Abstract

Coal and lignite (brown coal) are geo-resources that govern energy production for decades. Geomechanical challenges, particularly slope stability, related to surface coal and lignite mines are critical during operation and determine the post-coal era. Several failure incidents have been reported in mining areas, typically associated with a sub-horizontal failure surface on a weak—clay or marl—layer or an interface of low strength. This weak zone controls the soil profile in terms of stability and is common in several mines globally. In this work, the finite element method with the shear strength reduction technique is primarily employed to evaluate the slope stability of this profile. Three geotechnical software are initially compared, and results are identified as practically identical. Moreover, slopes with benches, as typically in mines, and without benches, as typically in slope stability analysis, are compared, with the no-benches analysis being consistently more conservative. The crucial parameters' effect is then examined: the height and the inclination of the slope, the inclination, thickness, and strength of the weak zone, and the strength of the overburden soil. Their effect on slope stability is quantified by combining the probabilistic point estimate method with the finite element method. It is concluded that the inclination and strength of the weak zone and the water conditions are the most critical parameters and control the stability. This work can support a preliminary slope stability analysis and expands the knowledge and understanding of slope stability of a weak zone profile.

Article Highlights

• Slope stability is performed on a soil profile with a weak zone, describing a common type of coal mines' failure in several countries.

• Numerical issues of practical importance are addressed for the simulation and analysis of the problem.

• The inclination and shear strength of the weak zone together with the water conditions control the stability of the mines' slopes.

中文翻译：

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弱区存在下深部煤矿边坡稳定性研究

摘要

煤炭和褐煤（褐煤）是几十年来控制能源生产的地质资源。与露天煤矿和褐煤矿相关的地质力学挑战，尤其是边坡稳定性，在运营期间至关重要，并决定了后煤炭时代。在矿区报告了几起故障事故，通常与弱粘土或泥灰岩层或低强度界面上的亚水平故障表面有关。这个弱区在稳定性方面控制着土壤剖面，在全球的几个矿山中很常见。在这项工作中，有限元方法和剪切强度降低技术主要用于评估该剖面的边坡稳定性。最初比较了三个岩土工程软件，结果被确定为实际上相同。此外，带有长凳的斜坡，就像在矿山中一样，和没有长凳的情况，如边坡稳定性分析中的典型情况，进行了比较，而没有长凳的分析则始终更加保守。然后检查关键参数的影响：斜坡的高度和倾斜度，薄弱带的倾斜度、厚度和强度，以及上覆土的强度。它们对边坡稳定性的影响通过将概率点估计方法与有限元方法相结合来量化。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水质条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。无长凳分析始终更加保守。然后检查关键参数的影响：斜坡的高度和倾斜度，薄弱带的倾斜度、厚度和强度，以及上覆土的强度。它们对边坡稳定性的影响通过将概率点估计方法与有限元方法相结合来量化。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。无长凳分析始终更加保守。然后检查关键参数的影响：斜坡的高度和倾斜度，薄弱带的倾斜度、厚度和强度，以及上覆土的强度。它们对边坡稳定性的影响通过将概率点估计方法与有限元方法相结合来量化。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。弱区的厚度和强度，以及上覆土的强度。它们对边坡稳定性的影响通过将概率点估计方法与有限元方法相结合来量化。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。弱区的厚度和强度，以及上覆土的强度。它们对边坡稳定性的影响通过将概率点估计方法与有限元方法相结合来量化。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。得出结论，薄弱带的倾角和强度以及水条件是最关键的参数，控制稳定性。这项工作可以支持初步的边坡稳定性分析，并扩展对薄弱带剖面边坡稳定性的知识和理解。

文章亮点

• 边坡稳定性是在具有弱区的土壤剖面上进行的，描述了几个国家的煤矿故障的常见类型。

• 为了模拟和分析问题，解决了具有实际重要性的数值问题。

• 薄弱带的倾角和抗剪强度以及水体条件控制着矿山边坡的稳定性。