某礦區矸石山穩定性分析研究

黃 玉 生

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

我國是一個煤炭生產大國，煤炭作為經濟發展的重要能源，發揮著不可替代的作用。近些年，國內煤炭資源開采速度不斷加快，且產量已經多年位居世界第一[1,2]。煤炭在開采和加工過程中不可避免地產生煤矸石，煤矸石作為一種固體廢棄物，對生態環境必然會造成一定程度上的破壞。煤矸石露天堆放給人類和自然環境造成的危害和損失十分巨大，主要包括環境污染及地質災害等[3,4]。矸石山的問題由來已久，但大多數研究都集中于煤矸石的自燃和風化，對煤矸石堆體的穩定性分析研究相對較少[5,6]。本文對矸石山穩定性進行深入分析研究，對今后研究其他同類條件的矸石山穩定性問題有一定的參考價值。

1 矸石山穩定性影響因素分析

矸石山是巷道掘進、采煤及洗選過程中排棄的巖石碎塊堆積而成，其自身結構或者外部條件都和矸石山基底的原狀土巖不同，而其穩定性也與一般的巖土質邊坡有所區別。通過對矸石山失穩模式的分析，可以基本確定矸石山穩定性主要取決于矸石散體的物理力學性質、矸石堆物料結構、降雨入滲及堆積方式等。

1)矸石散體物理力學性質是影響矸石山穩定性的最主要因素，其主要包含矸石堆物的成分、結構和含水量，還涉及到以上因素對矸石山力學性質的影響。

2)矸石堆物料結構主要包含矸石堆物料中巖塊的形狀、顆粒度、堆積密度及排列方式等。對于堆積巖塊形狀來說，采煤或者巷道掘進產生的煤矸石形狀大多呈棱角形，但是經過堆放過程散體塊體相互碰撞或者塊體風化后，則可能變成橢圓形或者圓形。顆粒的排列關系到煤矸石散體的分層或分帶以及不同粒徑的相互比例等。因此矸石堆物料的結構對矸石山穩定性影響非常嚴重[7,8]。

3)矸石山由于其散體結構特性，其內部存在豐富的縫隙，為孔隙水創造了流通途徑，從而加速內部矸石塊體發生風化，而矸石山內部水分主要來源于自然降雨，因此，降雨對矸石山的穩定性影響較大。

4)煤矸石散體以不同的堆放形式、排列方式及緊密程度形成了矸石山，因此矸石散體的堆放形式也是影響矸石山穩定性的重要因素。

矸石山穩定性分析時必須充分考慮以上各種因素，此外，還需注意矸石山失穩時滑塌破壞是由內部滑動、接觸面滑動、軟弱基底破壞哪種方式造成的，也是分析矸石山失穩的一項重要指標。

2 煤矸石物理力學參數測定

根據《巖土工程勘察規范》相關要求，在礦區矸石山及其附近進行現場取樣，在室內進行矸石山及矸石山周圍地層的物理力學特性使用研究。試驗內容主要包括密度和含水量測定、剪切試驗、固結試驗、壓縮試驗、顆粒分析試驗等。室內試驗嚴格按照GB/T 50266—2013工程巖體試驗方法標準及GB 50123—1999土工試驗方法標準的有關要求進行操作和資料整理。試驗得到主要物理力學指標值見表1，表2。

表1 場地矸石層主要物理力學指標

3 矸石山穩定性理論分析

穩定性分析首先必需確定煤矸石山滑移線。結合表1,表2煤矸石物理力學參數，通過FLAC數值模擬得到邊坡滑移面。由于降雨對煤矸石山邊坡穩定性產生影響，故這里計算分為兩種工況。

工況一：不降雨下煤矸石山的穩定性；

工況二：降雨下煤矸石山(飽和含水狀態)下的穩定性。

1)確定滑移線。

借助FLAC數值計算確定滑移線，此處以Ⅰ區域矸石山穩定性系數計算結果為例。根據圖1擬確定Ⅰ區域矸石山滑移線，如圖2所示。

表2 場地素填土及原狀土主要物理力學指標

2)矸石山滑動體分割。

根據現有理論可知，進行矸石山穩定性分析時，首先要將滑動體劃分為多個傾斜條塊，當條塊數量多且其寬度足夠小時，就可以將條塊與滑動線之間的曲線看作是直線，如此一來，就能夠用點來控制滑動面。根據以上分析，這里將I區域矸石山滑移面劃分為19塊，如圖3所示。

3)安全系數求解。

根據塑性極限分析法上限解求解公式，結合礦區矸石山現場情況及物理力學參數，最終求解得到6個區域矸石山分別在天然含水與飽和含水狀態下的穩定性系數，如表3所示。

表3 各區域矸石山穩定性系數極限分析上限法求解結果

從表3可以看出，各個區域矸石山在天然含水狀態(非下雨)下穩定性系數均大于1.05，依據GB 50330—2013建筑邊坡工程技術規范，可以確定各區域矸石山均處于穩定狀態，但是Ⅰ區域及Ⅱ區域矸石山在飽和含水狀態(降雨)下的安全系數均小于1.05，屬于欠穩定狀態，Ⅴ區域安全系數接近1.05，穩定性不強，均需要進行治理。

4 結語

1)結合某礦區矸石山現場情況，分析影響矸石山穩定性的各種影響因素，得到矸石散體物理力學性質是影響矸石山穩定性的主要因素。

2)通過現場取樣、室內試驗，得到場地矸石層及素填土、原狀土的主要物理力學指標，為分析矸石山穩定性提供有效依據。

3)采用極限分析上限法求解結果，得到各個區域矸石山在天然含水狀態(非下雨)下穩定性系數均大于1.05，可以確定各區域矸石山均處于穩定狀態。

4)Ⅰ，Ⅲ區域矸石山在飽和含水狀態(降雨)下的安全系數均小于1.05，屬于欠穩定狀態；Ⅱ區域安全系數接近1.05，穩定性不強。因此礦區矸石山均需要進行治理。