矿区铁路煤矸石路基边坡稳定性研究

白光起

(安徽恒源煤电股份有限公司铁路运输分公司)

矿区铁路煤矸石路基边坡稳定性研究

白光起

(安徽恒源煤电股份有限公司铁路运输分公司)

分析了任楼矿区煤矸石在不同压实度下的力学性质，并且采用极限平衡法和FLAC法对不同压实度、不同填筑高度的煤矸石路基边坡稳定性进行分析。结果表明，当煤矸石路基的压实度达到90%时，坡度为1.5的路基的填筑高度可以达到10 m，坡度为1.75的路基的填筑高度可以达到15 m；当压实度达到93%时，坡度为1.5的路基的填筑高度可以达到15 m，坡度为1.75的路基的填筑高度可以达到20 m；当压实度达到95%，坡度为1.5和1.75时的路基填筑高度均可以达到20 m。为矿区铁路路基施工提供了指导依据。

煤矸石路基 矿区铁路 边坡稳定性

随着我国煤炭产量的不断增加，大量的煤矸石随之产出。煤矸石不仅污染环境，而且占用大量的土地，大规模的煤矸石矿堆还有滑坡的危险，对矿区的人员和设备安全造成威胁[1]。因此，对煤矸石进行合理利用，减少环境污染，成为煤炭开采中亟待解决的问题。

随着煤炭生产的不断增加，煤矿的规模也随之不断扩大，原有的矿区铁路已不能满足生产的需求，而且在煤炭开采中，会对原有的铁路造成危害，如路基下沉、开裂、积水等，在矿区新建铁路以及对既有线路改造中，大量煤矸石被用作路基的填料。煤矸石作为铁路路基在一些矿区已经成功得到应用，但是煤矸石的物理力学性质随地域性变化很大，在工程实践中，应该对煤矸石进行更具体的分析。本文对煤矸石填筑路基的边坡进行稳定性研究。

1 任楼矿煤矸石的力学性质

材料的力学性质是指材料受到外力作用时所表现的特性，如压缩变形、极限强度等。煤矸石作为煤炭开采的产物，其力学性质与物质组成和岩性有很大关系，煤矸石中的软岩、残煤、有机质、有机硫等物质的分解或氧化都会影响煤矸石的力学性质，而且煤矸石中成分粒径大小不一，各组粒径所含的比例也没有固定关系，因此，煤矸石往往表现出较大的压缩性，不同颗粒级配的煤矸石也表现出不同的力学性质[2]，任楼矿煤矸石混合料在不同压实度下的无侧限抗压强度、抗剪强度及压缩模量见表1。

表1 煤矸石混合料在不同压实度下的强度及变形参数

由表1可以看出，任楼矿煤矸石混合料随着压实度的提高，其无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量均有所提高。

2 边坡稳定性分析方法

常用的边坡稳定性分析方法有极限平衡法、数值分析法和工程地质对比法[3]。极限平衡法为最常用的边坡稳定性分析方法，具有计算模型简单、选择参数量化准确、计算结果直观实用的特点。极限平衡法的原理是将潜在的滑体视为刚体，以摩尔-库仑破坏准则为基础，假定滑动面为平面或圆弧状，将潜在滑体条分，建立适用在这些条块的力和力矩的平衡方程，进而求解出稳定系数。极限平衡法通过对边界条件和假设的不同，形成了不同的计算方法，具有代表性的计算方法包括瑞典条分法、Bishop法、Janbu法、陆军工程师团法、传递系数法、Morgenstern-Price法等。

数值分析方法的原理是将带有边界的常微分方程或偏微分方程离散为线性代数方程组，并采用合适的方法求解方程组，最终得到基本的未知量。运用数值模拟的方法可以解决极限平衡法的不足，进而能够清楚地了解边坡的应力分布和变形情况。目前，应用于边坡稳定性分析较为成熟的数值分析方法有有限单元法、边界单元法、离散单元法和快速拉格朗日法等。其中，以快速朗格朗日法为计算基础的FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua，连续介质快速拉格朗日分析)软件被广泛应用于边坡稳定性分析。

3 煤矸石路基边坡稳定性分析

任楼矿由于新建铁路及既有线路改造的需要，在铁路路基的填筑中应用了大量的不同压实度的煤矸石。矿区铁路位于平原地带，地势低洼，雨季经常出现积水，对于水面下的煤矸石路基不能分层碾压,只能堆积到水面以上在顶部进行一次性压实,坡面上的煤矸石则始终处于自然堆积状态。因此，对不同压实度的路基边坡进行稳定性分析是很有必要的。采用表1所示的计算参数，分别对填筑高度为10，15，20 m的路基边坡进行稳定性分析，采用极限平衡法和FLAC方法进行对比[4]，结果见表2。

从表2可以看出，煤矸石路基边坡的稳定性与压实度、填筑高度和边坡的坡度有密切的关系。FLAC法的计算结果略小于极限平衡法的结果，由于FLAC法采用弹塑性假设，更接近煤矸石的实验特性，因此采用FLAC法的计算结果。在上述的计算中考虑了路基浸水等不利的因素，因此，如果认为安全系数达到1.3时边坡处于稳定状态[5]，则90%压实度的煤矸石路基在坡度为1.75时最高可填筑至15 m，在坡度为1.5时最高可以填筑到10 m；93%压实度的煤矸石路基在坡度为1.75时最高可填筑至20 m，在坡度为1.5时最高可填筑至15 m；95%压实度的路基在坡度为1.5和1.75时均可填筑至20 m。

4 结 论

煤矸石路基边坡的稳定性与压实度、填筑高度有密切的关系，随着填筑高度的增加，边坡的安全系数下降很快，而边坡的安全系数则随着压实度的增加而提高。研究结果可以指导任楼矿区铁路的施工，在施工过程中可以选择合理压实度的煤矸石填筑至合理高度，以取得最大的经济效益和社会效益。

表2 不同压实度煤矸石路基边坡安全系数

压实度/%边坡高度/m边坡坡度极限平衡法FLAC法9093951015201015201015201.51.521.331.751.621.411.51.431.211.751.571.341.51.311.191.751.491.281.51.571.361.751.691.451.51.481.31.751.621.391.51.371.251.751.561.331.51.631.451.751.721.581.51.51.361.751.631.451.51.451.31.751.691.5

[1] 王喜富.煤矸石及其在矿区铁路建设中的应用[M].北京：煤炭工业出版社，2003.

[2] 刘洪涛，洪 飞．矿区铁路路基塌陷回填研究报告[R]．宿州：安徽恒远煤电股份有限公司铁路运输分公司，2010．

[3] 王 鸿,吴启海,周登红.基于极限平衡法的露天矿边坡稳定性分析[J].现代矿业,2014(9):157-158.

[4] 李 亮,吴 侃.沉陷积水区铁路煤矸石路基边坡稳定性研究[J].路基工程,2008(2):80-81.

[5] 中华人民共和国铁道部.TB 10001—2005 铁路路基设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005.

2014-12-03)

白光起(1986—)，男，助理工程师，243000 安徽省宿州市埇桥区。