基于矸石山邊坡穩定性機理研究

李少華 李少彪 王 強

（1.山西潞安環能公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.山西工程技術學院礦業工程系，山西 陽泉 045000）

在常村煤礦生產中，為降低煤炭中含矸率，提高原煤質量，會把矸石分選提升到地面。隨著礦井服務年限的增加，在露天場地堆置矸石山范圍越來越大，同時對周圍環境和大氣造成一定污染，還易形成滑坡[1-2]。同時國家對環境問題要求的不斷提升，露天矸石山的處理成較大問題。本文擬對常村煤礦矸石山邊坡穩定性和污染治理展開研究。

1 工程概況

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣東部，礦區地勢平坦，交通便利，井田邊界包括路村、上村、北崗等，東鄰王莊井田，西鄰屯留井田。礦區東西寬7.4km，南北長17km。面積約為107km2。矸石山位于煤礦西南處，緊鄰高速公路，見圖1。

圖1 礦井地理位置

矸石山排棄總高度達到120m，屬于大型邊坡，矸石山邊坡一旦出現滑坡將引起較大的人員、經濟損失。因此，常村煤礦采取防護措施對其進行治理。首先，開展矸石山邊坡穩定性評價，預估邊坡穩定性狀態，指導邊坡防護工程措施。其次，矸石山中混雜著大量遺煤，長期暴露在空氣中易發生自燃，對周圍村莊造成較大的環境污染。

2 矸石山滑坡因素分析

2.1 滑坡機理研究

通過現場調研，查明矸石山邊坡排棄情況，總結以往地質工作成果，確定巖土體的物理力學參數，分析邊坡的滑坡模式、滑坡機理及影響因素，對矸石山邊坡進行穩定性評價。根據評價結果，提出有針對性、切實可行的邊坡滑坡預防及治理措施，減少邊坡失穩對礦山正常生產的影響和損失（見圖2）。

圖2 矸石山治理前

矸石山在自身重力作用下逐漸產生壓密和沉降[3-4]，其變形特征主要表現為下沉和裂縫。裂縫規模通常不大，并不會引起矸石山邊坡形狀的劇烈變化。當下沉和裂縫發展成為內部滑坡時，對矸石山形狀產生顯著影響，正常的剝離和采礦作業受到直接或間接的影響。內部滑坡通常由于組成邊坡的破碎土巖物料力學性質較弱，排土工藝不合適或其他外界條件（如外載荷和降雨等）的影響所導致的矸石山劇烈變形現象（見圖3）。

2.2 影響邊坡穩定性的外部因素

常村礦井田位于溫帶季風區，屬于大陸性半干旱季風氣候，據氣象局2009年至2015年資料統計表明：年平均最高氣溫17.1℃，年平均最低氣溫-5.5℃，年平均氣溫10.9℃，極端最高氣溫38.0℃，極端最低氣溫-21.6℃。年平均降水量571.85mm，最大降水量為648.80mm，最小降水量為273.50mm，降水多集中在6、7、8、9四個月。年最大降雨量為2285.1mm。年平均濕度6.55～9.15毫巴，最低1毫巴。年平均初霜期為10月上旬，終霜期為次年4月中旬。年主導風向為西北風，每年春、秋、冬三季多西北風，夏季多東風，一般風為 3～4級。

圖3 矸石山內部滑坡

地下水是一種重要的地質應力，它與邊坡時時刻刻發生著相互作用，這種相互作用不僅使邊坡巖土體的物理、力學性質和化學成分發生改變，同時也使地下水自身的化學成分和物理性質發生變化。據水文實測資料，地下水最大流量6.92m3/s。地表水主要形式為大氣降雨及地表徑流，主要通過沖蝕作用破壞邊坡結構及滲流作用對邊坡內部孔隙水壓力進行改變。地表水的劇烈變化對邊坡的影響往往更具有決定性。通過其他礦山實踐，多數滑坡都發生在大范圍強降雨期。地下水位的劇烈變化也對邊坡穩定性有重要影響。故常村煤礦矸石山邊坡穩定性應考慮到地表水和地下水等外部影響。

2.3 邊坡穩定性

矸石山邊坡穩定性[5]計算方法采用極限平衡法。根據地質結構面形成滑體的邊界條件，對于平面滑動、曲面滑動、楔體滑動等多種滑動模式均有相應的計算公式。

該方法是以莫爾-庫侖抗剪強度理論為基礎，建立滑坡體力或力矩平衡方程，通過一定的假定條件，減少未知量的個數，從而將邊坡穩定的超靜定問題轉化為靜定問題，然后求解方程組，得到邊坡的安全系數。

瑞典條分法是Fellennius于1927年提出的，適用于均質土中圓弧滑面，把安全系數定義為各分條對滑面圓心的抗滑力矩之和與下滑力矩之和的比值，該方法不考慮分條之間力的作用，所以低估了安全系數，適用于淺層的散體邊坡。其數學公式如下：

式中：

Wi-第i塊段滑體所受的重力，kN/m；

αi-第i塊段土滑動面法線與豎直線的夾角，（°）；

ci-第i塊段土的粘聚力，kPa；

li-第i條帶的滑面長度，m；

φi-第i塊段土的內摩擦角，（°）；

i-分析條塊序數，i=1，2，…，n；

n-分塊數。

2.4 數值模擬

矸石山區域下部第四系厚度按照礦區平均厚度確定為70m，巖石力學參數見表1。

表1 巖土體力學參數表

礦山缺少矸石山停排后的現狀圖，為方便邊坡穩定性計算，現場實測典型剖面各關鍵位置現狀坐標，利用三維建模軟件形成典型剖面位置的矸石山排棄現狀圖（圖4）。

圖4 矸石山剖面現狀實測圖

利用GEO-Slope軟件建立矸石山邊坡瑞典條分法計算剖面模型（見圖5）。

圖5 矸石山邊坡計算模型剖面圖

將上述各邊坡模型導入GEO-Slope軟件，利用極限平衡方法，計算矸石山邊坡穩定性。得出的安全系數為1.307，根據相關文獻分析，安全系數＜1.00屬于不穩定狀態，常村礦矸石山排棄場剛剛滿足本滑坡抗滑穩定最小安全系數，矸石山穩定性暫時能夠得到保障。由此可知邊坡極易發生剪切滑移破壞。此外，現場監測表明，該滑坡仍處于緩慢的蠕動滑移狀態，為防止其進一步擴大，影響邊坡穩定性，應盡早進行治理，見圖6。

2.5 矸石山治理

通過分析常村煤礦矸石山邊坡得出其可保持暫時穩定，但考慮地表水和地下水等因素的影響，同時到考慮到矸石山長期暴露在露天環境中遺煤自燃、空氣污染等問題，故采用矸石山三級緩坡分層碾壓的方式，提升邊坡的穩定性。同時其表面覆蓋黃土，邊坡硬化，從而達到隔絕空氣和覆蓋遺煤的作用。其治理效果達到預期要求，對周圍空氣起到凈化作用，見圖7。

圖6 矸石山穩定性計算結果剖面圖

圖7 矸石山治理后

3 結論

通過利用GEO-Slope軟件和理論計算分析研究矸石山邊坡穩定性，得到矸石山邊坡的穩定性安全系數為1.307，基本滿足邊坡穩定性要求。但考慮到露天場在地下水和地表水的共同影響下，矸石山依舊存在滑坡的可能性，同時為實現凈化空氣環境的目的進行黃土覆蓋，分層處理，提升邊坡穩定性。