趙國貞，呂義清，關(guān)軍琪，劉 超，王 帥

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 原位改性采礦教育部重點實驗室，山西 太原 030024)

煤矸石是煤礦在采煤和洗煤過程中排放的固體廢物，是一種在成煤過程中與煤層伴生的含碳量較低、比煤堅硬的黑灰色巖石[1]。2019年我國原煤產(chǎn)量為38.5億t，煤炭消費量占能源消費總量的57.7%，煤矸石產(chǎn)量占原煤產(chǎn)量的10%～30%[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國煤矸石累計堆存量超過60億t，并且以5億～8億t/a的排放量逐年增加[3]。大量的矸石堆積形成矸石山，不僅會占用大片土地，而且煤矸石中硫化物的逸出或浸出會污染大氣、農(nóng)田和水體。矸石山還會自燃發(fā)生火災(zāi)，在雨季容易發(fā)生崩塌，淤塞河流等造成災(zāi)難性后果[4-6]。目前，國內(nèi)外對于矸石山生態(tài)修復(fù)的研究主要集中在矸石山生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)和邊坡的穩(wěn)定性分析方面。生態(tài)修復(fù)不僅要考慮植被的選種和長期存活，同時要考慮灌溉和蓄水等問題[7，8]。生態(tài)修復(fù)后的邊坡穩(wěn)定性分析不僅需要分析邊坡的組成、坡度、排水、擋墻等因素的影響，同時還要考慮地震、降雨等自然因素的影響[9-11]。矸石山存在多種失穩(wěn)模式，顏榮貴等人進行了大量研究[12-15]。因此，矸石山的生態(tài)修復(fù)和邊坡的穩(wěn)定性不僅是個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時又是協(xié)調(diào)統(tǒng)一的。以山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司礦區(qū)內(nèi)的底山村矸石山的生態(tài)修復(fù)工程為背景，運用理論分析、數(shù)值模擬對多種工況下矸石山邊坡的穩(wěn)定性進行了對比研究，揭示地震、降雨等自然因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

底山村矸石山位于礦井工業(yè)場地南約300m的自然荒溝，該溝南北走向，地形北高南低，長約280m，寬約110m，深約30m，占地面積3.08hm2，容積92.4萬m3。底山村矸石山所在區(qū)域地貌類型為中山丘陵區(qū)，黃土沖溝比較發(fā)育，場地縱向地形起伏較大，匯水面積118400m2。矸石溝植被覆蓋率約為20%，以灌木和荒草叢為主，灌木主要有沙棘、荊條和繡線菊等，草本以白羊草、黃背草、白蓮蒿等蒿類和禾本科草為主。

治理前底山村矸石山存在的問題：①矸石堆自然裸露，未進行分層碾壓、覆土等治理措施，在有風(fēng)情況有大量揚砂揚塵現(xiàn)象；②矸石山堆放坡度較大(大于40°)，不能長期穩(wěn)定堆放，易引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害；③矸石場調(diào)查發(fā)現(xiàn)無周邊截水溝、馬道截水溝(橫向)、縱向排水溝；④邊坡坡面有雨水沖刷的痕跡，有水土流失現(xiàn)象；⑤運矸道路為土質(zhì)路面，未進行硬化，運輸車輛經(jīng)過產(chǎn)生大量揚塵；⑥攔矸壩和排洪涵洞未建設(shè)完成；⑦附近村民經(jīng)常出入，存在安全隱患。

2 底山村矸石山生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)措施

1)排水涵洞：排水涵洞為內(nèi)徑1.8m的鋼筋混凝土管涵，管涵下墊C25混凝土墊層和M10水泥砂漿MU40片石。涵洞長度約為297m，最大坡度0.26，可將上游匯水引導(dǎo)匯入擋矸墻外消力池。涵洞排水能力為8.92m3/s，大于30年一遇的洪峰流量8.74m3/s，滿足矸石場防洪要求。

2)攔矸壩：在矸石溝溝口設(shè)置重力式漿砌石攔矸壩一座，斷面高8.0m，其中基礎(chǔ)埋深3.0m，頂寬2.91m，長50m。用M10水泥砂漿MU40片石砌筑，外露面用M10水泥砂漿勾縫、抹帶。為了排除堆場內(nèi)的部分滲水，在擋墻上每隔2m設(shè)置10cm×10cm的PVC排水孔，呈梅花型布置。

3)消力池：在攔矸壩下游設(shè)漸變段和消力池，減少匯水對下游溝道的沖刷，采用M7.5水泥砂漿MU30片石砌筑。漸變段平面為梯形，長7.5m，流入口寬2.0m，與消力池連接口寬4.0m，池深0.27m，壁厚0.8m；消力池平面為矩形，長6.0m，寬4.0m，池深0.27m，壁厚0.8m。

4)矸石堆砌工程：矸石邊坡以1∶2的坡度放坡，一期垂高為5m，二期垂高為6.5m，三期垂高為6.5m，最終形成平臺。矸石堆砌從已有的擋矸墻位置開始形成第一個馬道，然后放坡，以此類推，堆存矸石量約5～6萬m3。堆砌矸石臺階過程中形成馬道，同時形成橫向中間略高和縱向內(nèi)側(cè)略低的流水坡，防止臺階雨水沖刷馬道和滯留浸泡馬道。堆砌后，整坡、修坡、壓路機將馬道壓實，壓實標(biāo)準(zhǔn)為K滲=1×10-5m/s，防止矸石沉降，并用挖掘機將坡面拍實。

5)封閉隔離工程(防火、防滲、防淋溶)：采用專用機械設(shè)備噴涂施工工藝對矸石山表面進行先坡面后馬道，由下及上逐步封閉。選用封閉隔離材料對矸石山進行全面封閉，封閉隔離厚度12～20mm，該隔離層具有防滲、防透氣、抗壓、抗拉、阻燃、耐久等性能。通過封閉隔離，可封堵漏風(fēng)通道，防止煤矸石自燃；減少有害氣體散發(fā)，阻斷有毒有害氣體向上遷移；防止矸石氧化和風(fēng)化；防止雨水下滲，污染土壤和地下水。

6)覆土工程：當(dāng)封閉隔離層固化后，采用挖掘機配合自卸車從周邊指定取土點拉運黃土，覆蓋于封閉隔離層上，馬道覆土厚度1000mm，斜坡覆土厚度300mm，用挖掘機對斜坡土質(zhì)進行穩(wěn)固，防止滑坡。

7)排水工程：排水系統(tǒng)設(shè)計包括馬道橫向排水溝和截水邊溝。馬道排水溝設(shè)置在馬道內(nèi)側(cè)，與周邊截水溝相連，排水溝采用300mm×300mm(寬×高)的柔性材料。為了防止矸石場坡面產(chǎn)流因排泄不暢沖蝕矸石，在矸石場四周上修建截水邊溝，將坡面匯水引入矸石場下游。矸石場坡面以上的雨水通過馬道排水溝收集，流入周邊截水溝，匯集后流入下游河道。周邊截水溝采用漿砌石排水溝，采用底寬1.0m，水深1.2m，坡比為1∶1的漿砌石梯形斷面結(jié)構(gòu)。

8)構(gòu)建營養(yǎng)層：在黃土上噴射營養(yǎng)泥漿，噴射厚度為100mm。泥漿中的有機質(zhì)能夠促進土壤熟化，促進生物的生長，為植物提供持續(xù)養(yǎng)分。

9)植被恢復(fù)：恢復(fù)植被選擇耐寒性植物，選用三種根系發(fā)達、耐貧瘠、耐寒、耐旱、耐踩踏、多年生的草本植物混播。為實現(xiàn)植物自然演替，再混播一種灌木，此次矸石山草種選用高羊茅、早熟禾、黑麥草，灌木選用紫穗槐。選擇三種精選草種混播的目的是實現(xiàn)三季長青，四季常綠，將矸石場生態(tài)恢復(fù)為一處景觀，起到示范樣板作用，改善煤礦形象。在營養(yǎng)層上噴播植被層，采用專用噴播機將噴播材料噴播到營養(yǎng)層表面，植被層由天然纖維、有機肥、植物種子等組成，噴播厚度5～15mm。

2.2 矸石山生態(tài)修復(fù)現(xiàn)狀

經(jīng)治理后，底山村矸石山形成8級馬道，坡度為1∶2，矸石臺階堆砌前6級為每5m一個馬道臺階，第7級和第8級為6.5m一個馬道臺階，最上部形成多個平臺。第一級臺階南側(cè)設(shè)有重力式擋渣墻；隔絕層為全面噴射，厚度為12～20mm；馬道覆土厚度為1.0m，邊坡覆土厚度為0.3m；馬道內(nèi)側(cè)設(shè)計排水溝，排水系統(tǒng)采用柔性材料排水；植被以噴播植草為主，人工栽種為輔，并設(shè)有后期養(yǎng)護措施。

3 矸石山邊坡穩(wěn)定性理正計算

3.1 計算方法

穩(wěn)定性計算采用傳遞系數(shù)法，其基本原理是滑體任一條塊上平行于滑面的下滑力與抗滑力之差為剩余推力，剩余推力自上而下逐塊向下傳遞，假定最后一塊的剩余推力為0，建立極限平衡方程，從而求得穩(wěn)定系數(shù)。按《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2009)條文說明中的公式進行邊坡防治穩(wěn)定性系數(shù)計算，滑體各條塊受力分析如圖1所示。

計算采用理正巖土軟件中的理正邊坡穩(wěn)定分析軟件，采用“圓弧”型滑面計算安全系數(shù)，計算方法選用瑞典條分法，土體應(yīng)力采用總應(yīng)力法計算。

式中，K為整個滑體剩余下滑力計算的安全系數(shù)；l為單個土條的滑動面長度(m)，l=b/cosθ；W為條塊重力(kN)，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；θ為塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角(°)；C、φ為土的抗剪強度指標(biāo)，采用總應(yīng)力法時，取總應(yīng)力指標(biāo)，采用有效應(yīng)力法時，取有效應(yīng)力指標(biāo)。

本次穩(wěn)定性計算考慮以下三種工況：工況一，僅受到自重影響的天然工況；工況二，同時受到自重和地震影響；工況三，同時受到自重和降雨影響。

長治市長治縣抗震設(shè)防烈度為7°，設(shè)計基本地震動峰值加速度為0.10g。在考慮地震對邊坡穩(wěn)定性的影響時，僅考慮水平向地震力產(chǎn)生的影響，包括水平地震力產(chǎn)生的抗滑及下滑作用。

水平地震力對抗滑力的貢獻：

ΔT=-Esisinθitanφi

(1)

式中，Esi為作用于第i個土條的水平地震力，kN；θi為條塊i的重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)；φi為條塊i滑弧通過土層的內(nèi)摩擦角，(°)；ΔT為水平地震力對滑弧的抗滑作用(作用方向為滑動反方向)，kN。

水平地震力對下滑力的作用：

ΔP=Mc/R

Mc=Esi(yc-yE)

(2)

式中，Esi為作用于第i個土條的水平地震力，kN；P為水平地震力對滑弧的下滑作用(作用方向為滑動方向)，kN；R為滑弧半徑，m；Mc為地震力矩，kN·m；yc為圓心y坐標(biāo)，m；yE為地震力作用位置y坐標(biāo)，m。

3.2 計算剖面選擇及模型建立

底山村矸石山平面如圖2所示。

圖2 底山村矸石山平面

在圖2中，在邊坡平面上選擇4個典型剖面4-1’，4-2’，4-3’，4-4’作為計算分析的剖面，如圖3所示。

圖3 底山村矸石山計算剖面

3.3 計算結(jié)果

采用理正軟件進行計算，土體參數(shù)見表1，計算結(jié)果見表2。

表1 穩(wěn)定性計算土體參數(shù)建議表

表2 穩(wěn)定性計算成果表

經(jīng)理論計算，4-1’，4-2’，4-3’，4-4’剖面在三種工況下均處于穩(wěn)定狀態(tài)，矸石山邊坡可能會有局部的輕微變形。底山村矸石山各個剖面的最危險滑動面位置有所差異，但受影響范圍基本限于表層覆土和煤矸石層。在地震和降雨工況下，矸石山邊坡安全系數(shù)有所下降，降雨工況下下降較明顯，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 矸石山邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬計算

從理正計算結(jié)果中選取底山村矸石山中穩(wěn)定系數(shù)較低的4-2’剖面，運用MIDAS GTS NX 有限元模擬軟件對比分析自然工況和降雨工況下矸石山邊坡的位移場和應(yīng)力場。

4.1 數(shù)值計算模型建立

建立二維數(shù)值模擬模型，模型巖體主要包括：表層覆土、煤矸石、原始土層、砂巖，模擬其在天然工況下的位移變化和應(yīng)力分布情況，計算模型如圖4所示。

圖4 4-2’剖面數(shù)值模擬模型

模型的力學(xué)邊界條件采用左右(X方向)、底面(Y方向)約束。模型計算采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)屈服條件的彈塑性模型。

巖土參數(shù)是影響邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的重要影響因素之一[16]。土體參數(shù)采用經(jīng)驗值，所有取值均與理論計算中取值相同。物理力學(xué)參數(shù)取值見表3。

表3 物理力學(xué)參數(shù)取值

4.2 數(shù)值計算結(jié)果對比分析

4.2.1 天然工況數(shù)值模擬計算

使用MIDAS GTS NX軟件中的邊坡穩(wěn)定(SRM)法計算得，在天然工況下，4-2’剖面的數(shù)值模擬穩(wěn)定性系數(shù)為2.184，略大于理正計算的安全系數(shù)2.099，數(shù)值模擬結(jié)果中變形較大區(qū)域與理正計算所得的最危險滑動面位置基本一致，數(shù)值模擬變形較大區(qū)域略大于最危險滑動面，數(shù)值模擬位移結(jié)果如圖5所示。

圖5 4-2’剖面數(shù)值模擬總位移(天然工況)

4-2’剖面天然工況數(shù)值模擬位移云圖結(jié)果顯示：模型最大總位移位于擋墻下方坡腳處，位移量為0.131m；水平方向最大位移位于擋墻下方坡腳處，位移量為0.106m；豎直方向向下最大位移為0.082m，位于擋墻下方坡腳處，說明坡腳處會產(chǎn)生輕微的向上隆起，位移量為0.082m。結(jié)果表明矸石邊坡的破壞形式與土質(zhì)邊坡破壞形式具有相似性，土質(zhì)邊坡的破壞模式一般為物料坡體內(nèi)部的圓弧滑動破壞[17]。

4-2’剖面天然工況數(shù)值模擬應(yīng)力分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 4-2’ 剖面數(shù)值模擬模擬水平方向應(yīng)力(天然工況)

圖7 4-2’ 剖面數(shù)值模擬模擬豎直方向應(yīng)力(天然工況)

4-2’剖面數(shù)值模擬應(yīng)力云圖結(jié)果顯示：模型坡體水平方向和豎直方向最大應(yīng)力值均位于擋墻墻腳處，但兩個應(yīng)力值均很小，對擋墻穩(wěn)定性影響較小。

4.2.2 降雨工況數(shù)值模擬計算

使用MIDAS GTS NX軟件中的邊坡穩(wěn)定(SRM)法計算得，降雨工況使用飽和狀態(tài)下的巖土體參數(shù)進行計算。在降雨工況下，4-2’剖面的數(shù)值模擬穩(wěn)定性系數(shù)為1.583，略大于理正計算的安全系數(shù)1.380，數(shù)值模擬結(jié)果中變形較大區(qū)域與理正計算所得的最危險滑動面位置基本一致，變形較大區(qū)域略大于最危險滑動面范圍，位移結(jié)果如圖8所示。

圖8 4-2’剖面數(shù)值模擬總位移(降雨工況)

4-2’剖面降雨工況位移云圖結(jié)果顯示：最大總位移依然位于擋墻下方坡腳處，位移量為0.383m；水平方向最大位移位于擋墻下方坡腳處，位移量為0.339m；豎直方向位移云圖顯示坡腳向上隆起位移0.248m。各方向位移值雖然仍然較小，但是相比天然工況位移量有明顯增加，說明降雨對邊坡穩(wěn)定性影響較大。

4-2’剖面降雨工況數(shù)值模擬應(yīng)力分布情況如圖9、圖10所示。

圖9 4-2’剖面數(shù)值模擬模擬水平方向應(yīng)力(降雨工況)

圖10 4-2’剖面數(shù)值模擬模擬豎直方向應(yīng)力(降雨工況)

4-2’剖面降雨工況應(yīng)力云圖結(jié)果顯示：模型坡體水平方向和豎直方向最大應(yīng)力值均位于擋墻墻腳處，但兩個應(yīng)力值相對天然工況下結(jié)果有明顯增加。說明降雨降低了巖土體及矸石的力學(xué)性質(zhì)，含水率提高使邊坡巖土體的強度參數(shù)降低，進而降低了邊坡的穩(wěn)定性[18]。同時雨水自身的重度也會使擋墻附近應(yīng)力增大。

5 結(jié) 論

1)通過理正計算分析得到：底山村矸石山邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，矸石山各個剖面的最危險滑動面位置有所差異，但受影響范圍基本限于表層覆土和煤矸石層。

2)對比分析天然、地震、降雨工況下邊坡的穩(wěn)定性：在地震和降雨工況下，矸石山邊坡安全系數(shù)較天然工況有所下降，降雨工況下下降較明顯，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)MIDAS GTS NX有限元模擬軟件對天然工況和降雨工況矸石山邊坡的位移場和應(yīng)力場進行了分析，結(jié)果表明：在天然工況下，底山村矸石山邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但坡體可能有輕微變形，坡頂有輕微下沉，坡腳有輕微隆起，坡腳和擋墻底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；降雨工況下，坡體雖然仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但坡體位移及應(yīng)力均有明顯增加，應(yīng)加強雨季監(jiān)測。