采動影響下某矸石山穩定性分析

李躍龍，王文慧，周錦華，王樂杰

(大地工程開發(集團)有限公司， 北京 100102)

0 引言

我國作為世界上最大的煤炭資源生產國和消費國，在煤炭資源開采過程中產生了大量的煤矸石，堆放的煤矸石不僅壓覆了礦山煤炭資源，縮短了礦山服務年限，而且還存在矸石山發生失穩滑坡、泥石流等地質災害的隱患。為安全合理地采出矸石山下煤炭資源，有必要對采動影響下的矸石山的穩定性進行研究[1]。

目前國內外學者已經對采動影響下的邊坡穩定性進行了一定的研究，并取得了一些研究成果。對于邊坡穩定性的分析方法主要有兩類：一是建立在剛體極限平衡理論上的極限平衡法[2-6]；二是以有限元為代表的數值計算方法[7-8]，如 ANASYS、FLAC等。其中極限平衡法將滑坡體劃分為一個個小條塊，假定條塊為剛體，按滑動土體力的平衡建立靜力平衡方程組，通過求解靜力平衡方程組，可計算出邊坡穩定的安全系數。由于極限平衡法能給出物理意義明確的邊坡穩定安全系數以及可能的破壞面，因此在工程應用中被廣泛地采用。

1 矸石山概況

該矸石山由山坡堆積而成，已陸續堆填煤矸石約400萬m3，形成了一、二、三級矸石山平臺，矸石山占地面積約0.288 km2。矸石山平臺一般坡高20～35 m，最大坡高達78 m（矸石山北坡）。矸石山最高點+516 m（矸石山三級平臺），最低點+310 m。

根據勘查資料，矸石山各地層由上到下分別為：第四系全新統雜填土、第四系全新統坡殘積粘土、三疊系下統嘉陵江組四段泥質灰巖。各地層的物理力學參數見表1。

表1 巖土體物理力學參數

2 保護性開采方案設計

該矸石山區域主要開采4#、6#煤層，平均采厚分別為2.4 m和1.4 m，煤層傾角約為20°，為傾斜煤層。由于受三級平臺滑坡威脅的山腳區域已無建筑物等設施，因此對三級平臺下煤層進行全部開采，二級平臺正下方煤層放棄開采，側下方煤層部分開采，綜合采用部分開采、協調開采等井下開采保護措施確定本次工作面開采順序為 3602三段（-250 m）→3602四段（-310 m）→3402二段（-200 m）→3402三段（-270 m），工作面布置如圖1、圖2所示。

3 矸石山變形計算

利用概率積分法[9-10]對矸石山下部分煤炭資源開采后的矸石山變形情況進行計算，繪制相應的下沉、傾斜變形、水平變形等值線計算圖（見圖 2、圖3）。矸石山地表變形情況見表2。由表2、圖2、圖3可知，矸石山最大變形損害為Ⅱ級（水平變形小于4 mm/m），一級平臺、二級平臺邊坡傾斜變形與其坡向相反，減小了矸石山的坡度，利于矸石山穩定性；但矸石山三級平臺邊坡傾斜變形與其坡向一致，略微增加了矸石山的坡度，將對矸石山穩定性產生不利影響。

圖1 4#煤層工作面布置

圖2 6#煤層工作面布置

圖3 保護性開采結束矸石山移動變形等值線圖

表2 開采結束后矸石山地表移動變形值

4 矸石山穩定性極限平衡分析

4.1 滑坡模式分析

根據現場勘探成果，該矸石山堆積體底部有一層0.3 m～1.8 m的硬塑～可塑狀的黏性土，加之在地下水及降雨入滲浸潤的長期作用下，水分入滲基底，軟化或溶蝕、潛蝕基底接觸面介質，使得矸石山與下伏基底之間存在一層力學強度指標較低的軟弱面。該軟弱面的力學強度指標較低，小于矸石山本身及基底的力學強度，因此該矸石山失穩模式為沿基底接觸面產生的塑流-拉裂型變形破壞，即滑坡是通過矸石山物料和基底二者之間的接觸面滑動。在矸石山自身組織變化及外界擾動作用下，原有平衡狀態被打破，接觸面處介質向臨空方向產生塑性流動，上覆矸石山拉裂、解體和不均勻沉陷，進而導致坡體滑動失穩。

4.2 計算剖面及參數修正

根據矸石山不穩定斜坡的基本特征，選取 10個不同的剖面作為穩定性計算剖面，各剖面位置見圖 4，采用地表移動變形計算值對原矸石山坡體剖面進行修正，并根據修正后的邊坡剖面進行穩定性計算，剖面修正如圖5所示。

圖4 矸石山剖面位置

保護性開采結束后水平變形在Ⅱ級變形以內（拉伸小于4 mm/m）且采深采厚比大于120倍，開采不易造成矸石山表面形成裂縫，開采過程中及開采結束時，拉伸變形僅對矸石山整體強度產生輕微影響，為此，在計算矸石山穩定性時，對受采動影響的矸石山力學強度進行修正，取值為自然狀況下的90%。

圖5 剖面修正示意

4.3 計算結果

考慮到該矸石山可能出現的滑坡模式為沿基底接觸面的滑動，滑面可能為任意形狀，因此采用極限平衡分析法中的 Morgenstern－Price法計算矸石山邊坡穩定性。根據《地質災害防治工程勘察規范》（DB 50/143-2003），滑坡穩定狀態劃分見表3。采用Geo-Slope軟件對各剖面搜索潛在滑面，進行矸石山邊坡穩定性計算，計算結果見圖 6，由于篇幅所限，本文只列出了6-6′剖面和7-7′剖面的計算結果，其它剖面計算結果詳見表4。

計算結果表明：

表3 滑坡穩定狀態劃分

圖6 計算結果

表4 矸石山邊坡穩定性安全系數計算結果

（1）保護性開采結束后矸石山各剖面除 7-7′剖面外穩定系數均大于1.15，為穩定狀態。

（2）保護性開采結束后 7-7′剖面穩定性系數偏低，存在局部失穩的可能性，需對三級矸石山平臺進行削坡減載（將原來邊坡坡角由36°降到30°，經計算，削坡減載后邊坡穩定性系數可達 1.15以上）。

5 結論

（1）確定了矸石山的邊坡失穩模式為沿基底接觸面產生的塑流-拉裂型變形破壞。

（2）保護性開采結束后，矸石山一、二級平臺為穩定狀態，需對三級平臺進行削坡治理，將坡角降至30°。

（3）矸石山三級平臺削坡治理后，矸石山下煤炭資源保護性開采在技術上是安全可行的。