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        矸石山穩(wěn)定性分析及治理工程設(shè)計

        2021-11-12 09:54:20崔彥鵬
        山西化工 2021年5期
        關(guān)鍵詞:屯蘭南梁煤矸石

        崔彥鵬

        (西山煤電屯蘭礦,山西 古交 030200)

        引 言

        煤炭是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵動力,隨著綜采工藝及綜采設(shè)備自動化水平的不斷提升,煤炭生產(chǎn)能力不斷提升。煤炭的高效開采在助力我國經(jīng)濟快速的發(fā)展的同時,還帶來了多種生態(tài)問題,包括地面塌陷、地下水流失、煤矸石污染等。

        煤矸石為煤炭開采的附屬產(chǎn)物,其大多數(shù)被儲存于荒山中。煤矸石的大量堆積會造成所在區(qū)域生產(chǎn)力下降,周邊區(qū)域地下水被污染、大氣環(huán)境被污染;而且,當(dāng)煤矸石堆積過高時容易出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著公共社會的安全[1]。因此,對于煤矸石而言除了需采用適當(dāng)?shù)氖侄螌ζ涮幚硗?,還需對其穩(wěn)定性進行分析并對應(yīng)性的提出治理措施。本文將針對矸石山的穩(wěn)定性進行分析,并完成矸石山治理工程的設(shè)計。

        1 工程概況

        山西焦煤有限責(zé)任公司屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km處,距太原市60 km,地理坐標(biāo):經(jīng)度112°29′26″,緯度37°50′42″。

        礦井于1988年開工建設(shè),1997年10月31日建成并開始試生產(chǎn),2002年10月正式投產(chǎn),原設(shè)計生產(chǎn)400萬t/a,核定生產(chǎn)能力為450萬t/a。井田面積64.49 km2,主要煤種有焦煤(61.1%)、瘦煤(26.7%)、肥煤(11.1%)和少量貧煤。礦井采用“兩斜一立”綜合開拓方式,實現(xiàn)了綜采綜掘,采掘機械化率達(dá)到了100%。

        南梁矸石山2012年已完成生態(tài)恢復(fù)治理進行了封場,并交付當(dāng)?shù)剞r(nóng)民使用。屯蘭礦現(xiàn)正在使用的矸石山為周寨溝矸石山,2012年6月開始服役,至今已排矸7年,形成13個平臺,矸石累計堆積量800萬t。矸石山治理采取“由內(nèi)而外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防擴散、防自燃”的原則堆放矸石,防止出現(xiàn)自燃和爆炸。以南梁矸石山為例開展一系列研究,包括對其穩(wěn)定性進行分析,并提出相應(yīng)的治理工程。

        2 矸石山地質(zhì)條件及穩(wěn)定性分析

        2.1 矸石山地質(zhì)條件分析

        煤矸石山的穩(wěn)定性分析需充分結(jié)合所對堆放煤矸石周邊區(qū)域的地理條件和工程地質(zhì)條件。其中,地理條件主要與當(dāng)?shù)氐臍庀蠛退臈l件相關(guān);而地質(zhì)條件主要與周邊區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、地震及不良地質(zhì)現(xiàn)象以及其他人類工程活動等相關(guān)[2]。其中,影響煤矸石山穩(wěn)定的主要因素為工程地質(zhì)條件。南梁矸石山所處區(qū)域的地層巖層,如第90頁表1所示。

        結(jié)合對矸石山所在區(qū)域水文地質(zhì)條件的勘測結(jié)果,該區(qū)域的含水類型包括有孔隙水和巖溶裂隙水。其中,孔隙水主要與當(dāng)?shù)氐慕邓亢晚肥降臐B透系數(shù)相關(guān)。南梁矸石山的滲透系數(shù),如第90頁表2所示。

        經(jīng)分析表2所測得南梁矸石山的滲透系數(shù)可知,南梁矸石山的滲透性較好,且其相對應(yīng)的儲水性能較差。此外,結(jié)合對南梁矸石山鉆孔的簡易水位觀測,該矸石層無統(tǒng)一水位。

        綜合南梁矸石山巖溶裂隙水的鉆探結(jié)果可知,矸石山中所出現(xiàn)的溶蝕裂隙的直徑很小,且未發(fā)現(xiàn)其他的溶洞和落水洞等情況。因此,南梁矸石山的水文地質(zhì)相對簡單。

        2.2 矸石山穩(wěn)定性分析

        經(jīng)對現(xiàn)階段南梁矸石山的外形進行初步觀測可知,該矸石山南、北、西三側(cè)的矸石處于外露狀態(tài),其穩(wěn)定較好;而矸石山東側(cè)的坡度較大,穩(wěn)定性極差[3]。因此,本文主要以矸石山的東側(cè)為例開展研究。

        表1 南梁矸石山地層巖性分析

        表2 南梁矸石山滲透系數(shù)

        此外,結(jié)合對南梁矸石山的地質(zhì)條件的勘測結(jié)果,其安全隱患主要源于矸石山可能沿基巖面產(chǎn)生滑動和矸石山東側(cè)發(fā)生滑坡。因此,針對矸石山存在沿基巖面滑動的問題,采用折線法對矸石山整體穩(wěn)定性進行分析;而針對矸石山存在從內(nèi)部剪出的隱患,采用圓弧法對矸石山東坡的穩(wěn)定性進行分析。在實際穩(wěn)定性分析中,將矸石山在天然狀態(tài)和暴雨狀態(tài)下的安全系數(shù)均取為1.25,并根據(jù)煤矸石山的實際勘測所得矸石的參數(shù)對室內(nèi)模型參數(shù)進行模擬計算。計算結(jié)果,如表3所示。

        表3 南梁矸石山穩(wěn)定性計算結(jié)果

        經(jīng)對南梁矸石山采用折線法對其整體穩(wěn)定性進行分析可知,其各個剖面的平均系數(shù)為1.45,大于其在天然和暴雨季的安全值。故,可知南梁矸石山整體穩(wěn)定性較好不會沿著基巖面發(fā)生滑移現(xiàn)象;

        經(jīng)對南梁矸石山東側(cè)采用圓弧法進行穩(wěn)定性分析可知,一級、二級以及三級矸石山各個剖面在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)小于1.25,即南梁矸石山東側(cè)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

        2.3 矸石山穩(wěn)定性結(jié)果

        經(jīng)對南梁矸石山地質(zhì)條件及周邊區(qū)域調(diào)查分析可知,在現(xiàn)有階段的治理方案下矸石山尚未出現(xiàn)變形和裂縫的情況。鑒于南梁矸石山東側(cè)的坡度較大在雨季的條件下,其內(nèi)部的煤矸石存在被剪出的隱患,存在加大的危害性。

        經(jīng)采用折線法對矸石山整體穩(wěn)定性和圓弧法對矸石山局部穩(wěn)定性進行分析可知,南梁矸石山在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài);而在雨季飽和狀態(tài)下其安全系數(shù)低于1.25處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

        綜上所述,需對南梁矸石山進行合理治理。

        3 矸石山治理工程設(shè)計

        結(jié)合屯蘭煤礦的的實際排矸量和南梁矸石山穩(wěn)定性分析結(jié)果,為有效避免自燃、滑坡等矸石山災(zāi)害事故。主要治理工藝具體如下:

        1) 總體原則:采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚散、防自燃”的原則堆放矸石,防止出現(xiàn)自燃和爆炸[5]。

        2) 主要工藝:首先在溝口修筑攔矸壩,接著從溝底由里向外分層傾倒矸石,距攔矸壩頂50 cm時,用黃土覆蓋并碾壓至與攔矸壩頂齊平形成第一級平臺;從第一級平臺向后退形成約3 m寬的馬道,再由里向外堆放第二級平臺,第二級平臺邊坡坡度為1:1.5,高度為5 m~8 m左右,坡面用黃土覆蓋并壓實,從第二級平臺后退形成馬道,再依次修建臺階狀平臺;頂部平臺、馬道、護坡的排水溝,采用土工膜和裝有營養(yǎng)土的土工袋構(gòu)筑;平臺表層覆蓋表土后,交叉種植適宜當(dāng)?shù)氐膯獭⒐?、草結(jié)合的植物,形成植物落葉立體水土防護體系。

        此外,針對南梁矸石山的治理還對其生態(tài)進行恢復(fù),并通過護坡工程、滅火工程和植被恢復(fù)工程等實施。

        護坡工程:對矸石山進行山體整形,修筑柔性護坡、馬道、上山道路及柔性排水;

        滅火工程:用綜合滅火措施如挖除火源、噴射注漿、深孔注漿、封堵風(fēng)門等科學(xué)配合實施;

        植被恢復(fù)工程:以恢復(fù)生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ),通過物理、化學(xué)、生物技術(shù)手段,控制待恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的演替過程和發(fā)展方向,重建生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。依賴土壤基質(zhì)配比技術(shù)、植物物種選擇技術(shù),運用植生袋、客土噴播技術(shù)進行植被恢復(fù),模擬植被自然演替規(guī)律,實現(xiàn)植被的快速恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的維持。

        4 結(jié)語

        煤矸石為煤炭生產(chǎn)不可避免的附屬產(chǎn)物,為解決煤矸石對生態(tài)環(huán)境和居民生活的危害,本文以及屯蘭礦南梁矸石山為例進行研究,總結(jié)如下:

        1) 南梁矸石山整體穩(wěn)定性較好,但其東側(cè)坡度較大在余量飽和狀態(tài)下安全系數(shù)小于1.25,處于基本穩(wěn)定狀態(tài)對周圍局面的威脅較大;

        2) 針對南梁矸石山的現(xiàn)狀及現(xiàn)階段治理措施,采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚散、防自燃”的原則進行治理,并通過護坡工程、滅火工程和植被恢復(fù)工程對周邊生態(tài)環(huán)境進行恢復(fù)。

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