煤矸石傾倒過程中的運(yùn)動(dòng)特征對(duì)矸石山非均質(zhì)性的影響研究

趙芳芳ZHAO Fang-fang；蓋迪GAI Di

（①遼寧省交通高等專科學(xué)校建筑工程系，沈陽(yáng) 110122；②東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110819）

（①Department of Architectural Engineering，Liaoning Provincial College of Communications，Shenyang 110122，China；②College of Resources and Civil Engineering，Northeast University，Shenyang 110819，China）

0 引言

矸石山不是土巖構(gòu)成的一般的山，在煤炭開采加工過程中，由于會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石，而且大齡煤炭企業(yè)并沒有合理的處理煤矸石，煤矸石在長(zhǎng)時(shí)間的堆積擠壓之下而逐漸形成矸石山。矸石山在形成過程中有著多種復(fù)雜多變的形式，不同的傾倒方式對(duì)矸石山內(nèi)部物質(zhì)顆粒的大小有著很關(guān)鍵的影響作用。

針對(duì)這一問題，在國(guó)外，Leibiger，Matschak（1969），Latif（1993），Prein（1994）等學(xué)者對(duì)煤矸石進(jìn)行了大量的研究工作，研究分析說明在煤矸石的傾倒的過程中會(huì)產(chǎn)生一種“質(zhì)量流（Mass Flow）”的作用。

而在國(guó)內(nèi)針對(duì)矸石山非均勻性的研究主要集中在形成之后對(duì)淺層煤矸石的研究，如胡振琪（1995）段永紅等（1999）董倩（2006）[1-5]，但對(duì)其整體結(jié)構(gòu)非均勻性還不明確，本文通過對(duì)矸石山的傾倒及堆積過程中，煤矸石在傾倒坡面上存在的力學(xué)特征入手，研究其對(duì)矸石山非均勻性形成的影響，為進(jìn)一步深入對(duì)矸石山的非均勻性研究做些專業(yè)知識(shí)鋪墊。

1 煤炭開采加工企業(yè)的矸石山堆積及其傾倒方式

大部分國(guó)內(nèi)的煤炭企業(yè)采用平地起堆式，溝谷填充式及靠山堆積等矸石山堆積方式，煤炭開采地區(qū)一般平原較廣，矸石山堆積，平地起堆式居多，本文主要針對(duì)平地起堆式矸石山展開研究。

2 煤矸石的粒徑組成及級(jí)配特征

煤矸石粒徑大小的影響因素很多，總體說來，生產(chǎn)加工工藝、開采技術(shù)、煤層密度等是主要影響因素。這就會(huì)導(dǎo)致粒徑大小呈現(xiàn)一定程度的波動(dòng)范圍，從巖土工程的角度來分析，一般按照一定粒徑變化范圍內(nèi)工程性質(zhì)相似這的原則，可以將矸石按其粒徑劃分為粗粒矸石、中粒矸石和細(xì)粒矸石，而各粒組的相對(duì)含量，即矸石顆粒級(jí)配可采用級(jí)配曲線及其特征粒徑和級(jí)配參數(shù)來表征。

3 煤矸石在坡面上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及影響因素

根據(jù)崩塌-落石相關(guān)理論，煤矸石傾倒后在傾倒坡面上的運(yùn)動(dòng)模式可分為兩種，即：①滾動(dòng)-滑動(dòng)模式；②彈跳運(yùn)動(dòng)模式。

3.1 滾動(dòng)-滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式 在此運(yùn)動(dòng)模式下，設(shè)g 為重力加速度，[L/T2]；μ 為運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)；則煤矸石沿傾倒坡面運(yùn)動(dòng)的加速度a[L/T2]為：

對(duì)于任意時(shí)刻t，由滾動(dòng)或滑動(dòng)產(chǎn)生的位移s 和煤矸石的運(yùn)動(dòng)速度v 分別為：

式中v0為初始速度，[L/T]。

由以上可知，煤矸石的運(yùn)動(dòng)位移與它的初始速度成正比。

3.2 彈跳運(yùn)動(dòng)模式 在彈跳模式下，設(shè)煤矸石的初始速度（即煤矸石自翻矸架傾倒時(shí)的瞬時(shí)速度）在水平和垂直方向的速度分量為vx,0、vy,0，[L]；翻矸架相對(duì)于地表的高度為H，相對(duì)于矸石山傾倒坡面的高度為h，[L]；則在任意時(shí)刻t 時(shí)煤矸石在傾倒坡面上的位置或運(yùn)動(dòng)軌跡可由下式確定：

設(shè)煤矸石在接觸傾倒坡面前的瞬時(shí)速度分量為v′x、，[L/T]，則有：

由于傾倒坡面上法向、切向恢復(fù)系數(shù)Rn、Rt所起到的減速作用，煤矸石在觸碰坡面后再次彈跳的初始速度分量為：

這里定義法向、切向恢復(fù)系數(shù)Rn、Rt分別為：

表征煤矸石在傾倒坡面上運(yùn)動(dòng)的計(jì)算公式（1）～（6）來源于經(jīng)典的剛體運(yùn)動(dòng)公式。在計(jì)算法向阻尼系數(shù)Rn時(shí)引入修正因子Rfactor（0≤Rfactor≤1）來體現(xiàn)質(zhì)量對(duì)Rn的影響，Rfactor計(jì)算公式如下：

式中Mrock為落石質(zhì)量，[M]；M0.5為當(dāng)Rfactor=0.5 時(shí)落石的質(zhì)量，[M]。

具體應(yīng)用時(shí)，若在一定質(zhì)量范圍內(nèi)給定Mrock，則可以通過（8）式計(jì)算出Rfactor。

以上可知，煤矸石在坡面上的運(yùn)動(dòng)位移受其運(yùn)動(dòng)速度影響，而碰撞造成煤矸石能量損失，速度減小，從而運(yùn)動(dòng)位移減小，同時(shí)位移又與煤矸石質(zhì)量成正比。

3.3 煤矸石在坡面上運(yùn)動(dòng)的影響因素 由于不同的位置因素，在煤炭企業(yè)實(shí)際堆放煤矸石時(shí)會(huì)出現(xiàn)不同的處理模式。煤矸石在矸石山的坡面上會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而且其運(yùn)動(dòng)的快慢及其運(yùn)行狀況主要受煤矸石自身體積大小的影響。體積大的煤矸石在向下滑落運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的重力勢(shì)能，運(yùn)動(dòng)到末端的速度也比較快，在向下運(yùn)動(dòng)過程中與其摩擦阻礙物相互碰撞，這就會(huì)導(dǎo)致體積較大的煤矸石撞碎；而體積較小的煤矸石其在向下運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的重力勢(shì)能較小，其運(yùn)動(dòng)末端的速度較慢，也滑落過程中也不易撞碎。坡面的坡度大小也是煤矸石運(yùn)動(dòng)的重要影響因素，坡度較大的矸石山上，煤矸石向下運(yùn)動(dòng)的速度也較快，反之亦然。煤矸石本身平滑度也是影響其運(yùn)動(dòng)的重要因素，越平滑的自然在滑落工程中速度較快。

4 結(jié)論

從以上分析可知，當(dāng)密度相同時(shí)，煤矸石在坡面上的運(yùn)動(dòng)位移與矸石山高度、初始速度、粒徑、球度和磨圓度成正比；在矸石山坡面上，隨矸石山高度的減小，煤矸石粒徑大小基本是遞增趨勢(shì)，而且球度和磨圓度大的落在坡面高度較低的位置。這與在矸石山表面觀察得到的結(jié)論是相同的。同樣，在矸石山的內(nèi)部即在矸石山堆積的初期也存在這種規(guī)律，只是隨堆積高度的增加這種現(xiàn)象越明顯。這是造成矸石山整體結(jié)構(gòu)非均勻性的主要因素。

總的來說，在煤炭企業(yè)開采加工中會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石，對(duì)煤矸石不同的處理模式將會(huì)形成不同的矸石山，矸石山的固體物質(zhì)成分、顆粒大小與煤矸石在矸石山上的運(yùn)動(dòng)速度有很大關(guān)系，同時(shí)，煤矸石的堅(jiān)硬程度、坡面物質(zhì)的疏松都會(huì)影響煤矸石的運(yùn)動(dòng)，希望本文的研究結(jié)果對(duì)于矸石山進(jìn)一步研究具有一定的參考價(jià)值。

[1]胡振琪.露天煤礦土地復(fù)墾研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1995.

[2]段永紅,白中科,趙景逵.陽(yáng)泉煤矸石山淺層煤矸石風(fēng)化物水分特征初探[J].煤炭學(xué)報(bào),1999,24（5）:533-537.

[3]段永紅,龐亨輝,王景華.陽(yáng)泉煤矸石山矸石風(fēng)化物剖面水分變化特征初探[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,21（2）:125-127.

[4]許麗.阜新礦區(qū)煤矸石山生境演變特征及其評(píng)價(jià)研究[D].北京林業(yè)大學(xué),2006：5.

[5]董倩.重慶地區(qū)矸石山堆積形態(tài)及穩(wěn)定性分析[D].重慶大學(xué)博士學(xué)位論文，2006：10.

[6]粟俊江.南桐煤礦殲石山的穩(wěn)定性分析及防治措施研究[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.