溝谷填充推平式矸石山的穩定性研究與分析

閆勇生

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西　太原　030024； 2.霍州煤電集團 悅昌煤業，山西　洪洞　031400)

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溝谷填充推平式矸石山的穩定性研究與分析

閆勇生1,2

(1.太原理工大學 礦業工程學院，山西太原030024； 2.霍州煤電集團 悅昌煤業，山西洪洞031400)

摘要我國煤炭工業的不斷發展，伴生出數量眾多的矸石山可能引起地質災害，對當地的人身安全和財產安全造成威脅。本文在某矸石山布置了測線和觀測站，通過現場實測，分析了各測線的動態分布特征規律，得出在不同條件下矸石山的穩定狀態，為矸石山的土地復墾和作物種植提供參考依據。

關鍵詞矸石山；溝谷填充；邊坡；穩定性

通過對某矸石山基地進行現場調研和考察，并查閱相關文獻，收集到了矸石山所在地的地質情況、地貌特征、氣候特征、衛星影像圖以及矸石散體的物理力學參數和水力學參數等資料，為該矸石山穩定性的研究和分析做準備。通過采用全站儀和RTK對該矸石山的測線和測樁進行定期的現場監測，分析所測數據可以得出：該矸石山基地的邊坡邊緣區域的變形大于其內部區域的變形，其在豎直方向的變形大于在x方向的變形，在x方向的變形大于在y方向的變形，且該矸石山基地的變形值都較小，即該矸石山整體上屬于穩定狀態。通過采用GeoStudio軟件模擬該矸石山在表面覆土前、后，分別在自然狀態下和降雨狀態下的邊坡穩定性，可以得出：矸石山在覆土后比覆土前的穩定性有所減小，且隨著降雨持續時間的增加和降雨強度的增大，矸石山受到的孔隙水壓力、體積水含量、水平位移、垂直位移、最大剪應變都在增加，安全系數都在減小。當降雨時間持續90 d，降雨強度為24 mm/d時，矸石山處于穩定狀態；降雨強度為45 mm/d時，矸石山處于極限平衡狀態；降雨強度為90 mm/d時，矸石山處于失穩狀態。對比矸石山體的水平、垂直位移變形量及孔隙水壓力變化，可以得出：矸石山體的垂直變形大于水平變形，且矸石山覆土前孔隙水壓力的增加幅度大于覆土后的增加幅度，覆土后矸石山底部的孔隙水壓力幾乎不變，覆土前在矸石山底部出現了飽和區，覆土后未出現飽和區。

本文采用理論分析、現場實測和數值模擬相結合的方法對該矸石山在不同條件下的穩定性進行研究和分析，為下一步對矸石山的土地復墾和作物種植提供參考依據。該研究對全國范圍內類似條件下的其他矸石山的穩定性研究具有借鑒意義。

1邊坡穩定性分析機理

某矸石山基地是由生產排出的矸石散體經過長時間的填埋、堆積和推平，且在矸石散體填埋結束，待其沉淀一段時間后往矸石散體上覆土而形成的。同時，基地的邊緣部分就形成了傾斜邊坡狀。因此，為了研究該矸石山的穩定性，需要從邊坡穩定性分析機理入手，重點研究巖土體邊坡穩定性的理論，分析巖土體參數變化對邊坡穩定性的影響、降雨入滲對邊坡穩定性的影響等內容。

邊坡的穩定性研究是分析邊坡在不同條件下從穩定狀態變成失穩滑坡狀態過程的重要課題，了解巖土體邊坡結構從穩定到失穩滑坡的機理能更好地理解邊坡穩定性的本質原因。大量的研究表明，邊坡從穩定到失穩滑坡的本質原因是邊坡土體受到剪切的力學行為和巖土體材料抗剪強度共同發揮作用的結果。一方面，組成邊坡的巖土體具有各自材料的不同強度特性；另一方面，邊坡結構體也具有不同的應力狀態。

2矸石山穩定性的現場監測

2.1現場監測布置方案

1) 測線布置方案。由于該矸石山基地的不穩定性主要發生在邊坡部分，為了充分且完整地監測邊坡的不穩定性，沿著該矸石山的邊坡邊緣向內偏移1 m處布置第一條測線，記為測線A，測線A的實際長度為675 m；為了更好地監測整個矸石山基地的不穩定性，除了在邊坡邊緣布置測線外，在邊坡邊緣向里布置第二條測線，記為測線B，測線B距離測線A的平均距離為45 m，測線B的實際長度也為675 m；同時為了監測矸石山基地靠近內部的穩定性，在偏內的區域布置了第三條測線，記為測線C，測線C的實際長度為132.6 m.

2) 觀測站布置方案。選取穩定的山包作為基準樁的布置點，分別在基地周邊的3個山包頂各布置一個基準點，記為：K1、K2和K3；3條測線A、B和C全部依照每間隔45 m的距離布置一個觀測樁，其中，測線A上需要布置16個測樁，記為A1～A16；測線B上需布置16個測樁，記為B1～B16；測線C上需布置4個測樁，記為C1～C4，共計36個測樁，且各測線上的測樁都是按照從南向北的順序依次編號。測線與觀測站的布置方案以及測量坐標系的建立見圖1.

圖1　測線與觀測站布置方案圖

2.2現場實測數據分析

分別對該矸石山基地進行了4次觀測，將觀測所得的數據與各測點的初始坐標進行對比分析，得出測線A、B和C相對應的豎直變形量、傾斜變形量、水平移動量和水平變形量，并繪制成動態分布曲線。

2.2.1豎直變形曲線動態分布特征

測線A上各測點的豎直變形曲線見圖2.

圖2　測線A上各測點的豎直變形曲線圖

測線B、C上各測點的豎直變形曲線見圖3.

圖3　測線B、C上各測點的豎直變形曲線圖

2.2.2傾斜變形曲線動態分布特征

測線A上各測點在x方向的傾斜變形曲線見圖4.

圖4　測線A上各測點在x方向的傾斜變形曲線圖

2.2.3水平移動曲線動態分布特征

測線A上各測點沿x方向水平移動曲線見圖5.測線B、C各測點沿x方向水平移動曲線見圖6.

圖5　測線A上各測點沿x方向水平移動曲線圖

圖6　測線B和C各測點沿x方向水平移動曲線圖

2.2.4測線動態分布特征規律

通過對比測線A、B和C的豎直變形曲線、傾斜變形曲線、水平移動曲線，可以得出以下規律：

1) 測線A的豎直變形、傾斜變形、水平移動和水平變形都大于測線B和測線C的變形，表明該矸石山基地的邊坡邊緣區域的變形大于其內部區域的變形。

2) 測線A的最大豎直變形為-32 mm，最大x方向變形為-17 mm，最大y方向變形為12 mm；測線B的最大豎直變形為-23 mm，最大x方向變形為-10 mm，最大y方向變形為13 mm；測線C的最大豎直變形為-12 mm，最大x方向變形為-4 mm，最大y方向變形為7 mm. 從上述數據可以看出，該矸石山基地的變形值都較小，即該矸石山基地整體上屬于穩定狀態，且隨著時間的增加，矸石山的變形越來越小。

3) 沿x方向，測線A在測點A4附近出現了最大傾斜變形量，為14.20 mm/m，在測點A3和A4之間具有較大的水平變形，最大拉伸變形值為+8.46 mm/m，最大壓縮變形為-11.36 mm/m；沿y方向，測線A在測點A10和A11附近出現了最大傾斜變形量為0.86 mm/m，在測點A10和A11之間具有較大的水平變形，最大拉伸變形值為+0.12 mm/m，最大壓縮變形為-0.49 mm/m；測線B、C在x、y方向的變形規律性不強，且變形值都較小，表明該矸石山的邊坡邊緣在測點A4、A5、A10和A11這4個測點附近易發生變形。

4) 由于降雪形成水體，2015年1月13日—2月11日，該矸石山的變形相對較大，表明水體對矸石山穩定性的影響較大。

3結論

1) 該矸石山在自然狀態下，覆土后的矸石山比覆土前的穩定性有所減小。當降雨強度一定時，隨著降雨持續時間的增加，矸石山受到的孔隙水壓力、體積水含量、水平位移、垂直位移、最大剪應變都在增加，安全系數都在減小；降雨持續時間一定時，隨著降雨強度的增大，矸石山受到的孔隙水壓力、體積水含量、水平位移、垂直位移、最大剪應變都在增加，安全系數都在減小。

2) 在自然狀態下的覆土前后，該矸石山的安全系數都大于1，即矸石山處于穩定狀態；在降雨強度為24 mm/d，降雨持續時間為90 d時，安全系數也都大于1，矸石山也處于穩定狀態；在降雨強度為45 mm/d，降雨持續時間為90 d時，安全系數接近1，矸石山處于極限平衡狀態；在降雨強度為90 mm/d，降雨持續時間為90 d時，安全系數都小于1，矸石山處于失穩狀態，即出現了滑坡。

3) 在降雨強度為24 mm/d時，該矸石山覆土前，連續降雨90 d時，矸石山體頂部孔隙水壓力為-70.62 kPa，底部壓力為120.9 kPa，最大體積含水量為2.57，坡腳處的最大水平位移為3.016 cm，頂部的最大垂直位移為13.01 cm；該矸石山覆土后，連續降雨90 d時，矸石山體頂部孔隙水壓力為-133.5 kPa，底部壓力為64.91 kPa，最大體積含水量為22.62，邊坡邊緣的最大水平位移為34.66 cm，頂部的最大垂直位移為53.51 cm.

4) 對比矸石山體發生的水平位移變形量和垂直位移變形量，可以得出，矸石山體的垂直變形大于水平變形；且矸石山覆土前孔隙水壓力的增加幅度大于覆土后的增加幅度，覆土后矸石山底部的孔隙水壓力幾乎不變；覆土前在矸石山底部出現了飽和區，覆土后未出現飽和區。

參考文獻

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(E-mail)1737122209@qq.com

Research and Analysis on Stability of Gangue Dump

Accumulated by Valleys Filling and Bulldozing

YAN Yongsheng

AbstractWith the continuous development of coal industry, a large number of gangue dumps that are associated may cause geological disasters, threatens the local personal safety and property security. Arranges the measuring line and station in a gangue dump. Through field measurement analyzes the dynamic distribution rule of lines, obtains the steady state of gangue dump in different conditions, it provides reference for land rehabilitation and crop cultivation of gangue dump.

Key wordsGangue dump; Valleys filling; Side slope; Stability

中圖分類號：TD824.7

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)10&11-0043-04

作者簡介：閆勇生(1972—)，男，山西汾西人，1996年畢業于山西礦業學院，太原理工大學在讀在職研究生，高級工程師，主要從事煤礦開采工作

收稿日期：2015-08-13