溝谷填充推平式矸石山的穩(wěn)定性研究與分析

閆勇生

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

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溝谷填充推平式矸石山的穩(wěn)定性研究與分析

閆勇生1,2

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

摘要我國煤炭工業(yè)的不斷發(fā)展，伴生出數(shù)量眾多的矸石山可能引起地質(zhì)災(zāi)害，對當(dāng)?shù)氐娜松戆踩拓?cái)產(chǎn)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(xiàn)場實(shí)測，分析了各測線的動態(tài)分布特征規(guī)律，得出在不同條件下矸石山的穩(wěn)定狀態(tài)，為矸石山的土地復(fù)墾和作物種植提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞矸石山；溝谷填充；邊坡；穩(wěn)定性

通過對某矸石山基地進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和考察，并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，收集到了矸石山所在地的地質(zhì)情況、地貌特征、氣候特征、衛(wèi)星影像圖以及矸石散體的物理力學(xué)參數(shù)和水力學(xué)參數(shù)等資料，為該矸石山穩(wěn)定性的研究和分析做準(zhǔn)備。通過采用全站儀和RTK對該矸石山的測線和測樁進(jìn)行定期的現(xiàn)場監(jiān)測，分析所測數(shù)據(jù)可以得出：該矸石山基地的邊坡邊緣區(qū)域的變形大于其內(nèi)部區(qū)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(wěn)定狀態(tài)。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(tài)下和降雨?duì)顟B(tài)下的邊坡穩(wěn)定性，可以得出：矸石山在覆土后比覆土前的穩(wěn)定性有所減小，且隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加和降雨強(qiáng)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(yīng)變都在增加，安全系數(shù)都在減小。當(dāng)降雨時(shí)間持續(xù)90 d，降雨強(qiáng)度為24 mm/d時(shí)，矸石山處于穩(wěn)定狀態(tài)；降雨強(qiáng)度為45 mm/d時(shí)，矸石山處于極限平衡狀態(tài)；降雨強(qiáng)度為90 mm/d時(shí)，矸石山處于失穩(wěn)狀態(tài)。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(xiàn)了飽和區(qū)，覆土后未出現(xiàn)飽和區(qū)。

本文采用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對該矸石山在不同條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究和分析，為下一步對矸石山的土地復(fù)墾和作物種植提供參考依據(jù)。該研究對全國范圍內(nèi)類似條件下的其他矸石山的穩(wěn)定性研究具有借鑒意義。

1邊坡穩(wěn)定性分析機(jī)理

某矸石山基地是由生產(chǎn)排出的矸石散體經(jīng)過長時(shí)間的填埋、堆積和推平，且在矸石散體填埋結(jié)束，待其沉淀一段時(shí)間后往矸石散體上覆土而形成的。同時(shí)，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(wěn)定性，需要從邊坡穩(wěn)定性分析機(jī)理入手，重點(diǎn)研究巖土體邊坡穩(wěn)定性的理論，分析巖土體參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響、降雨入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響等內(nèi)容。

邊坡的穩(wěn)定性研究是分析邊坡在不同條件下從穩(wěn)定狀態(tài)變成失穩(wěn)滑坡狀態(tài)過程的重要課題，了解巖土體邊坡結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定到失穩(wěn)滑坡的機(jī)理能更好地理解邊坡穩(wěn)定性的本質(zhì)原因。大量的研究表明，邊坡從穩(wěn)定到失穩(wěn)滑坡的本質(zhì)原因是邊坡土體受到剪切的力學(xué)行為和巖土體材料抗剪強(qiáng)度共同發(fā)揮作用的結(jié)果。一方面，組成邊坡的巖土體具有各自材料的不同強(qiáng)度特性；另一方面，邊坡結(jié)構(gòu)體也具有不同的應(yīng)力狀態(tài)。

2矸石山穩(wěn)定性的現(xiàn)場監(jiān)測

2.1現(xiàn)場監(jiān)測布置方案

1) 測線布置方案。由于該矸石山基地的不穩(wěn)定性主要發(fā)生在邊坡部分，為了充分且完整地監(jiān)測邊坡的不穩(wěn)定性，沿著該矸石山的邊坡邊緣向內(nèi)偏移1 m處布置第一條測線，記為測線A，測線A的實(shí)際長度為675 m；為了更好地監(jiān)測整個(gè)矸石山基地的不穩(wěn)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(shí)際長度也為675 m；同時(shí)為了監(jiān)測矸石山基地靠近內(nèi)部的穩(wěn)定性，在偏內(nèi)的區(qū)域布置了第三條測線，記為測線C，測線C的實(shí)際長度為132.6 m.

2) 觀測站布置方案。選取穩(wěn)定的山包作為基準(zhǔn)樁的布置點(diǎn)，分別在基地周邊的3個(gè)山包頂各布置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，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(gè)觀測樁，其中，測線A上需要布置16個(gè)測樁，記為A1～A16；測線B上需布置16個(gè)測樁，記為B1～B16；測線C上需布置4個(gè)測樁，記為C1～C4，共計(jì)36個(gè)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(biāo)系的建立見圖1.

圖1　測線與觀測站布置方案圖

2.2現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析

分別對該矸石山基地進(jìn)行了4次觀測，將觀測所得的數(shù)據(jù)與各測點(diǎn)的初始坐標(biāo)進(jìn)行對比分析，得出測線A、B和C相對應(yīng)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(tài)分布曲線。

2.2.1豎直變形曲線動態(tài)分布特征

測線A上各測點(diǎn)的豎直變形曲線見圖2.

圖2　測線A上各測點(diǎn)的豎直變形曲線圖

測線B、C上各測點(diǎn)的豎直變形曲線見圖3.

圖3　測線B、C上各測點(diǎn)的豎直變形曲線圖

2.2.2傾斜變形曲線動態(tài)分布特征

測線A上各測點(diǎn)在x方向的傾斜變形曲線見圖4.

圖4　測線A上各測點(diǎn)在x方向的傾斜變形曲線圖

2.2.3水平移動曲線動態(tài)分布特征

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

圖5　測線A上各測點(diǎn)沿x方向水平移動曲線圖

圖6　測線B和C各測點(diǎn)沿x方向水平移動曲線圖

2.2.4測線動態(tài)分布特征規(guī)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(guī)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(qū)域的變形大于其內(nèi)部區(qū)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(shù)據(jù)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(wěn)定狀態(tài)，且隨著時(shí)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(diǎn)A4附近出現(xiàn)了最大傾斜變形量，為14.20 mm/m，在測點(diǎn)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(diǎn)A10和A11附近出現(xiàn)了最大傾斜變形量為0.86 mm/m，在測點(diǎn)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(guī)律性不強(qiáng)，且變形值都較小，表明該矸石山的邊坡邊緣在測點(diǎn)A4、A5、A10和A11這4個(gè)測點(diǎn)附近易發(fā)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(wěn)定性的影響較大。

3結(jié)論

1) 該矸石山在自然狀態(tài)下，覆土后的矸石山比覆土前的穩(wěn)定性有所減小。當(dāng)降雨強(qiáng)度一定時(shí)，隨著降雨持續(xù)時(shí)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(yīng)變都在增加，安全系數(shù)都在減??；降雨持續(xù)時(shí)間一定時(shí)，隨著降雨強(qiáng)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(yīng)變都在增加，安全系數(shù)都在減小。

2) 在自然狀態(tài)下的覆土前后，該矸石山的安全系數(shù)都大于1，即矸石山處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨強(qiáng)度為24 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間為90 d時(shí)，安全系數(shù)也都大于1，矸石山也處于穩(wěn)定狀態(tài)；在降雨強(qiáng)度為45 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間為90 d時(shí)，安全系數(shù)接近1，矸石山處于極限平衡狀態(tài)；在降雨強(qiáng)度為90 mm/d，降雨持續(xù)時(shí)間為90 d時(shí)，安全系數(shù)都小于1，矸石山處于失穩(wěn)狀態(tài)，即出現(xiàn)了滑坡。

3) 在降雨強(qiáng)度為24 mm/d時(shí)，該矸石山覆土前，連續(xù)降雨90 d時(shí)，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(xù)降雨90 d時(shí)，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(fā)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(xiàn)了飽和區(qū)，覆土后未出現(xiàn)飽和區(qū)。

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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(xiàn)標(biāo)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(yè)于山西礦業(yè)學(xué)院，太原理工大學(xué)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