 砂岩 20.5 1.57 18.4 173 203 泥岩及砂质泥岩 21 1.25 17.7 192 194 砂岩 20.3 1.51 20.1 185 275 1#煤 20 1.85 8.34 205 256 砂质泥岩 20.2 1.27 19.3 220 227 砂岩 21.4 1.62 22.4 265 279 泥岩 20.3 1.33 17.9 240 1810 2#煤
4、19.1 1.8 8.49 210 2511 泥岩 19.7 1.33 18.3 260 1813 砂岩 23 1.96 23.6 300 30设计中沿煤层地板开采，要求分析设计该露天矿各帮边坡的最终边坡角。课程设计要求（选择其一）1、利用掌握的计算机语言编写边坡稳定分析软件。要求如下：（1）有良好的人机交互界面，参数输入方便；（2）对于岩层厚度、倾角等参数有良好的适应性；（3）可根据选用的方法计算出边坡的稳定系数；（4）应能画出计算简图；4（5）对所选择的参数等结果进行分析说明，做到有理有据；（6）形成课程设计报告。2、利用所提供的软件进行分析设计。要求如下：（1）充分熟悉软件功能；（2）认
5、真分析计算结果，找出规律，确定选择结果；（4）对所选择的参数等结果进行分析说明，做到有理有据；（5）形成课程设计报告此实验报告所选题目为题目 2，即利用提供的 FLAC/Slope 软件分析边坡的稳定性。岩层结构面如图 1 所示。图 1 岩层结构面图二 设计分析本次设计的主要目的是通过提供的边坡地层的产状参数和强度参数，在FLAC/slope 软件下建立适当模型，试算并分析得出各帮边坡角对应下的稳定系数，之后数据拟合，在需求的稳定系数下给出安全的帮坡角。最后对设计中进行误差分析。步骤流程如下：1 设计帮坡角初始值(本次设计中初始值为 20)2 运行 FLAC/Slope 软件，并保存。3 输入
6、岩层参数。4 计算稳定系数5 帮坡角增加一个增量(此次设计帮坡角增量为 5)6 转到第一步，直至帮坡角达到设计终值(此次设计帮坡角中值为 60)。7 对设计的帮坡角与稳定系数进行数据拟合，求出要求稳定系数对应的最大帮坡角。8 进行误差分析5三 计算方案3.1 计算方案本次设计中地层的产状均为 908，属于向东倾的缓倾斜地层。由于地层不水平，露天矿采场四面的边坡与地层几何上呈现不同的相交关系，故即使不考虑其他因素，各帮的稳定性也是不一致的，因而分别分析。由于 FLAC/slope 在分析时需要已知一个边坡度，因而要采用试算的方法。鉴于此，本次实验的方案为：(1) 将采场四个帮分为 3 类：即底帮
7、、顶帮、端帮。将它们的的边坡类型分别视为顺层边坡、逆层边坡和水平边坡。(2) 根据规范将允许边坡稳定系数定为 1.3 如表 3 所示表格 3 露天矿工程设计规范边坡稳定性系数选取表 1边坡类型 服务年限 稳定系数边坡上部有重要建筑物或边坡滑落会造成生命财产重大损失者 20 1.5采掘场最终边坡 20 1.31.5非工作帮边坡201.11.2工作帮边坡 临时 1.21.5外排土场边破 20 1.2内排土场边坡 10 1.3露天煤矿工程设计规范(GB50197-94)(3)对每一种边坡：在 20-60之间从 20开始，以 5为步距分别设定边坡角，确定坐标参数（利用 CAD 绘图建立） ，在 FLA
8、C/slope 建立模型，计算出相应的稳定系数。这样做出于以下考虑：1 露天矿边坡角一般都在 20-60之间，且边坡稳定性随坡角的增大总的趋势是减小的，偶见的波动可由多试算几个角度克服。2 为确定坡角与稳定系数关系曲线，试算离最终坡角远的角度也是必要的。3 汇总三种边坡的计算数据，得到本次设计的结果。6图 2 岩层剖面图四 计算步骤4.1 建立工程文件运行 FLAC/slope，在“File”菜单下点击“Save Project As” ，然后输入工程名。如图 3 是为“slope_against20” （即西帮，为本次的逆层边坡）建立工程，文件全名则为“slope_against20.psl
9、” 。against 表示逆层，20 表示帮坡角。图 3 建立工程文件4.2 建立模型在“工具栏”, “Models”为帮坡模型，点击 “New”选择新建模型。此处为了简便计算，选择“Simple”如图 4 所示。图 4 选择计算模型4.3 输入模型参数帮坡角选择为 20时，模型参数如图 5 所示。各参数的含义如下：Rise帮坡高度。Slope帮坡角，此处为 20。Depth帮坡下部厚度。7Right帮坡上部平台宽度，此处统一取 100m。Left帮坡下部平台宽度，此处统一取 100m。Mirror layout(Reverse left/right)帮坡方向为了便于计算，此处使帮坡垂直高度相
10、同，即图 6 中 H，为 161.4889m。于是：(1)RiseHdpth图 5 模型参数图 6 中，h 为第一层岩层表面至第九层底板厚度。h=115m。h 与 L 存在如下几何关系：(2)tan()slopelaLalpha岩层倾角而，Rise 与 L 关系如下：tan()Riseslop（3）(2)式与(3)式联立，解得：(4)ta()nhsleiseop(4)式与(1)式联立，解得(5)ta()sledethHh由式(4)和式(5)及约定的 H，模型参数均可依次求得。结果见附录。8图 6 slope_against20 模型参数计算图4.4 输入岩层参数地表隶属于第一层岩层，第十一层岩
11、层及以下岩层均隶属于第十一层。于是地层界限就为 10 条。在菜单栏中， “Build”为编辑岩层参数按键。点击“Layers”后进入岩层参数编辑界面，在窗口右侧，单选按钮选择“Add/Move” 。之后即可用鼠标在界面中添加岩层界面，添加 10 条岩层界面后如图 7 所示。图 7 添加岩层界面添加完成后，单选按钮选择“Edit” 。选择所编辑的岩层界面编号后，点击Edit numerically 对岩层界面进行编辑。如图 8 所示。9图 8 岩层界面编辑第一行为第十岩层底板界面左坐标点，第二行为第十层底板界面右坐标点。坐标点的获得可以通过 AutoCAD 绘图，通过量测获得。此处主要讨论其函数
12、方法。设第 1，2，11 岩层厚度分别为： 121,h于是第十岩层底板界面左坐标点纵坐标点为：110cos()hzalp（6）第九层岩层底板界面左坐标点纵坐标点为：109cos()hzalp（7）以此类推第一层岩层底板界面左坐标点纵坐标为;(8)2311cos()hzalp而对于岩层界面右坐标点纵坐标需在上述左纵坐标中加上有第十一层岩层厚度引起的增量，记为：(9)tan()()tan()RisezlphleftrighlopA于是第十层岩层底板界面右坐标纵坐标为：(10) 110cos()zalph对于其他岩层底板界面与式(10)类似。在 slope=20 时，坐标参数如表格所示。表格 4 s
13、lope-20 坐标参数岩层编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10左纵坐标 27.27 31.307 43.427 48.477 64.63 70.69 79.78 101.99 117.14 137.34右纵坐标 87.72 91.76 103.88 108.93 125.09 131.15 140.23 162.45 177.60 197.79编辑后的岩层界面图如图 9 所示。10图 9 岩层界面点击“O”完成岩层界面坐标输入4.5 输入岩层性质参数在岩层界面编辑完成后输入岩层性质参数。依旧是在“Build”下选择“Material”。在窗口的右下角“Material Group”列表框中， “Create”为增加岩层按钮，点击后弹出如图 10 的“Define Material ”对话框。Mass-Density 为密度，由于单位为：kg/m 3 行统一。CohesionPa为粘聚力，注意单位统一。Friction angle 为内摩擦角。图 10 Define Material 对话框依次输入参数，并且填充与左侧岩层界面，填充后如图 11 所示。
