李少華 李少彪 王 強

（1.山西潞安環(huán)能公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.山西工程技術學院礦業(yè)工程系，山西 陽泉 045000）

在常村煤礦生產(chǎn)中，為降低煤炭中含矸率，提高原煤質(zhì)量，會把矸石分選提升到地面。隨著礦井服務年限的增加，在露天場地堆置矸石山范圍越來越大，同時對周圍環(huán)境和大氣造成一定污染，還易形成滑坡[1-2]。同時國家對環(huán)境問題要求的不斷提升，露天矸石山的處理成較大問題。本文擬對常村煤礦矸石山邊坡穩(wěn)定性和污染治理展開研究。

1 工程概況

常村煤礦位于山西省長治市屯留縣東部，礦區(qū)地勢平坦，交通便利，井田邊界包括路村、上村、北崗等，東鄰王莊井田，西鄰屯留井田。礦區(qū)東西寬7.4km，南北長17km。面積約為107km2。矸石山位于煤礦西南處，緊鄰高速公路，見圖1。

圖1 礦井地理位置

矸石山排棄總高度達到120m，屬于大型邊坡，矸石山邊坡一旦出現(xiàn)滑坡將引起較大的人員、經(jīng)濟損失。因此，常村煤礦采取防護措施對其進行治理。首先，開展矸石山邊坡穩(wěn)定性評價，預估邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)，指導邊坡防護工程措施。其次，矸石山中混雜著大量遺煤，長期暴露在空氣中易發(fā)生自燃，對周圍村莊造成較大的環(huán)境污染。

2 矸石山滑坡因素分析

2.1 滑坡機理研究

通過現(xiàn)場調(diào)研，查明矸石山邊坡排棄情況，總結以往地質(zhì)工作成果，確定巖土體的物理力學參數(shù)，分析邊坡的滑坡模式、滑坡機理及影響因素，對矸石山邊坡進行穩(wěn)定性評價。根據(jù)評價結果，提出有針對性、切實可行的邊坡滑坡預防及治理措施，減少邊坡失穩(wěn)對礦山正常生產(chǎn)的影響和損失（見圖2）。

圖2 矸石山治理前

矸石山在自身重力作用下逐漸產(chǎn)生壓密和沉降[3-4]，其變形特征主要表現(xiàn)為下沉和裂縫。裂縫規(guī)模通常不大，并不會引起矸石山邊坡形狀的劇烈變化。當下沉和裂縫發(fā)展成為內(nèi)部滑坡時，對矸石山形狀產(chǎn)生顯著影響，正常的剝離和采礦作業(yè)受到直接或間接的影響。內(nèi)部滑坡通常由于組成邊坡的破碎土巖物料力學性質(zhì)較弱，排土工藝不合適或其他外界條件（如外載荷和降雨等）的影響所導致的矸石山劇烈變形現(xiàn)象（見圖3）。

2.2 影響邊坡穩(wěn)定性的外部因素

常村礦井田位于溫帶季風區(qū)，屬于大陸性半干旱季風氣候，據(jù)氣象局2009年至2015年資料統(tǒng)計表明：年平均最高氣溫17.1℃，年平均最低氣溫-5.5℃，年平均氣溫10.9℃，極端最高氣溫38.0℃，極端最低氣溫-21.6℃。年平均降水量571.85mm，最大降水量為648.80mm，最小降水量為273.50mm，降水多集中在6、7、8、9四個月。年最大降雨量為2285.1mm。年平均濕度6.55～9.15毫巴，最低1毫巴。年平均初霜期為10月上旬，終霜期為次年4月中旬。年主導風向為西北風，每年春、秋、冬三季多西北風，夏季多東風，一般風為 3～4級。

圖3 矸石山內(nèi)部滑坡

地下水是一種重要的地質(zhì)應力，它與邊坡時時刻刻發(fā)生著相互作用，這種相互作用不僅使邊坡巖土體的物理、力學性質(zhì)和化學成分發(fā)生改變，同時也使地下水自身的化學成分和物理性質(zhì)發(fā)生變化。據(jù)水文實測資料，地下水最大流量6.92m3/s。地表水主要形式為大氣降雨及地表徑流，主要通過沖蝕作用破壞邊坡結構及滲流作用對邊坡內(nèi)部孔隙水壓力進行改變。地表水的劇烈變化對邊坡的影響往往更具有決定性。通過其他礦山實踐，多數(shù)滑坡都發(fā)生在大范圍強降雨期。地下水位的劇烈變化也對邊坡穩(wěn)定性有重要影響。故常村煤礦矸石山邊坡穩(wěn)定性應考慮到地表水和地下水等外部影響。

2.3 邊坡穩(wěn)定性

矸石山邊坡穩(wěn)定性[5]計算方法采用極限平衡法。根據(jù)地質(zhì)結構面形成滑體的邊界條件，對于平面滑動、曲面滑動、楔體滑動等多種滑動模式均有相應的計算公式。

該方法是以莫爾-庫侖抗剪強度理論為基礎，建立滑坡體力或力矩平衡方程，通過一定的假定條件，減少未知量的個數(shù)，從而將邊坡穩(wěn)定的超靜定問題轉化為靜定問題，然后求解方程組，得到邊坡的安全系數(shù)。

瑞典條分法是Fellennius于1927年提出的，適用于均質(zhì)土中圓弧滑面，把安全系數(shù)定義為各分條對滑面圓心的抗滑力矩之和與下滑力矩之和的比值，該方法不考慮分條之間力的作用，所以低估了安全系數(shù)，適用于淺層的散體邊坡。其數(shù)學公式如下：

式中：

Wi-第i塊段滑體所受的重力，kN/m；

αi-第i塊段土滑動面法線與豎直線的夾角，（°）；

ci-第i塊段土的粘聚力，kPa；

li-第i條帶的滑面長度，m；

φi-第i塊段土的內(nèi)摩擦角，（°）；

i-分析條塊序數(shù)，i=1，2，…，n；

n-分塊數(shù)。

2.4 數(shù)值模擬

矸石山區(qū)域下部第四系厚度按照礦區(qū)平均厚度確定為70m，巖石力學參數(shù)見表1。

表1 巖土體力學參數(shù)表

礦山缺少矸石山停排后的現(xiàn)狀圖，為方便邊坡穩(wěn)定性計算，現(xiàn)場實測典型剖面各關鍵位置現(xiàn)狀坐標，利用三維建模軟件形成典型剖面位置的矸石山排棄現(xiàn)狀圖（圖4）。

圖4 矸石山剖面現(xiàn)狀實測圖

利用GEO-Slope軟件建立矸石山邊坡瑞典條分法計算剖面模型（見圖5）。

圖5 矸石山邊坡計算模型剖面圖

將上述各邊坡模型導入GEO-Slope軟件，利用極限平衡方法，計算矸石山邊坡穩(wěn)定性。得出的安全系數(shù)為1.307，根據(jù)相關文獻分析，安全系數(shù)＜1.00屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，常村礦矸石山排棄場剛剛滿足本滑坡抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)，矸石山穩(wěn)定性暫時能夠得到保障。由此可知邊坡極易發(fā)生剪切滑移破壞。此外，現(xiàn)場監(jiān)測表明，該滑坡仍處于緩慢的蠕動滑移狀態(tài)，為防止其進一步擴大，影響邊坡穩(wěn)定性，應盡早進行治理，見圖6。

2.5 矸石山治理

通過分析常村煤礦矸石山邊坡得出其可保持暫時穩(wěn)定，但考慮地表水和地下水等因素的影響，同時到考慮到矸石山長期暴露在露天環(huán)境中遺煤自燃、空氣污染等問題，故采用矸石山三級緩坡分層碾壓的方式，提升邊坡的穩(wěn)定性。同時其表面覆蓋黃土，邊坡硬化，從而達到隔絕空氣和覆蓋遺煤的作用。其治理效果達到預期要求，對周圍空氣起到凈化作用，見圖7。

圖6 矸石山穩(wěn)定性計算結果剖面圖

圖7 矸石山治理后

3 結論

通過利用GEO-Slope軟件和理論計算分析研究矸石山邊坡穩(wěn)定性，得到矸石山邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.307，基本滿足邊坡穩(wěn)定性要求。但考慮到露天場在地下水和地表水的共同影響下，矸石山依舊存在滑坡的可能性，同時為實現(xiàn)凈化空氣環(huán)境的目的進行黃土覆蓋，分層處理，提升邊坡穩(wěn)定性。