散体矸石力学参数标定与矸石山边坡稳定性分析

杨木林，武 懋，李建华，吴榕真，贺艳军

（1.神华包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017000；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州221116）

煤矸石是采煤过程和洗选过程中排放的固体废物，是指在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、质地硬度高于煤的黑灰色岩石[1]。我国长久以来所存下的煤矸石大约有70 亿t，而且目前我国煤炭行业每年还需要排放约2 亿t 的煤矸石，从矿井中排出的煤矸石基本上均以地面堆放的形式而形成了矸石山。长期堆积的矸石形成的矸石山约1 600 多座，煤矸石的堆积不仅占用了大量的土地资源，从而也形成了大量的矸石山边坡[2-3]。矸石山边坡失稳是属于矸石山事故中破坏性很大的一种，矸石山边坡失稳会影响排矸工序的进行，也会威胁现场工人的生命安全[4-5]。另外更为严重情况的是，有很多居民的住所安置在了矸石山的附近，矸石的不正确堆放有很大可能性会造成滑坡、泥石流等地质灾害，会给这些附近居住的人员的生命财产安全带来巨大威胁[6]。所以为了保证矸石山边坡的安全性，必须对其稳定性进行合理的评价和分析。

在矸石山的问题研究上，由于国外主要矿业大国现已经基本解决了矸石山堆积问题，因此与矸石山稳定问题的相关研究并不多见。而我国因受经济发展的制约，近些年才逐步重视矸石山堆积问题的解决，关于矸石山治理的研究逐渐增加了[7]。近些年来由于各种建设的需要以及我国经济建设以及基础设施建设的迅速发展，在很大程度上推动了我国治理边坡的技术水平不断提高。边坡稳定性研究主要包括2 部分：①对边坡稳定性做出合理的评价；②对边坡进行合理设计和提出有效的防治措施[8-9]。

李家壕煤矿矸石场位于工业广场南侧400 m 处霍沙兔沟左岸一级支沟内，占地面积30.2 hm2，现处理面积34 683 m2，矸石山最高处与工业广场的高差约82 m，由于边坡较高较陡，凸凹不平，矸石山对于矿井的安全生产的威胁日益增加。为此对李家壕煤矿矸石力学性质和矸石山堆积边坡的治理展开分析。

1 散体矸石的侧限压缩试验

研究散体矸石堆积体的边坡稳定性，首先需要研究散体矸石的整体力学参数，用以边坡安全系数的计算，然而对于散体矸石无法直接制作成样测试力学强度参数，所以需要借助模拟软件进行反演，来测得散体矸石的抗剪强度参数[10]。颗粒流软件PFC3D能够有效地模拟散体材料特性，因此可以用来对矸石进行三轴压缩模拟试验测试[11]。在PFC3D数值模拟中，是通过对材料颗粒的细观参数进行数值计算的，而细观参数无法测定，所以设计了一种物理压缩试验，并在PFC3D中实现数值模拟耦合，并认为当物理压缩试验与数值模拟过程中的加载路径基本一致时，PFC3D中的细观参数能够表征该材料的宏观力学特性[12]。PFC3D反演散体矸石力学参数过程如图1。

1.1 矸石的侧限压缩物理试验

图1 PFC3D 反演散体矸石力学参数过程Fig.1 PFC3D inversion of mechanical parameters of bulk gangue

设计的物理压缩试验装置由1 个钢筒和1 个钢芯组成，钢筒的内径为5 cm，钢筒内可以放入散体矸石物料，然后通过万能试验机伺服控制给钢芯施压，压缩钢筒内的散体矸石，实现对散体矸石的侧限压缩，并记录压缩过程中轴向变形与轴向压力的实时关系，用于PFC3D中的耦合模拟。

由于试样尺寸有限，所以为了减少矸石颗粒不均匀性对试验结果产生的影响，使用分级筛筛选出了粒径在5～10 mm 的矸石颗粒进行侧限压缩试验。

1.2 矸石的侧限压缩模拟试验

应用PFC3D数值分析软件生成与侧限压缩试验中的钢筒相同尺寸的墙体，钢芯用软件中的墙体加载板代替。使用随机函数生成直径在5～10 mm 的球体颗粒来代表矸石块体[13]，设置该粒径尺寸范围是考虑到了以往试验中会遇到由于矸石粒径波动范围较大，导致出现难以控制模拟试验中的参数问题。通过代码控制模型顶部的墙体进行伺服控制，压缩墙体内部的球体颗粒，并在压缩过程中实时输出对散体矸石侧限压缩得到的应力值变化情况，绘制成应力应变曲线，将其与矸石的侧限压缩物理试验结果进行对比，同时不断调整球体颗粒间的微观参数，使得2 种试验方法中的应力加载路径大致吻合, 同时确定了PFC3D数值分析中的最终模拟参数。球体颗粒的细观参数见表1。散体矸石压缩试验的轴向应力-应变曲线如图2。

表1 球体颗粒的细观参数Table 1 Microscopic parameters of spherical particles

2 基于PFC3D 的抗剪强度参数

为测定散体矸石的抗剪强度参数测定，在PFC3D中建立三轴压缩模拟试验的模型，模型主要由上下加载板和侧限筒构成，内部生成的球体颗粒为散体矸石的模拟实体。

图2 散体矸石压缩试验的轴向应力-应变曲线Fig.2 Axial stress-strain curves of granular gangue compression experiments

在模拟试验中的侧限筒和上下部加载板上分别布置监测点，以监测在三轴压缩过程中散体矸石试样的轴向应力和侧向应力。在三轴压缩过程中，通过调整侧限筒的刚度，可以实现散体矸石在不同围压下的三轴压缩试验。经过模拟试验得到围压在5、6、7、8 MPa 下的应变-应力加载曲线，三轴压缩轴向应变-应力曲线如图3，4 种围压从大到小依次对应的最大轴向应力分别为17.5、21.2、24.1、28.1 MPa。

图3 三轴压缩轴向应变-应力曲线Fig.3 Axial stress-strain curves of triaxial compression

由于散体矸石的黏聚力很小，其堆积体的抗剪强度主要由内摩擦角决定，所以可以将散体矸石的三轴压缩模拟数据按照无黏性土进行处理，依据图3 模拟结果绘制出莫尔圆和抗剪强度曲线。通过渐近线拟合得到散体矸石的内摩擦角为34°。

3 矸石山边坡稳定性

很多矸石山由于运费及排放速度的问题都堆放在了距离矿山较近的地方，堆放地区的选择以及地形的选择等问题很大程度上是由企业的选择而决定的[14]。李家壕煤矿的矸石山位置如图4，矸石山表层是为了防止矸石扬尘和复植植被而覆盖的土体，矸石山主体上可以分为3 部分，其中对工业广场威胁最大的是位于东北部的1 号山体，该山体在3 座矸石山中高度最大，目前在该山体上的排矸工作已经结束，需要验证该矸石山的稳定性现状，采取相应的护坡措施，以确保下部工业广场的安全性。

图4 李家壕煤矿矸石山位置Fig.4 Location of gangue hill in Lijiahao Coal Mine

3.1 矸石山边坡稳定性

FLAC3D通过折减抗剪强度参数黏聚力c 和内摩擦角φ 来计算边坡安全系数的。当折减至边坡发生破坏时，而此时的折减数值即为边坡的安全系数[15]。根据地形扫描结果通过GIS 建立全局模型，并在FLAC3D中对整体模型的塑性区分布进行了分析，矸石山整体模型的塑性区状态如图5。

在分析结果中标出了2 个大范围的剪切塑性区及其潜在滑动方向，这2 个位置分别分布在1 号矸石山的西侧及3 号矸石山的南侧，根据滑动方向可以发现这2 个位置的破坏均不会影响下部工业广场的安全性。

图5 矸石山整体模型的塑性区状态Fig.5 Plastic zone state of the whole model of gangue hill

为了再次确定工业广场位置的安全性，在建立全局模型的基础上，进行了二维的稳定性分析，分析位置选择了图4 中红色直线所示的2 个剖面，在FLAC3D建立了分析模型，将a 剖面和b 剖面位置处计算结果调整为同一云阶显示, 1 号矸石山西北部边坡剖面x 方向位移云图如图6。

图6 1 号矸石山西北部边坡剖面x 方向位移云图Fig.6 x-direction displacement nephogram of slope section in northwest of No.1 gangue hill

煤矿生产中通常要求排弃物堆积体的安全系数要达到1.2，以保证长期的安全稳定[16-17]。可以发现2个剖面位置处的安全系数均在1.2 左右，云图上显示的位移量较大的区域为顶部的2 个台阶。a 位置处的剖面安全系数小于1.2，可能需要采取相应措施以防止出现滑坡事故；b 位置剖面的坡度较缓，安全系数大于1.2，稳定性要优于a 位置。但是通过不同位移量的分布云图可以发现，出现大位移的区域很小，折减计算后发生滑移的边坡岩体位移量也不大，属于局部滑移破坏类型，所以发生大规模滑坡事故的概率较小，防护区域应该集中在上部2 个台阶位置，避免局部失稳。

3.2 矸石山边坡防护措施建议

建议的矸石山边坡防护措施如下[18-19］：

1）利用人工建造支挡物。采用大型预应力锚杆（锚索）、抗滑桩或者修筑挡土墙进行支挡。但是对散体矸石堆积形成的矸石山进行钻孔时容易出现塌孔的问题，所以通常不建议使用此方法。

2）对稳定性较差的边坡进行削坡、压坡脚操作。对于该研究问题中的矸石山边坡，在保证下部台阶稳定的前提下，可以对上部2 个台阶进行压坡脚排矸工作，以提高局部的稳定性。

3）通过增强边坡体的强度来提高边坡的稳定性。疏干排水，减少水对岩士体的弱化作用；注浆，提高边坡坡体的完整性。矸石山坡体内部存在较多的裂隙和结构面，渗透性好，具备注浆条件。

4 结 语

1）设计了散体矸石物料的物理和数值模拟侧限压缩试验，在PFC3D中通过多次拟合调整获取了散体矸石的微观参数，该参数很好的表征了散体矸石材料的压缩力学特性。

2）借助模拟软件PFC3D对散体矸石的宏观力学参数进行了反演分析，通过三轴压缩模拟试验测得了散体矸石的抗剪强度参数，按照无黏性土处理得到散体矸石的抗剪强度参数内摩擦角为34°。

3）通过FLAC3D对李家壕煤矿1号矸石山边坡进行了稳定性分析，根据矸石山整体的塑性分布情况，确定了潜在剪切破坏位置，发现该位置的破坏对工业广场影响较小。二维稳定性分析所选位置的安全系数在1.2 左右，边坡整体稳定性基本满足安全要求。根据位移云图确定防护区域应该集中在上部2个台阶位置，能够有效避免局部失稳。