基于矸石山边坡稳定性机理研究

李少华 李少彪 王 强

（1.山西潞安环能公司常村煤矿，山西 长治 046000；2.山西工程技术学院矿业工程系，山西 阳泉 045000）

在常村煤矿生产中，为降低煤炭中含矸率，提高原煤质量，会把矸石分选提升到地面。随着矿井服务年限的增加，在露天场地堆置矸石山范围越来越大，同时对周围环境和大气造成一定污染，还易形成滑坡[1-2]。同时国家对环境问题要求的不断提升，露天矸石山的处理成较大问题。本文拟对常村煤矿矸石山边坡稳定性和污染治理展开研究。

1 工程概况

常村煤矿位于山西省长治市屯留县东部，矿区地势平坦，交通便利，井田边界包括路村、上村、北岗等，东邻王庄井田，西邻屯留井田。矿区东西宽7.4km，南北长17km。面积约为107km2。矸石山位于煤矿西南处，紧邻高速公路，见图1。

图1 矿井地理位置

矸石山排弃总高度达到120m，属于大型边坡，矸石山边坡一旦出现滑坡将引起较大的人员、经济损失。因此，常村煤矿采取防护措施对其进行治理。首先，开展矸石山边坡稳定性评价，预估边坡稳定性状态，指导边坡防护工程措施。其次，矸石山中混杂着大量遗煤，长期暴露在空气中易发生自燃，对周围村庄造成较大的环境污染。

2 矸石山滑坡因素分析

2.1 滑坡机理研究

通过现场调研，查明矸石山边坡排弃情况，总结以往地质工作成果，确定岩土体的物理力学参数，分析边坡的滑坡模式、滑坡机理及影响因素，对矸石山边坡进行稳定性评价。根据评价结果，提出有针对性、切实可行的边坡滑坡预防及治理措施，减少边坡失稳对矿山正常生产的影响和损失（见图2）。

图2 矸石山治理前

矸石山在自身重力作用下逐渐产生压密和沉降[3-4]，其变形特征主要表现为下沉和裂缝。裂缝规模通常不大，并不会引起矸石山边坡形状的剧烈变化。当下沉和裂缝发展成为内部滑坡时，对矸石山形状产生显著影响，正常的剥离和采矿作业受到直接或间接的影响。内部滑坡通常由于组成边坡的破碎土岩物料力学性质较弱，排土工艺不合适或其他外界条件（如外载荷和降雨等）的影响所导致的矸石山剧烈变形现象（见图3）。

2.2 影响边坡稳定性的外部因素

常村矿井田位于温带季风区，属于大陆性半干旱季风气候，据气象局2009年至2015年资料统计表明：年平均最高气温17.1℃，年平均最低气温-5.5℃，年平均气温10.9℃，极端最高气温38.0℃，极端最低气温-21.6℃。年平均降水量571.85mm，最大降水量为648.80mm，最小降水量为273.50mm，降水多集中在6、7、8、9四个月。年最大降雨量为2285.1mm。年平均湿度6.55～9.15毫巴，最低1毫巴。年平均初霜期为10月上旬，终霜期为次年4月中旬。年主导风向为西北风，每年春、秋、冬三季多西北风，夏季多东风，一般风为 3～4级。

图3 矸石山内部滑坡

地下水是一种重要的地质应力，它与边坡时时刻刻发生着相互作用，这种相互作用不仅使边坡岩土体的物理、力学性质和化学成分发生改变，同时也使地下水自身的化学成分和物理性质发生变化。据水文实测资料，地下水最大流量6.92m3/s。地表水主要形式为大气降雨及地表径流，主要通过冲蚀作用破坏边坡结构及渗流作用对边坡内部孔隙水压力进行改变。地表水的剧烈变化对边坡的影响往往更具有决定性。通过其他矿山实践，多数滑坡都发生在大范围强降雨期。地下水位的剧烈变化也对边坡稳定性有重要影响。故常村煤矿矸石山边坡稳定性应考虑到地表水和地下水等外部影响。

2.3 边坡稳定性

矸石山边坡稳定性[5]计算方法采用极限平衡法。根据地质结构面形成滑体的边界条件，对于平面滑动、曲面滑动、楔体滑动等多种滑动模式均有相应的计算公式。

该方法是以莫尔-库仑抗剪强度理论为基础，建立滑坡体力或力矩平衡方程，通过一定的假定条件，减少未知量的个数，从而将边坡稳定的超静定问题转化为静定问题，然后求解方程组，得到边坡的安全系数。

瑞典条分法是Fellennius于1927年提出的，适用于均质土中圆弧滑面，把安全系数定义为各分条对滑面圆心的抗滑力矩之和与下滑力矩之和的比值，该方法不考虑分条之间力的作用，所以低估了安全系数，适用于浅层的散体边坡。其数学公式如下：

式中：

Wi-第i块段滑体所受的重力，kN/m；

αi-第i块段土滑动面法线与竖直线的夹角，（°）；

ci-第i块段土的粘聚力，kPa；

li-第i条带的滑面长度，m；

φi-第i块段土的内摩擦角，（°）；

i-分析条块序数，i=1，2，…，n；

n-分块数。

2.4 数值模拟

矸石山区域下部第四系厚度按照矿区平均厚度确定为70m，岩石力学参数见表1。

表1 岩土体力学参数表

矿山缺少矸石山停排后的现状图，为方便边坡稳定性计算，现场实测典型剖面各关键位置现状坐标，利用三维建模软件形成典型剖面位置的矸石山排弃现状图（图4）。

图4 矸石山剖面现状实测图

利用GEO-Slope软件建立矸石山边坡瑞典条分法计算剖面模型（见图5）。

图5 矸石山边坡计算模型剖面图

将上述各边坡模型导入GEO-Slope软件，利用极限平衡方法，计算矸石山边坡稳定性。得出的安全系数为1.307，根据相关文献分析，安全系数＜1.00属于不稳定状态，常村矿矸石山排弃场刚刚满足本滑坡抗滑稳定最小安全系数，矸石山稳定性暂时能够得到保障。由此可知边坡极易发生剪切滑移破坏。此外，现场监测表明，该滑坡仍处于缓慢的蠕动滑移状态，为防止其进一步扩大，影响边坡稳定性，应尽早进行治理，见图6。

2.5 矸石山治理

通过分析常村煤矿矸石山边坡得出其可保持暂时稳定，但考虑地表水和地下水等因素的影响，同时到考虑到矸石山长期暴露在露天环境中遗煤自燃、空气污染等问题，故采用矸石山三级缓坡分层碾压的方式，提升边坡的稳定性。同时其表面覆盖黄土，边坡硬化，从而达到隔绝空气和覆盖遗煤的作用。其治理效果达到预期要求，对周围空气起到净化作用，见图7。

图6 矸石山稳定性计算结果剖面图

图7 矸石山治理后

3 结论

通过利用GEO-Slope软件和理论计算分析研究矸石山边坡稳定性，得到矸石山边坡的稳定性安全系数为1.307，基本满足边坡稳定性要求。但考虑到露天场在地下水和地表水的共同影响下，矸石山依旧存在滑坡的可能性，同时为实现净化空气环境的目的进行黄土覆盖，分层处理，提升边坡稳定性。