采動(dòng)影響下某矸石山穩(wěn)定性分析

李躍龍，王文慧，周錦華，王樂杰

(大地工程開發(fā)(集團(tuán))有限公司， 北京 100102)

0 引言

我國(guó)作為世界上最大的煤炭資源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，在煤炭資源開采過程中產(chǎn)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(wù)年限，而且還存在矸石山發(fā)生失穩(wěn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的隱患。為安全合理地采出矸石山下煤炭資源，有必要對(duì)采動(dòng)影響下的矸石山的穩(wěn)定性進(jìn)行研究[1]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)采動(dòng)影響下的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究，并取得了一些研究成果。對(duì)于邊坡穩(wěn)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(shù)值計(jì)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(gè)個(gè)小條塊，假定條塊為剛體，按滑動(dòng)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(jì)算出邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)。由于極限平衡法能給出物理意義明確的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及可能的破壞面，因此在工程應(yīng)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(xù)堆填煤矸石約400萬m3，形成了一、二、三級(jí)矸石山平臺(tái)，矸石山占地面積約0.288 km2。矸石山平臺(tái)一般坡高20～35 m，最大坡高達(dá)78 m（矸石山北坡）。矸石山最高點(diǎn)+516 m（矸石山三級(jí)平臺(tái)），最低點(diǎn)+310 m。

根據(jù)勘查資料，矸石山各地層由上到下分別為：第四系全新統(tǒng)雜填土、第四系全新統(tǒng)坡殘積粘土、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組四段泥質(zhì)灰?guī)r。各地層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 保護(hù)性開采方案設(shè)計(jì)

該矸石山區(qū)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(jí)平臺(tái)滑坡威脅的山腳區(qū)域已無建筑物等設(shè)施，因此對(duì)三級(jí)平臺(tái)下煤層進(jìn)行全部開采，二級(jí)平臺(tái)正下方煤層放棄開采，側(cè)下方煤層部分開采，綜合采用部分開采、協(xié)調(diào)開采等井下開采保護(hù)措施確定本次工作面開采順序?yàn)?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(jì)算

利用概率積分法[9-10]對(duì)矸石山下部分煤炭資源開采后的矸石山變形情況進(jìn)行計(jì)算，繪制相應(yīng)的下沉、傾斜變形、水平變形等值線計(jì)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(jí)（水平變形小于4 mm/m），一級(jí)平臺(tái)、二級(jí)平臺(tái)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(wěn)定性；但矸石山三級(jí)平臺(tái)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(duì)矸石山穩(wěn)定性產(chǎn)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(hù)性開采結(jié)束矸石山移動(dòng)變形等值線圖

表2 開采結(jié)束后矸石山地表移動(dòng)變形值

4 矸石山穩(wěn)定性極限平衡分析

4.1 滑坡模式分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(rùn)的長(zhǎng)期作用下，水分入滲基底，軟化或溶蝕、潛蝕基底接觸面介質(zhì)，使得矸石山與下伏基底之間存在一層力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較低的軟弱面。該軟弱面的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)較低，小于矸石山本身及基底的力學(xué)強(qiáng)度，因此該矸石山失穩(wěn)模式為沿基底接觸面產(chǎn)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(dòng)。在矸石山自身組織變化及外界擾動(dòng)作用下，原有平衡狀態(tài)被打破，接觸面處介質(zhì)向臨空方向產(chǎn)生塑性流動(dòng)，上覆矸石山拉裂、解體和不均勻沉陷，進(jìn)而導(dǎo)致坡體滑動(dòng)失穩(wěn)。

4.2 計(jì)算剖面及參數(shù)修正

根據(jù)矸石山不穩(wěn)定斜坡的基本特征，選取 10個(gè)不同的剖面作為穩(wěn)定性計(jì)算剖面，各剖面位置見圖 4，采用地表移動(dòng)變形計(jì)算值對(duì)原矸石山坡體剖面進(jìn)行修正，并根據(jù)修正后的邊坡剖面進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，剖面修正如圖5所示。

圖4 矸石山剖面位置

保護(hù)性開采結(jié)束后水平變形在Ⅱ級(jí)變形以內(nèi)（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(jié)束時(shí)，拉伸變形僅對(duì)矸石山整體強(qiáng)度產(chǎn)生輕微影響，為此，在計(jì)算矸石山穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)受采動(dòng)影響的矸石山力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行修正，取值為自然狀況下的90%。

圖5 剖面修正示意

4.3 計(jì)算結(jié)果

考慮到該矸石山可能出現(xiàn)的滑坡模式為沿基底接觸面的滑動(dòng)，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(jì)算矸石山邊坡穩(wěn)定性。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》（DB 50/143-2003），滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分見表3。采用Geo-Slope軟件對(duì)各剖面搜索潛在滑面，進(jìn)行矸石山邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果，其它剖面計(jì)算結(jié)果詳見表4。

計(jì)算結(jié)果表明：

表3 滑坡穩(wěn)定狀態(tài)劃分

圖6 計(jì)算結(jié)果

表4 矸石山邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

（1）保護(hù)性開采結(jié)束后矸石山各剖面除 7-7′剖面外穩(wěn)定系數(shù)均大于1.15，為穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）保護(hù)性開采結(jié)束后 7-7′剖面穩(wěn)定性系數(shù)偏低，存在局部失穩(wěn)的可能性，需對(duì)三級(jí)矸石山平臺(tái)進(jìn)行削坡減載（將原來邊坡坡角由36°降到30°，經(jīng)計(jì)算，削坡減載后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)可達(dá) 1.15以上）。

5 結(jié)論

（1）確定了矸石山的邊坡失穩(wěn)模式為沿基底接觸面產(chǎn)生的塑流-拉裂型變形破壞。

（2）保護(hù)性開采結(jié)束后，矸石山一、二級(jí)平臺(tái)為穩(wěn)定狀態(tài)，需對(duì)三級(jí)平臺(tái)進(jìn)行削坡治理，將坡角降至30°。

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