矿区排矸场边坡稳定性评价分析及防护治理研究

万玲玲

(枣庄市水利勘测设计院，山东 枣庄 277000)

1 矿区排矸场概况

1.1 地理位置

赵石畔煤矿临时排矸场位于靖榆路至雷龙湾镇永忠村二级公路K15+450～K15+500南侧的红崖梁荒沟内，距离赵石畔煤矿工业场地西侧直线距离约1.0km，行政区划隶属陕西省榆林市横山区雷龙湾镇。

1.2 工程地质情况

(1)地层岩性

场址区的地层自上而下依次为全新世风积(Q4eol)粉细砂、黄土、粉土及晚更新世冲洪积(Q3al+pl)粉土等。与工程密切相关的为粉细砂和黄土。粉细砂层厚4.30～4.70m，层底标高1255.43～1272.22m，层底埋深4.30～4.70m，该层部分分布。黄土层厚4.50～10.20m，层底标高1213.09～1260.65m，层底埋深4.50～10.20m，该层全场分布。

(2)不良地质情况

根据《赵石畔矿井及选煤厂项目临时排矸场岩土工程勘察报告》结论，拟建场地处于地震基本稳定区，通过现有地质资料和现场勘测调研情况可以得出，排矸场附近岩土地质情况稳定，没有明显的断裂构造。对历史地质灾害进行调查后也未发现特大型泥石流、滑坡等不良灾害。

(3)地层物理力学参数

正常情况下，第四系容重15.0kN/m3、粘聚力24.0kPa、内摩擦角21.50°。

1.3 矿区排矸场主要问题

临时排矸场沟道汇水面积0.24km2，占地面积6.47hm2，主要消纳建井期井下掘进矸石及对生产期选煤厂洗选矸石在井下充填检修时进行临时周转。通过对矿区实地调研和地质资料的整理发现，排矸场项目区属于半干旱大陆季风性气候，表现为夏季多雨炎热，秋冬少雨干旱；矿区植物覆盖密度低，表土裸露情况多见；地形高差大，属“V”型沟谷，若遇雨季暴雨天气，厂区易发生水土流失和有害物质泄露。

2 边坡稳定分析

主体设计对临时排矸场项目场内煤矸石堆贮形成的边坡进行稳定性分析，以明确本项目平面设计的合理性和安全性。

2.1 边坡稳定分析剖面确定

根据临时排矸场平面布置及设计堆贮工艺，沿临时排矸场场地沟心位置布设剖面线如图1—2所示，同时考虑与平面布置的台阶面垂直，对临时排矸场内煤矸石堆体形成的边坡进行稳定性分析计算。

图1 计算剖面位置示意图

2.2 计算参数选取

根据场地岩土勘察报告及相似工程经验数据，通过相关工程类比后确定本次临时排矸场煤矸石堆体边坡稳定性分析计算参数选取见表1。

表1 计算参数取值

2.3 计算原理及结果分析

通过总结目前国内外学者对边坡稳定性评价的文献，可以发现现阶段比较推荐的边坡稳定性分析方法主要有毕肖普(Bishop)法、简布法、剩余推力和楔形体法和费伦纽斯(Fellenius)法等[1-5]。本工程临时排矸场地排矸构成单一，主要为矸石，根据GB 51018—2014《水土保持工程设计规范工程级别划分和设计标准》，均质弃渣场抗滑稳定计算宜采用简化毕肖普(Bishop)法，排矸场边坡稳定性评价采用安全系数法[2]。简化毕肖普(Bishop)法的计算原理如图3所示。

图3 简化Bishop计算原理示意图

计算公式如下：

(1)

式中，Fs—安全系数；mαi—第i个条块的计算系数；θi—第i个条块底部的倾角，(°)；Gi—第i个条块的重量，kg；Ci—第i个条块的粘聚力，kPa；Li—第i个条块的长度，m；Ui—第i个条块的孔隙水压力，kN；αi—第i个条块的有效内摩擦角，(°)；Qi—第i个条块所受的水平向作用力，kN；Ei—第i个条块所受的法向条间力，kN；R—滑面半径，m。

该区域矸石边坡总高度为39m左右，整体边坡角度为14°，根据以上计算方法对临时排矸场边坡的稳定性进行计算，计算结果如图4—5所示。

图4 排矸场前缘稳定性计算结果示意图

根据DZ/T 0218—2006《滑坡防治工程勘查规范》中关于边坡稳定性系数状态划分可知，当计算的Fs值处在1.00～1.05时，滑坡整体为暂时“稳定-变形”状态；当Fs为0.95～1.00时，边坡为“变形-滑动”状态。通过计算，此边坡的最不利稳定系数为1.349，位于排矸场前缘处，稳定系数大于1.15，稳定性较好；整体边坡稳定系数为1.812，边坡稳定性整体好。滑坡稳定状态划分见表2。

表2 滑坡稳定状态划分

3 排矸场防治治理措施

临时排矸场在矸石等弃渣的排放过程中，会产生扬尘和矸石自燃的情况，如果有降雨发生，水土流失会非常严重，对周围生态环境造成极大破坏[6]。因此，即使边坡处于长期稳定状态，为了从水土保持和环境污染的角度出发，还应该对本排矸场进行必要的防治措施。

图2 边坡稳定计算剖面示意图

3.1 防排水设计

3.1.1流量计算

赵石畔矿井地处陕西省榆横矿区南区，是国家级水土流失重点防治区域，根据《水土保持法》及临时排矸场下游既有建构筑物分布情况，综合考虑后确定临时排矸场防洪标准按50年一遇设计，100年一遇校核。依据1∶2000数字化地形图，勾绘得临时排矸场场区汇水面积如图6所示。其中区域①②按照防洪设计要求将排矸场上游洪水通过明沟导排至二级公路北侧自然沟槽，其设计洪水计算结果见表3。

图6 汇水流域划分

表3 区域设计洪水计算结果

3.1.2区域③汇水量计算

区域③由于地势较低，地表径流通过设置一座澄清池进行收集澄清，澄清后作为排矸场绿化喷洒降尘用水。

(1)正常降雨径流量

当地年平均降水量397mm，降雨集中在每年6—9月，其中7月最多。按照雨季降雨量占比80%计算，雨季日平均降雨量3.5mm，径流系数采用0.3。

(2)暴雨径流量

根据《煤炭工业企业总平面设计手册》，设计频率：P=50年，径流系数采用0.3。区域③降雨径流量见表4。

表4 区域③汇水量计算

3.1.31#永久截水沟(坡面排水)

由设计洪峰流量Q，利用曼宁公式[7-8]计算截水沟过水流量，用试算法计算最大水深hmax，设梯形断面下底宽为b，水深为h，坡比为1∶m。

图5 边坡稳定性计算结果示意图

(2)

(3)

根据曼宁公式计算，确定截水沟采用底宽0.6m，深0.6m，边坡为1∶1的梯形断面，全断面C25混凝土浇筑[9]。排洪沟过水洪峰流量最大允许值为5.27m3/s，高于上游左侧最大洪峰流量3.14m3/s，也高于上游右侧最大洪峰流量2.86m3/s，满足坡面排水要求。

3.1.4蓄水容积计算

主体设计澄清池断面尺寸为长16m、宽8m、高3m，采用40cm厚浆砌片石护砌，主要蓄积区域③汇水。通过计算得出结论，主体设计澄清池蓄水量为384m3，在不考虑自然蒸发的前提下可以储存设计频率下连续15天以上的暴雨径流汇水，满足设计要求。

3.1.5防排水系统布置

为保障临时排矸场内的排水顺畅，本项目设置截水沟、挡水埝、马道排水沟、排水涵洞等组成场地排水系统。排水系统平面布置如下：1#永久截水沟沿临时排矸场四周设置，并应于堆矸之前一次修筑完成，用以导排坡面汇水及终库时堆矸面汇水。坡度较大时以急流槽连接，急流槽应在合适地形条件处设置缓流段。南侧1#永久截水沟与北侧1#永久截水沟汇流后，通过3#永久截水沟经二级公路过水涵洞导排至公路北侧自然沟槽。永久挡水埝及2#永久截水沟修筑于堆矸顶面边缘，2#永久截水沟接入1#永久截水沟。堆矸过程中，如遇雨季，应提前在形成的堆矸平台边缘上修筑临时挡水埝，在坡面上修筑1#临时截水沟。随着堆矸的进行，临时截水沟用矸石填埋。

3.2 封场设计

排矸场封场是对矸石堆体进行表层覆盖，坡度要求一般为5‰～1%。根据规范，台阶需要在堆储标高达到8m和间隔8m时设计，台阶必须具有一定坡度，保证达到雨水冲刷强度[10]。根据GB 18599—2020《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》有关规定，本工程临时排矸场最终封场覆盖层采取如下作法：在堆放压实的矸石表面覆盖1.0m黄土并部分压实作为防渗层，并在覆土层上进行绿化以恢复当地植被；封场表面设置5‰的坡度以保证表面雨水的顺利导排，避免降雨强度过大引发大量水土流失；为防止上部覆土层开裂、下沉，封场之后还安排了周期性维护。

3.3 各级边坡防护

为保持整个排矸场坡面防护和绿化上的协调性和一致性，保证排矸场堆填坡面的稳定性，各级永久坡面采用覆土+混凝土格子梁+绿化进行防护，增加边坡稳定性。各级永久堆填坡面设计坡率为1∶2.0，坡面上覆0.5m厚回填土+0.3m厚混凝土格子梁，格子梁内部进行植草绿化。

3.4 其它临时措施设计

(1)临时截水沟

临时截水沟为拦截临时排矸场作业期间场地地表径流而设。本项目临时截水沟为梯形土沟，底宽0.5m，深度0.5m，坡率1∶1。

(2)临时挡水埝

临时挡水埝为拦截临时排矸场作业期间顶面地表径流，防止冲刷下游坡面而设。临时挡水埝采用矸石填筑，尺寸为顶宽1.0m，高1.0m，上游侧坡率为1∶1，下游侧坡率为1∶2.0。

(3)临时表土保护措施

被剥离的表土分年度堆置于上一年度堆渣形成的渣体平台并做到集中堆置。堆置体设计采用草袋就地装土围挡，草袋围挡布设于临时堆放表土周边，紧贴土体坡脚，围挡高度1m、宽度0.6m，每层草编袋相互叠压。经估算，围挡长度约为550m，围挡工程量330m3。考虑到剥离表土堆放期可超过3个月，为了预防水土流失，在围挡的基础上，考虑临时撒播草籽防护。草种选用紫花苜蓿，撒播量15kg/hm2，表土堆存区总计防护面积约为0.45hm2，堆放位置控制在临时排矸场各级平台范围内，不新增占地。临时表土保护措施随矸石渣面逐步向沟头推进，分建设期和生产期逐年实施。每年度需提前做好表土剥离和堆置计划，堆置时按计划严格实施，防止表土乱堆乱放和超界堆放。

4 结论

在对临时排矸场进行了稳定性校核的基础上，利用曼宁公式计算了1#永久截水沟的过水流量并确定了其截面尺寸。结合实地情况，对赵石畔矿区排矸场的周边环境建设和水土保持提出了一系列建设性意见，得到的结论如下。

(1)利用简化Bishop法计算所得该排矸场最不稳定位置在其前缘，最不稳定系数为1.349，评价结果为边坡具有良好的稳定性。

(2)由于本项目区属于干旱气候类型区且弃渣主要为井下建设期掘进矸石，项目所在沟谷泥石流易发性属不易发，排矸场设计的拦矸坝、边坡和排水设计正常工况下是稳定的，能保证排矸场100年一遇的防洪安全。

(3)排矸场防排水设计需要结合项目实际情况确定排水沟型，排水系统布置中可添加截水沟、挡水埝等专项设施来保证排水通畅。排矸场是在使用过程中，需重视弃渣对周边环境的影响，还应设置临时表土保护措施用以涵养水源、固土防风。