矸石山穩定性分析及治理工程設計

崔彥鵬

(西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200)

引 言

煤炭是我國國民經濟發展的關鍵動力，隨著綜采工藝及綜采設備自動化水平的不斷提升，煤炭生產能力不斷提升。煤炭的高效開采在助力我國經濟快速的發展的同時，還帶來了多種生態問題，包括地面塌陷、地下水流失、煤矸石污染等。

煤矸石為煤炭開采的附屬產物，其大多數被儲存于荒山中。煤矸石的大量堆積會造成所在區域生產力下降，周邊區域地下水被污染、大氣環境被污染；而且，當煤矸石堆積過高時容易出現滑坡、泥石流等地質災害，嚴重威脅著公共社會的安全[1]。因此，對于煤矸石而言除了需采用適當的手段對其處理外，還需對其穩定性進行分析并對應性的提出治理措施。本文將針對矸石山的穩定性進行分析，并完成矸石山治理工程的設計。

1 工程概況

山西焦煤有限責任公司屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km處,距太原市60 km，地理坐標：經度112°29′26″，緯度37°50′42″。

礦井于1988年開工建設，1997年10月31日建成并開始試生產，2002年10月正式投產，原設計生產400萬t/a，核定生產能力為450萬t/a。井田面積64.49 km2，主要煤種有焦煤(61.1%)、瘦煤(26.7%)、肥煤(11.1%)和少量貧煤。礦井采用“兩斜一立”綜合開拓方式，實現了綜采綜掘，采掘機械化率達到了100%。

南梁矸石山2012年已完成生態恢復治理進行了封場，并交付當地農民使用。屯蘭礦現正在使用的矸石山為周寨溝矸石山，2012年6月開始服役，至今已排矸7年，形成13個平臺，矸石累計堆積量800萬t。矸石山治理采取“由內而外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防擴散、防自燃”的原則堆放矸石，防止出現自燃和爆炸。以南梁矸石山為例開展一系列研究，包括對其穩定性進行分析，并提出相應的治理工程。

2 矸石山地質條件及穩定性分析

2.1 矸石山地質條件分析

煤矸石山的穩定性分析需充分結合所對堆放煤矸石周邊區域的地理條件和工程地質條件。其中，地理條件主要與當地的氣象和水文條件相關；而地質條件主要與周邊區域的地形地貌、地層巖性、地質構造、水文地質、地震及不良地質現象以及其他人類工程活動等相關[2]。其中，影響煤矸石山穩定的主要因素為工程地質條件。南梁矸石山所處區域的地層巖層，如第90頁表1所示。

結合對矸石山所在區域水文地質條件的勘測結果，該區域的含水類型包括有孔隙水和巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要與當地的降水量和矸石山的滲透系數相關。南梁矸石山的滲透系數，如第90頁表2所示。

經分析表2所測得南梁矸石山的滲透系數可知，南梁矸石山的滲透性較好，且其相對應的儲水性能較差。此外，結合對南梁矸石山鉆孔的簡易水位觀測，該矸石層無統一水位。

綜合南梁矸石山巖溶裂隙水的鉆探結果可知，矸石山中所出現的溶蝕裂隙的直徑很小，且未發現其他的溶洞和落水洞等情況。因此，南梁矸石山的水文地質相對簡單。

2.2 矸石山穩定性分析

經對現階段南梁矸石山的外形進行初步觀測可知，該矸石山南、北、西三側的矸石處于外露狀態，其穩定較好；而矸石山東側的坡度較大，穩定性極差[3]。因此，本文主要以矸石山的東側為例開展研究。

表1 南梁矸石山地層巖性分析

表2 南梁矸石山滲透系數

此外，結合對南梁矸石山的地質條件的勘測結果，其安全隱患主要源于矸石山可能沿基巖面產生滑動和矸石山東側發生滑坡。因此，針對矸石山存在沿基巖面滑動的問題，采用折線法對矸石山整體穩定性進行分析；而針對矸石山存在從內部剪出的隱患，采用圓弧法對矸石山東坡的穩定性進行分析。在實際穩定性分析中，將矸石山在天然狀態和暴雨狀態下的安全系數均取為1.25，并根據煤矸石山的實際勘測所得矸石的參數對室內模型參數進行模擬計算。計算結果，如表3所示。

表3 南梁矸石山穩定性計算結果

經對南梁矸石山采用折線法對其整體穩定性進行分析可知，其各個剖面的平均系數為1.45，大于其在天然和暴雨季的安全值。故，可知南梁矸石山整體穩定性較好不會沿著基巖面發生滑移現象；

經對南梁矸石山東側采用圓弧法進行穩定性分析可知，一級、二級以及三級矸石山各個剖面在天然狀態和飽和狀態下的安全系數小于1.25，即南梁矸石山東側處于基本穩定狀態[4]。

2.3 矸石山穩定性結果

經對南梁矸石山地質條件及周邊區域調查分析可知，在現有階段的治理方案下矸石山尚未出現變形和裂縫的情況。鑒于南梁矸石山東側的坡度較大在雨季的條件下，其內部的煤矸石存在被剪出的隱患，存在加大的危害性。

經采用折線法對矸石山整體穩定性和圓弧法對矸石山局部穩定性進行分析可知，南梁矸石山在天然狀態下處于穩定狀態；而在雨季飽和狀態下其安全系數低于1.25處于基本穩定狀態。

綜上所述，需對南梁矸石山進行合理治理。

3 矸石山治理工程設計

結合屯蘭煤礦的的實際排矸量和南梁矸石山穩定性分析結果，為有效避免自燃、滑坡等矸石山災害事故。主要治理工藝具體如下：

1) 總體原則:采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚散、防自燃”的原則堆放矸石，防止出現自燃和爆炸[5]。

2) 主要工藝：首先在溝口修筑攔矸壩，接著從溝底由里向外分層傾倒矸石，距攔矸壩頂50 cm時，用黃土覆蓋并碾壓至與攔矸壩頂齊平形成第一級平臺；從第一級平臺向后退形成約3 m寬的馬道，再由里向外堆放第二級平臺，第二級平臺邊坡坡度為1:1.5，高度為5 m～8 m左右，坡面用黃土覆蓋并壓實，從第二級平臺后退形成馬道，再依次修建臺階狀平臺；頂部平臺、馬道、護坡的排水溝，采用土工膜和裝有營養土的土工袋構筑；平臺表層覆蓋表土后，交叉種植適宜當地的喬、灌、草結合的植物，形成植物落葉立體水土防護體系。

此外，針對南梁矸石山的治理還對其生態進行恢復，并通過護坡工程、滅火工程和植被恢復工程等實施。

護坡工程：對矸石山進行山體整形，修筑柔性護坡、馬道、上山道路及柔性排水；

滅火工程：用綜合滅火措施如挖除火源、噴射注漿、深孔注漿、封堵風門等科學配合實施；

植被恢復工程：以恢復生態學為理論基礎，通過物理、化學、生物技術手段，控制待恢復生態系統的演替過程和發展方向，重建生態系統的結構和功能。依賴土壤基質配比技術、植物物種選擇技術，運用植生袋、客土噴播技術進行植被恢復，模擬植被自然演替規律，實現植被的快速恢復和生態系統的維持。

4 結語

煤矸石為煤炭生產不可避免的附屬產物，為解決煤矸石對生態環境和居民生活的危害，本文以及屯蘭礦南梁矸石山為例進行研究，總結如下：

1) 南梁矸石山整體穩定性較好，但其東側坡度較大在余量飽和狀態下安全系數小于1.25，處于基本穩定狀態對周圍局面的威脅較大；

2) 針對南梁矸石山的現狀及現階段治理措施，采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚散、防自燃”的原則進行治理，并通過護坡工程、滅火工程和植被恢復工程對周邊生態環境進行恢復。