李少華 李少彪 王 強(qiáng)

（1.山西潞安環(huán)能公司常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西工程技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程系，山西 陽(yáng)泉 045000）

在常村煤礦生產(chǎn)中，為降低煤炭中含矸率，提高原煤質(zhì)量，會(huì)把矸石分選提升到地面。隨著礦井服務(wù)年限的增加，在露天場(chǎng)地堆置矸石山范圍越來(lái)越大，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境和大氣造成一定污染，還易形成滑坡[1-2]。同時(shí)國(guó)家對(duì)環(huán)境問(wèn)題要求的不斷提升，露天矸石山的處理成較大問(wèn)題。本文擬對(duì)常村煤礦矸石山邊坡穩(wěn)定性和污染治理展開(kāi)研究。

1 工程概況

常村煤礦位于山西省長(zhǎng)治市屯留縣東部，礦區(qū)地勢(shì)平坦，交通便利，井田邊界包括路村、上村、北崗等，東鄰?fù)跚f井田，西鄰?fù)土艟?。礦區(qū)東西寬7.4km，南北長(zhǎng)17km。面積約為107km2。矸石山位于煤礦西南處，緊鄰高速公路，見(jiàn)圖1。

圖1 礦井地理位置

矸石山排棄總高度達(dá)到120m，屬于大型邊坡，矸石山邊坡一旦出現(xiàn)滑坡將引起較大的人員、經(jīng)濟(jì)損失。因此，常村煤礦采取防護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行治理。首先，開(kāi)展矸石山邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，預(yù)估邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，指導(dǎo)邊坡防護(hù)工程措施。其次，矸石山中混雜著大量遺煤，長(zhǎng)期暴露在空氣中易發(fā)生自燃，對(duì)周圍村莊造成較大的環(huán)境污染。

2 矸石山滑坡因素分析

2.1 滑坡機(jī)理研究

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，查明矸石山邊坡排棄情況，總結(jié)以往地質(zhì)工作成果，確定巖土體的物理力學(xué)參數(shù)，分析邊坡的滑坡模式、滑坡機(jī)理及影響因素，對(duì)矸石山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，提出有針對(duì)性、切實(shí)可行的邊坡滑坡預(yù)防及治理措施，減少邊坡失穩(wěn)對(duì)礦山正常生產(chǎn)的影響和損失（見(jiàn)圖2）。

圖2 矸石山治理前

矸石山在自身重力作用下逐漸產(chǎn)生壓密和沉降[3-4]，其變形特征主要表現(xiàn)為下沉和裂縫。裂縫規(guī)模通常不大，并不會(huì)引起矸石山邊坡形狀的劇烈變化。當(dāng)下沉和裂縫發(fā)展成為內(nèi)部滑坡時(shí)，對(duì)矸石山形狀產(chǎn)生顯著影響，正常的剝離和采礦作業(yè)受到直接或間接的影響。內(nèi)部滑坡通常由于組成邊坡的破碎土巖物料力學(xué)性質(zhì)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(dǎo)致的矸石山劇烈變形現(xiàn)象（見(jiàn)圖3）。

2.2 影響邊坡穩(wěn)定性的外部因素

常村礦井田位于溫帶季風(fēng)區(qū)，屬于大陸性半干旱季風(fēng)氣候，據(jù)氣象局2009年至2015年資料統(tǒng)計(jì)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(gè)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(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，每年春、秋、冬三季多西北風(fēng)，夏季多東風(fēng)，一般風(fēng)為 3～4級(jí)。

圖3 矸石山內(nèi)部滑坡

地下水是一種重要的地質(zhì)應(yīng)力，它與邊坡時(shí)時(shí)刻刻發(fā)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(xué)性質(zhì)和化學(xué)成分發(fā)生改變，同時(shí)也使地下水自身的化學(xué)成分和物理性質(zhì)發(fā)生變化。據(jù)水文實(shí)測(cè)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(guò)沖蝕作用破壞邊坡結(jié)構(gòu)及滲流作用對(duì)邊坡內(nèi)部孔隙水壓力進(jìn)行改變。地表水的劇烈變化對(duì)邊坡的影響往往更具有決定性。通過(guò)其他礦山實(shí)踐，多數(shù)滑坡都發(fā)生在大范圍強(qiáng)降雨期。地下水位的劇烈變化也對(duì)邊坡穩(wěn)定性有重要影響。故常村煤礦矸石山邊坡穩(wěn)定性應(yīng)考慮到地表水和地下水等外部影響。

2.3 邊坡穩(wěn)定性

矸石山邊坡穩(wěn)定性[5]計(jì)算方法采用極限平衡法。根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)面形成滑體的邊界條件，對(duì)于平面滑動(dòng)、曲面滑動(dòng)、楔體滑動(dòng)等多種滑動(dòng)模式均有相應(yīng)的計(jì)算公式。

該方法是以莫爾-庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，建立滑坡體力或力矩平衡方程，通過(guò)一定的假定條件，減少未知量的個(gè)數(shù)，從而將邊坡穩(wěn)定的超靜定問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題，然后求解方程組，得到邊坡的安全系數(shù)。

瑞典條分法是Fellennius于1927年提出的，適用于均質(zhì)土中圓弧滑面，把安全系數(shù)定義為各分條對(duì)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(shù)，適用于淺層的散體邊坡。其數(shù)學(xué)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(dòng)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(zhǎng)度，m；

φi-第i塊段土的內(nèi)摩擦角，（°）；

i-分析條塊序數(shù)，i=1，2，…，n；

n-分塊數(shù)。

2.4 數(shù)值模擬

矸石山區(qū)域下部第四系厚度按照礦區(qū)平均厚度確定為70m，巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土體力學(xué)參數(shù)表

礦山缺少矸石山停排后的現(xiàn)狀圖，為方便邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)典型剖面各關(guān)鍵位置現(xiàn)狀坐標(biāo)，利用三維建模軟件形成典型剖面位置的矸石山排棄現(xiàn)狀圖（圖4）。

圖4 矸石山剖面現(xiàn)狀實(shí)測(cè)圖

利用GEO-Slope軟件建立矸石山邊坡瑞典條分法計(jì)算剖面模型（見(jiàn)圖5）。

圖5 矸石山邊坡計(jì)算模型剖面圖

將上述各邊坡模型導(dǎo)入GEO-Slope軟件，利用極限平衡方法，計(jì)算矸石山邊坡穩(wěn)定性。得出的安全系數(shù)為1.307，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)分析，安全系數(shù)＜1.00屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，常村礦矸石山排棄場(chǎng)剛剛滿足本滑坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，矸石山穩(wěn)定性暫時(shí)能夠得到保障。由此可知邊坡極易發(fā)生剪切滑移破壞。此外，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，該滑坡仍處于緩慢的蠕動(dòng)滑移狀態(tài)，為防止其進(jìn)一步擴(kuò)大，影響邊坡穩(wěn)定性，應(yīng)盡早進(jìn)行治理，見(jiàn)圖6。

2.5 矸石山治理

通過(guò)分析常村煤礦矸石山邊坡得出其可保持暫時(shí)穩(wěn)定，但考慮地表水和地下水等因素的影響，同時(shí)到考慮到矸石山長(zhǎng)期暴露在露天環(huán)境中遺煤自燃、空氣污染等問(wèn)題，故采用矸石山三級(jí)緩坡分層碾壓的方式，提升邊坡的穩(wěn)定性。同時(shí)其表面覆蓋黃土，邊坡硬化，從而達(dá)到隔絕空氣和覆蓋遺煤的作用。其治理效果達(dá)到預(yù)期要求，對(duì)周圍空氣起到凈化作用，見(jiàn)圖7。

圖6 矸石山穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果剖面圖

圖7 矸石山治理后

3 結(jié)論

通過(guò)利用GEO-Slope軟件和理論計(jì)算分析研究矸石山邊坡穩(wěn)定性，得到矸石山邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.307，基本滿足邊坡穩(wěn)定性要求。但考慮到露天場(chǎng)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(shí)為實(shí)現(xiàn)凈化空氣環(huán)境的目的進(jìn)行黃土覆蓋，分層處理，提升邊坡穩(wěn)定性。