某矿区矸石山稳定性分析研究

黄 玉 生

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

我国是一个煤炭生产大国，煤炭作为经济发展的重要能源，发挥着不可替代的作用。近些年，国内煤炭资源开采速度不断加快，且产量已经多年位居世界第一[1,2]。煤炭在开采和加工过程中不可避免地产生煤矸石，煤矸石作为一种固体废弃物，对生态环境必然会造成一定程度上的破坏。煤矸石露天堆放给人类和自然环境造成的危害和损失十分巨大，主要包括环境污染及地质灾害等[3,4]。矸石山的问题由来已久，但大多数研究都集中于煤矸石的自燃和风化，对煤矸石堆体的稳定性分析研究相对较少[5,6]。本文对矸石山稳定性进行深入分析研究，对今后研究其他同类条件的矸石山稳定性问题有一定的参考价值。

1 矸石山稳定性影响因素分析

矸石山是巷道掘进、采煤及洗选过程中排弃的岩石碎块堆积而成，其自身结构或者外部条件都和矸石山基底的原状土岩不同，而其稳定性也与一般的岩土质边坡有所区别。通过对矸石山失稳模式的分析，可以基本确定矸石山稳定性主要取决于矸石散体的物理力学性质、矸石堆物料结构、降雨入渗及堆积方式等。

1)矸石散体物理力学性质是影响矸石山稳定性的最主要因素，其主要包含矸石堆物的成分、结构和含水量，还涉及到以上因素对矸石山力学性质的影响。

2)矸石堆物料结构主要包含矸石堆物料中岩块的形状、颗粒度、堆积密度及排列方式等。对于堆积岩块形状来说，采煤或者巷道掘进产生的煤矸石形状大多呈棱角形，但是经过堆放过程散体块体相互碰撞或者块体风化后，则可能变成椭圆形或者圆形。颗粒的排列关系到煤矸石散体的分层或分带以及不同粒径的相互比例等。因此矸石堆物料的结构对矸石山稳定性影响非常严重[7,8]。

3)矸石山由于其散体结构特性，其内部存在丰富的缝隙，为孔隙水创造了流通途径，从而加速内部矸石块体发生风化，而矸石山内部水分主要来源于自然降雨，因此，降雨对矸石山的稳定性影响较大。

4)煤矸石散体以不同的堆放形式、排列方式及紧密程度形成了矸石山，因此矸石散体的堆放形式也是影响矸石山稳定性的重要因素。

矸石山稳定性分析时必须充分考虑以上各种因素，此外，还需注意矸石山失稳时滑塌破坏是由内部滑动、接触面滑动、软弱基底破坏哪种方式造成的，也是分析矸石山失稳的一项重要指标。

2 煤矸石物理力学参数测定

根据《岩土工程勘察规范》相关要求，在矿区矸石山及其附近进行现场取样，在室内进行矸石山及矸石山周围地层的物理力学特性使用研究。试验内容主要包括密度和含水量测定、剪切试验、固结试验、压缩试验、颗粒分析试验等。室内试验严格按照GB/T 50266—2013工程岩体试验方法标准及GB 50123—1999土工试验方法标准的有关要求进行操作和资料整理。试验得到主要物理力学指标值见表1，表2。

表1 场地矸石层主要物理力学指标

3 矸石山稳定性理论分析

稳定性分析首先必需确定煤矸石山滑移线。结合表1,表2煤矸石物理力学参数，通过FLAC数值模拟得到边坡滑移面。由于降雨对煤矸石山边坡稳定性产生影响，故这里计算分为两种工况。

工况一：不降雨下煤矸石山的稳定性；

工况二：降雨下煤矸石山(饱和含水状态)下的稳定性。

1)确定滑移线。

借助FLAC数值计算确定滑移线，此处以Ⅰ区域矸石山稳定性系数计算结果为例。根据图1拟确定Ⅰ区域矸石山滑移线，如图2所示。

表2 场地素填土及原状土主要物理力学指标

2)矸石山滑动体分割。

根据现有理论可知，进行矸石山稳定性分析时，首先要将滑动体划分为多个倾斜条块，当条块数量多且其宽度足够小时，就可以将条块与滑动线之间的曲线看作是直线，如此一来，就能够用点来控制滑动面。根据以上分析，这里将I区域矸石山滑移面划分为19块，如图3所示。

3)安全系数求解。

根据塑性极限分析法上限解求解公式，结合矿区矸石山现场情况及物理力学参数，最终求解得到6个区域矸石山分别在天然含水与饱和含水状态下的稳定性系数，如表3所示。

表3 各区域矸石山稳定性系数极限分析上限法求解结果

从表3可以看出，各个区域矸石山在天然含水状态(非下雨)下稳定性系数均大于1.05，依据GB 50330—2013建筑边坡工程技术规范，可以确定各区域矸石山均处于稳定状态，但是Ⅰ区域及Ⅱ区域矸石山在饱和含水状态(降雨)下的安全系数均小于1.05，属于欠稳定状态，Ⅴ区域安全系数接近1.05，稳定性不强，均需要进行治理。

4 结语

1)结合某矿区矸石山现场情况，分析影响矸石山稳定性的各种影响因素，得到矸石散体物理力学性质是影响矸石山稳定性的主要因素。

2)通过现场取样、室内试验，得到场地矸石层及素填土、原状土的主要物理力学指标，为分析矸石山稳定性提供有效依据。

3)采用极限分析上限法求解结果，得到各个区域矸石山在天然含水状态(非下雨)下稳定性系数均大于1.05，可以确定各区域矸石山均处于稳定状态。

4)Ⅰ，Ⅲ区域矸石山在饱和含水状态(降雨)下的安全系数均小于1.05，属于欠稳定状态；Ⅱ区域安全系数接近1.05，稳定性不强。因此矿区矸石山均需要进行治理。