散體矸石力學參數標定與矸石山邊坡穩定性分析

楊木林，武 懋，李建華，吳榕真，賀艷軍

（1.神華包頭能源有限責任公司 李家壕煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017000；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州221116）

煤矸石是采煤過程和洗選過程中排放的固體廢物，是指在成煤過程中與煤層伴生的一種含碳量低、質地硬度高于煤的黑灰色巖石[1]。我國長久以來所存下的煤矸石大約有70 億t，而且目前我國煤炭行業每年還需要排放約2 億t 的煤矸石，從礦井中排出的煤矸石基本上均以地面堆放的形式而形成了矸石山。長期堆積的矸石形成的矸石山約1 600 多座，煤矸石的堆積不僅占用了大量的土地資源，從而也形成了大量的矸石山邊坡[2-3]。矸石山邊坡失穩是屬于矸石山事故中破壞性很大的一種，矸石山邊坡失穩會影響排矸工序的進行，也會威脅現場工人的生命安全[4-5]。另外更為嚴重情況的是，有很多居民的住所安置在了矸石山的附近，矸石的不正確堆放有很大可能性會造成滑坡、泥石流等地質災害，會給這些附近居住的人員的生命財產安全帶來巨大威脅[6]。所以為了保證矸石山邊坡的安全性，必須對其穩定性進行合理的評價和分析。

在矸石山的問題研究上，由于國外主要礦業大國現已經基本解決了矸石山堆積問題，因此與矸石山穩定問題的相關研究并不多見。而我國因受經濟發展的制約，近些年才逐步重視矸石山堆積問題的解決，關于矸石山治理的研究逐漸增加了[7]。近些年來由于各種建設的需要以及我國經濟建設以及基礎設施建設的迅速發展，在很大程度上推動了我國治理邊坡的技術水平不斷提高。邊坡穩定性研究主要包括2 部分：①對邊坡穩定性做出合理的評價；②對邊坡進行合理設計和提出有效的防治措施[8-9]。

李家壕煤礦矸石場位于工業廣場南側400 m 處霍沙兔溝左岸一級支溝內，占地面積30.2 hm2，現處理面積34 683 m2，矸石山最高處與工業廣場的高差約82 m，由于邊坡較高較陡，凸凹不平，矸石山對于礦井的安全生產的威脅日益增加。為此對李家壕煤礦矸石力學性質和矸石山堆積邊坡的治理展開分析。

1 散體矸石的側限壓縮試驗

研究散體矸石堆積體的邊坡穩定性，首先需要研究散體矸石的整體力學參數，用以邊坡安全系數的計算，然而對于散體矸石無法直接制作成樣測試力學強度參數，所以需要借助模擬軟件進行反演，來測得散體矸石的抗剪強度參數[10]。顆粒流軟件PFC3D能夠有效地模擬散體材料特性，因此可以用來對矸石進行三軸壓縮模擬試驗測試[11]。在PFC3D數值模擬中，是通過對材料顆粒的細觀參數進行數值計算的，而細觀參數無法測定，所以設計了一種物理壓縮試驗，并在PFC3D中實現數值模擬耦合，并認為當物理壓縮試驗與數值模擬過程中的加載路徑基本一致時，PFC3D中的細觀參數能夠表征該材料的宏觀力學特性[12]。PFC3D反演散體矸石力學參數過程如圖1。

1.1 矸石的側限壓縮物理試驗

圖1 PFC3D 反演散體矸石力學參數過程Fig.1 PFC3D inversion of mechanical parameters of bulk gangue

設計的物理壓縮試驗裝置由1 個鋼筒和1 個鋼芯組成，鋼筒的內徑為5 cm，鋼筒內可以放入散體矸石物料，然后通過萬能試驗機伺服控制給鋼芯施壓，壓縮鋼筒內的散體矸石，實現對散體矸石的側限壓縮，并記錄壓縮過程中軸向變形與軸向壓力的實時關系，用于PFC3D中的耦合模擬。

由于試樣尺寸有限，所以為了減少矸石顆粒不均勻性對試驗結果產生的影響，使用分級篩篩選出了粒徑在5～10 mm 的矸石顆粒進行側限壓縮試驗。

1.2 矸石的側限壓縮模擬試驗

應用PFC3D數值分析軟件生成與側限壓縮試驗中的鋼筒相同尺寸的墻體，鋼芯用軟件中的墻體加載板代替。使用隨機函數生成直徑在5～10 mm 的球體顆粒來代表矸石塊體[13]，設置該粒徑尺寸范圍是考慮到了以往試驗中會遇到由于矸石粒徑波動范圍較大，導致出現難以控制模擬試驗中的參數問題。通過代碼控制模型頂部的墻體進行伺服控制，壓縮墻體內部的球體顆粒，并在壓縮過程中實時輸出對散體矸石側限壓縮得到的應力值變化情況，繪制成應力應變曲線，將其與矸石的側限壓縮物理試驗結果進行對比，同時不斷調整球體顆粒間的微觀參數，使得2 種試驗方法中的應力加載路徑大致吻合, 同時確定了PFC3D數值分析中的最終模擬參數。球體顆粒的細觀參數見表1。散體矸石壓縮試驗的軸向應力-應變曲線如圖2。

表1 球體顆粒的細觀參數Table 1 Microscopic parameters of spherical particles

2 基于PFC3D 的抗剪強度參數

為測定散體矸石的抗剪強度參數測定，在PFC3D中建立三軸壓縮模擬試驗的模型，模型主要由上下加載板和側限筒構成，內部生成的球體顆粒為散體矸石的模擬實體。

圖2 散體矸石壓縮試驗的軸向應力-應變曲線Fig.2 Axial stress-strain curves of granular gangue compression experiments

在模擬試驗中的側限筒和上下部加載板上分別布置監測點，以監測在三軸壓縮過程中散體矸石試樣的軸向應力和側向應力。在三軸壓縮過程中，通過調整側限筒的剛度，可以實現散體矸石在不同圍壓下的三軸壓縮試驗。經過模擬試驗得到圍壓在5、6、7、8 MPa 下的應變-應力加載曲線，三軸壓縮軸向應變-應力曲線如圖3，4 種圍壓從大到小依次對應的最大軸向應力分別為17.5、21.2、24.1、28.1 MPa。

圖3 三軸壓縮軸向應變-應力曲線Fig.3 Axial stress-strain curves of triaxial compression

由于散體矸石的黏聚力很小，其堆積體的抗剪強度主要由內摩擦角決定，所以可以將散體矸石的三軸壓縮模擬數據按照無黏性土進行處理，依據圖3 模擬結果繪制出莫爾圓和抗剪強度曲線。通過漸近線擬合得到散體矸石的內摩擦角為34°。

3 矸石山邊坡穩定性

很多矸石山由于運費及排放速度的問題都堆放在了距離礦山較近的地方，堆放地區的選擇以及地形的選擇等問題很大程度上是由企業的選擇而決定的[14]。李家壕煤礦的矸石山位置如圖4，矸石山表層是為了防止矸石揚塵和復植植被而覆蓋的土體，矸石山主體上可以分為3 部分，其中對工業廣場威脅最大的是位于東北部的1 號山體，該山體在3 座矸石山中高度最大，目前在該山體上的排矸工作已經結束，需要驗證該矸石山的穩定性現狀，采取相應的護坡措施，以確保下部工業廣場的安全性。

圖4 李家壕煤礦矸石山位置Fig.4 Location of gangue hill in Lijiahao Coal Mine

3.1 矸石山邊坡穩定性

FLAC3D通過折減抗剪強度參數黏聚力c 和內摩擦角φ 來計算邊坡安全系數的。當折減至邊坡發生破壞時，而此時的折減數值即為邊坡的安全系數[15]。根據地形掃描結果通過GIS 建立全局模型，并在FLAC3D中對整體模型的塑性區分布進行了分析，矸石山整體模型的塑性區狀態如圖5。

在分析結果中標出了2 個大范圍的剪切塑性區及其潛在滑動方向，這2 個位置分別分布在1 號矸石山的西側及3 號矸石山的南側，根據滑動方向可以發現這2 個位置的破壞均不會影響下部工業廣場的安全性。

圖5 矸石山整體模型的塑性區狀態Fig.5 Plastic zone state of the whole model of gangue hill

為了再次確定工業廣場位置的安全性，在建立全局模型的基礎上，進行了二維的穩定性分析，分析位置選擇了圖4 中紅色直線所示的2 個剖面，在FLAC3D建立了分析模型，將a 剖面和b 剖面位置處計算結果調整為同一云階顯示, 1 號矸石山西北部邊坡剖面x 方向位移云圖如圖6。

圖6 1 號矸石山西北部邊坡剖面x 方向位移云圖Fig.6 x-direction displacement nephogram of slope section in northwest of No.1 gangue hill

煤礦生產中通常要求排棄物堆積體的安全系數要達到1.2，以保證長期的安全穩定[16-17]。可以發現2個剖面位置處的安全系數均在1.2 左右，云圖上顯示的位移量較大的區域為頂部的2 個臺階。a 位置處的剖面安全系數小于1.2，可能需要采取相應措施以防止出現滑坡事故；b 位置剖面的坡度較緩，安全系數大于1.2，穩定性要優于a 位置。但是通過不同位移量的分布云圖可以發現，出現大位移的區域很小，折減計算后發生滑移的邊坡巖體位移量也不大，屬于局部滑移破壞類型，所以發生大規模滑坡事故的概率較小，防護區域應該集中在上部2 個臺階位置，避免局部失穩。

3.2 矸石山邊坡防護措施建議

建議的矸石山邊坡防護措施如下[18-19］：

1）利用人工建造支擋物。采用大型預應力錨桿（錨索）、抗滑樁或者修筑擋土墻進行支擋。但是對散體矸石堆積形成的矸石山進行鉆孔時容易出現塌孔的問題，所以通常不建議使用此方法。

2）對穩定性較差的邊坡進行削坡、壓坡腳操作。對于該研究問題中的矸石山邊坡，在保證下部臺階穩定的前提下，可以對上部2 個臺階進行壓坡腳排矸工作，以提高局部的穩定性。

3）通過增強邊坡體的強度來提高邊坡的穩定性。疏干排水，減少水對巖士體的弱化作用；注漿，提高邊坡坡體的完整性。矸石山坡體內部存在較多的裂隙和結構面，滲透性好，具備注漿條件。

4 結 語

1）設計了散體矸石物料的物理和數值模擬側限壓縮試驗，在PFC3D中通過多次擬合調整獲取了散體矸石的微觀參數，該參數很好的表征了散體矸石材料的壓縮力學特性。

2）借助模擬軟件PFC3D對散體矸石的宏觀力學參數進行了反演分析，通過三軸壓縮模擬試驗測得了散體矸石的抗剪強度參數，按照無黏性土處理得到散體矸石的抗剪強度參數內摩擦角為34°。

3）通過FLAC3D對李家壕煤礦1號矸石山邊坡進行了穩定性分析，根據矸石山整體的塑性分布情況，確定了潛在剪切破壞位置，發現該位置的破壞對工業廣場影響較小。二維穩定性分析所選位置的安全系數在1.2 左右，邊坡整體穩定性基本滿足安全要求。根據位移云圖確定防護區域應該集中在上部2個臺階位置，能夠有效避免局部失穩。