排矸方式對矸石山穩(wěn)定性的研究

李建華，陳 濤，楊木林

（1.神華包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

近幾十年來隨著我國經(jīng)濟的不斷增長，國家對能源的需求也大幅增加，煤炭資源的開采產(chǎn)生了大量與煤層伴生的一種含碳量低的黑色巖石——煤矸石［1］。 煤矸石由于發(fā)熱量較低常被作為分選廢物，其中小部分矸石用于充填開采或作為建筑材料被利用，大部分則堆積到礦井周圍［2］，隨著堆積量的不斷增加，形成了矸石山。 矸石山其受到風(fēng)化、侵蝕可導(dǎo)致有害可溶物入滲土壤，污染環(huán)境［3］。 與此同時，矸石散體粒徑差異較大，從數(shù)毫米至幾十厘米，級配良好，磨圓性較差［4－5］，其在自重作用下堆積形成矸石山，自然安息角38°～42°。 因此矸石山整體為不連續(xù)介質(zhì)，特殊的結(jié)構(gòu)組成使其穩(wěn)定性普遍較差。

李東升等［6－7］通過Z－5000 原子分析儀對矸石物質(zhì)成分及含量進行分析，對不同含水率和級配條件下矸石采用直剪試驗探究其力學(xué)性質(zhì)，得出了提高矸石山穩(wěn)定性的可靠建議，并采用塑性極限上限分析法分析矸石山的穩(wěn)定性，計算結(jié)果更為合理；GERKE 等［8］、PANTELIS 等［9］通過對矸石的成分鑒定，進而對其理化性質(zhì)進行了研究，探究了其對矸石山穩(wěn)定性及水分運移的影響規(guī)律；董倩等［10－11］對矸石散體的剪切強度非線性特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)利用非線性強度預(yù)測矸石山破壞面更接近現(xiàn)場情況；劉松玉等［12］、胡炳南等［13］探究了矸石級配和壓密性因素對矸石散體強度的影響規(guī)律；崔乃鑫等［14］、梁冰等［15］通過相似模擬試驗再現(xiàn)矸石山形成過程中不同粒徑矸石的自然分選規(guī)律，揭露了矸石山的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究提供了理論基礎(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，還有大量學(xué)者研究了雨水的入滲規(guī)律，趙新濤等［16］分析了降雨前后矸石山含水率的變化，運用極限平衡法和數(shù)值模擬法，對矸石山邊坡進行了降雨前后的穩(wěn)定性對比；臧亞君等［17］考慮了基質(zhì)吸力對矸石強度變形參數(shù)、屈服準則的影響。 為提高矸石山的穩(wěn)定性，巨能攀等［18］、臧亞君等［19］提出了矸石山支護結(jié)構(gòu)及排水系統(tǒng)，能有效降低滑坡風(fēng)險。 作用下矸石山的穩(wěn)定性情況，得出降雨和地震作用會不同程度的降低其穩(wěn)定性，并提出了一些防治措施。 周楠等［20］分析了目前我國煤矸石井下充填處理的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出通過改變充填目的和工藝、優(yōu)化充填關(guān)鍵裝備、提高充填工作面自動化程度等，發(fā)展以處理矸石為目標的煤矸石高效自動化充填處理技術(shù)，為煤矸石的集中規(guī)?；幚硖峁┝怂悸?。

上述研究較為全面地分析了矸石的化學(xué)組分，矸石山內(nèi)部和表面的級配狀態(tài)，并且利用塑性極限法分析了矸石山的穩(wěn)定性范圍，以及考慮降雨、震動條件對矸石山穩(wěn)定性的影響規(guī)律，但在穩(wěn)定性分析過程中大都采用均一的力學(xué)參數(shù)，沒有考慮不同來源矸石（力學(xué)性質(zhì)的差異性較大）的排棄過程，從而導(dǎo)致矸石山內(nèi)部存在強度差異區(qū)域。 基于此，根據(jù)不同來源矸石塊體的力學(xué)性質(zhì)，考慮不同排矸方式下矸石山內(nèi)部塑性變形區(qū)的范圍及穩(wěn)定性變化規(guī)律，提出有利于矸石山穩(wěn)定性的排矸建議。

1 矸石分類及其力學(xué)試驗

根據(jù)矸石來源將其分為2 類，分別為掘進工作面矸石和采煤工作面矸石。 掘進工作主要為井筒、井底車場、運輸大巷和回風(fēng)大巷的建設(shè)以及礦井的開拓延伸過程產(chǎn)生的矸石，由于這些場所服務(wù)時間長，空間斷面較大，為了礦井安全生產(chǎn)及降低維護成本，多布置于巖層中。 一般掘進工作面矸石產(chǎn)生于礦井開采全過程，基建期排出的矸石幾乎全部為掘進矸石，生產(chǎn)時期隨著工作面的接續(xù)及礦井的開拓延伸也會產(chǎn)生大量的掘進矸石，這類矸石占矸石山矸石總排量的60%～70%；采煤工作面矸石主要為煤層中的夾矸、少量頂?shù)装蹇迓鋰鷰r及分選矸石，占矸石山矸石總排量的15%～40%。 采煤工作面矸石產(chǎn)生于礦井生產(chǎn)全過程。

矸石單軸壓縮試驗選用采煤工作面矸石和掘進工作面矸石為原材料制備標準樣（直徑50 mm，高度100 mm 的國際標準圓柱試樣），利用WG－600 巖石單軸試驗機進行試驗，加載速率控制為0.5 mm／min，試驗機如圖1 所示。

圖1 WG－600 巖石單軸試驗機Fig.1 WG－600 Rock uniaxial testing machine

試樣Y02、Y03 為采煤工作面矸石，試樣Y04、Y05 為掘進工作面矸石，試驗過程中試樣Y02、Y03破壞過程幾乎無響聲，破壞后試樣出現(xiàn)貫穿裂紋，但整體較為完整；試樣Y04、Y05 試驗加壓期間伴隨有巖石斷裂響聲，但試樣仍能承受壓力機的持續(xù)加壓，試樣破壞時發(fā)出巨響并出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象，有破碎塊體飛濺，破壞后試樣破碎，試驗后試樣如圖2 所示。

圖2 試樣Fig.2 Samples

通過試驗結(jié)果繪制矸石單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示，從圖中可以看出試樣Y02 在應(yīng)變?yōu)?.1×10－2時發(fā)生破壞，峰值應(yīng)力為14.3 MPa；試樣Y03 在應(yīng)變?yōu)?.96×10－2時發(fā)生破壞，峰值應(yīng)力為18.3 MPa；試樣Y04 在應(yīng)變?yōu)?.2×10－2時發(fā)生破壞，峰值應(yīng)力為29.0 MPa；試樣Y05 在應(yīng)變?yōu)?.57×10－2時發(fā)生破壞，峰值應(yīng)力為29.1 MPa。 利用相同的加載速率可以得出采煤工作面矸石試樣Y02（2.2 min）、Y03（1.9 min）試驗過程較短；掘進工作面矸石試樣Y04（4.4 min）、Y05（3.1 min）試驗過程較長。掘進工作面矸石試樣的平均單軸抗壓強度是采煤工作面矸石試樣的1.6 倍。

圖3 單軸壓縮實驗應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress－strain curves of uniaxial compression experiment

2 矸石山穩(wěn)定性計算

2.1 矸石強度差異分析

根據(jù)試驗結(jié)果可以得出采煤工作面矸石強度明顯小于掘進工作面面矸石強度，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有2 個：首先從不同來源矸石的巖性進行分析，煤炭是由植物在隔絕空氣條件下經(jīng)過高溫高壓及復(fù)雜的物理化學(xué)變化形成的，要滿足隔絕空氣這一特殊成煤條件，需要其周圍存在致密的包裹層，一般認為是沼澤環(huán)境，這種特殊的環(huán)境使得煤層頂?shù)装鍘r層、煤層中的薄層夾矸巖性一般為泥巖，而礦井中的大巷、車場及井下重要場所多設(shè)置于較為堅硬的巖層中，因此采煤工作面矸石多為泥巖，其強度小于掘進工作面面矸石強度；另外從不同來源矸石的均質(zhì)程度進行分析，采煤工作面矸石與煤層距離較近，矸石中存在少量煤炭成分，這種成分交錯現(xiàn)象在沉積巖交界面處較為常見，且煤炭這種特殊的沉積巖孔隙裂隙發(fā)育，強度較弱，從而導(dǎo)致采煤工作面矸石不均質(zhì)，夾雜有軟弱的煤炭成分，取試樣剖面如圖4 所示。 掘進工作面矸石大多來源于單一巖層，成分均一，強度較高。

圖4 采煤工作面非均質(zhì)矸石Fig.4 Heterogeneous gangue in coal mining face

2.2 穩(wěn)定性系數(shù)計算

矸石山的穩(wěn)定性系數(shù)是衡量其穩(wěn)定性的重要指標，一般認為矸石山為均值松散體，滑動破壞模式為圓弧滑動或曲折滑面滑動模式，圓弧滑動常采用Bishop 法，考慮條塊間水平作用力，通過強度折減降低條塊滑面的黏聚力和內(nèi)摩擦角參數(shù)實現(xiàn)求解，計算公式為

式中：Fs為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)；C為黏聚力，kPa；l為條塊底部長度，m；α為條塊底部傾角，（°）；W為條塊重力，kN；U為水壓力，kPa；Ti－Ti＋1為條塊垂直界面上剪切力之差，簡化Bishop 法中取0；φ為內(nèi)摩擦角，（°）。

對于曲折滑面滑動模式常采用余推力法，通過假設(shè)Fs迭代計算每1 條塊對其上1 條塊和下1 條塊的作用力，最終由邊界滑塊受力條件收斂Fs值，計算公式為：

式中：Di、Di－1為第i和i－1 滑塊凈?；?，kN；αi為第i個滑塊底部傾角，（°）；li為第i個滑塊底部長度，m；Wi為第i個滑塊重力，kN；ψi為傳遞系數(shù)；D0、Dn為第0 和n滑塊凈?；?，即為邊界滑塊。

上述理論分析中的2 種計算方法都是將滑體分割為若干小滑塊，根據(jù)每個小滑塊的受力情況并考慮其相互作用結(jié)果得出的整體穩(wěn)定性系數(shù)，小滑塊的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ參數(shù)將影響到邊坡的整體穩(wěn)定性，由于采煤工作面矸石強度弱于掘進工作面矸石，所以當部分被分割的小滑體由采煤工作面矸石組成時，其C、φ值減小，從而導(dǎo)致邊坡整體穩(wěn)定性降低。

3 矸石種類及排矸方式對矸石山穩(wěn)定性模擬分析

3.1 力學(xué)計算參數(shù)選取與模型構(gòu)建

李家壕礦井位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)東南，含煤地層為侏羅系，可采煤層13 層。 自建礦以來，李家壕煤礦首先將矸石排棄于工業(yè)廣場南側(cè)的溝谷中，隨著礦山采掘工程推進，矸石累計排棄量逐漸增大，矸石山的高度也在不斷增加，其穩(wěn)定性成為礦井安全生產(chǎn)的重點考慮環(huán)節(jié)。

針對李家壕矸石山典型剖面建立二維模型，模型內(nèi)結(jié)構(gòu)由鉆孔數(shù)據(jù)得出，其中采煤工作面矸石和其他矸石力學(xué)參數(shù)由現(xiàn)場原位和大型剪切試驗得出，模型內(nèi)結(jié)構(gòu)分布及其物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型如圖5 所示。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock formation

圖5 矸石山模型示意Fig.5 Sketch of gangue mountain model

利用數(shù)值模擬軟件GeoStudio 中的SIGMA／W模塊和SLOPE／W 模塊進行分析，先將SIGMA／W 模塊作為父項，采用有限元方法，全局單元格尺寸為2 m，矸石排棄層單元格尺寸為0.5 m，網(wǎng)格模式選用四邊形和三角形網(wǎng)格，共形成3 359 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和3 295 個單元，分析矸石山應(yīng)力分布狀態(tài)，然后將SLOPE／W 模塊作為子項，根據(jù)主項的應(yīng)力狀態(tài)采用極限平衡法計算矸石山的穩(wěn)定性。 計算時模型底面約束豎向和法向位移，模型兩側(cè)約束法相位移。

3.2 不同排矸方式模擬分析

傳統(tǒng)進行矸石山穩(wěn)定性分析時矸石的力學(xué)參數(shù)采用均一數(shù)值，因此其內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)分布具有相似性，沒有特殊的應(yīng)力升高或降低區(qū)，首先采用均一參數(shù)進行數(shù)值模擬，穩(wěn)定性系數(shù)為1.699。

矸石的排棄方式有沿坡面自然傾倒式和矸石平鋪式2 種，前者矸石山以圓錐體體積不斷擴大方式發(fā)展，后者以層狀結(jié)構(gòu)不斷堆高方式發(fā)展。 由于不同來源矸石力學(xué)性質(zhì)差異，導(dǎo)致不同排矸方式會造成矸石山內(nèi)部應(yīng)力分布不同，從而影響其穩(wěn)定性。為了使排矸方式作為單一影響因素，模擬中需保證2 種不同排干方式下采煤工作面矸石排棄后坡頂線位置相同，且剖面上排矸面積相同。 在矸石山頂部以下10 m 位置設(shè)置采煤工作面矸石排棄層進行應(yīng)力與穩(wěn)定性分析，模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6c 中，采煤工作面矸石采用平鋪式排棄方式使矸石山內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生微小變化，與圖6a 相比，平鋪式排棄層上部應(yīng)力稍有降低，這是由于采煤工作面矸石強度較小，易壓縮變形，使其上部矸石覆蓋層應(yīng)力釋放。 圖6d 中穩(wěn)定性系數(shù)為1.42，降低了16.4%，原因是黏聚力、內(nèi)摩擦角在折減過程中，平鋪矸石層率先達到承載極限，繼續(xù)折減時平鋪矸石層周圍矸石需要額外承擔(dān)超過平鋪矸石層極限部分的承載力，從而導(dǎo)致整體承載能力下降。 如圖6e 中所示，采煤工作面矸石采用傾倒排棄方式使矸石山內(nèi)部應(yīng)力分布發(fā)生較大變化，主要表現(xiàn)為傾倒式矸石層頂部的應(yīng)力降低以及底部坡面方向的應(yīng)力升高，頂部的應(yīng)力降低同樣是因為傾倒式矸石層的變形讓壓，底部應(yīng)力升高則是由于底部埋深較大，應(yīng)力較高，傾倒式矸石層變形過程中周圍矸石由于變形協(xié)調(diào)作用導(dǎo)致應(yīng)力升高。 這種條件下，應(yīng)力升高區(qū)和傾倒式矸石層在強度折減過程中成為危險區(qū)，會率先達到其承載極限，從滑面貫穿這兩個危險區(qū)域可以得到驗證。 傾倒式排矸條件下矸石山穩(wěn)定性降低，圖6f 中穩(wěn)定性系數(shù)為1.207，降低了29.0%。

圖6 不同排矸方式下應(yīng)力云圖和穩(wěn)定性分析Fig.6 Stress cloud diagram and stability analysis under different gangue discharge methods

3.3 不同排矸方式下不同埋深穩(wěn)定性分析

上述分析得出不同排矸方式下矸石山的穩(wěn)定性存在差異，在此基礎(chǔ)上考慮到實際生產(chǎn)中存在不同埋深的采煤工作面矸石層，不同埋深時應(yīng)力分布也將不同，矸石山的穩(wěn)定性會隨之而變。 因此，為了探究不同排矸方式下不同埋深穩(wěn)定性變化規(guī)律，分別建立距離矸石山頂部埋深0、5 m 的采煤工作面矸石層，進行應(yīng)力分布和穩(wěn)定性分析，如圖7、圖8 所示。

圖7 深度為0 不同排矸方式分析Fig.7 Analysis of different gangue discharge methods at a depth of 0

圖8 深度為5 m 不同排矸方式Fig.8 Analysis of different gangue discharge methods at depth of 5 m

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出隨著采煤工作面矸石層從10 m 位置向上移動，其對矸石山的應(yīng)力狀態(tài)分布影響作用逐漸減小，因為位置越靠近矸石山表面，采煤工作面矸石層受上覆矸石壓力越小，變形越小。平鋪式矸石排棄方式在埋深變化過程中，深度為0時穩(wěn)定性系數(shù)為1.56，降低7.9%，深度為5 m 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.53，降低9.6%，這一現(xiàn)象是由于利用強度折減法計算時，采煤工作面矸石層所占比例較少且有限，所以在應(yīng)力分布不發(fā)生大的變化條件下埋深對矸石山穩(wěn)定性影響較小。 傾倒式矸石排棄方式在埋深變化過程中，深度為0 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.09，降低35.3%，深度為5 m 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.07，降低36.5%，由于采煤工作面矸石層越來越靠近矸石山邊坡表面，同樣利用強度折減法計算時，采煤工作面矸石層所占比例不斷增大，所以在滑動面就會越靠近采煤工作面矸石層，這一結(jié)論從圖7d、圖8d得到驗證。

4 結(jié) 論

1）根據(jù)礦井生產(chǎn)過程中矸石來源不同可分為采煤工作面矸石和掘進工作面矸石，這2 類矸石的強度存在差異，采煤工作面矸石強度明顯弱于掘進工作面矸石強度，試驗表明掘進工作面矸石試樣的平均單軸抗壓強度是采煤工作面矸石試樣的1.6 倍。

2）不同排矸方式下采煤工作面矸石排棄后坡頂線位置相同，且剖面上排矸面積相同條件下，平鋪式排矸方式對矸石山的應(yīng)力分布影響相對較小，而傾倒式排矸方式不但使傾斜排棄的矸石周圍區(qū)域應(yīng)力升高，而且傾倒式矸石層在強度折減過程中成為危險區(qū)，會率先達到其承載極限。 平鋪式、傾倒式排矸方式相比均一參數(shù)矸石山穩(wěn)定性系數(shù)，分別降低了16.4%和29.0%，平鋪式排矸更有利于矸石山的穩(wěn)定性。

3）采煤工作面矸石采用平鋪式排矸時，其埋深的變化對矸石山穩(wěn)定性影響較小，深度為0 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.56，降低7.9%，深度為5 m 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.53，降低9.6%；而采用傾倒式排矸時，埋深的變化對矸石山穩(wěn)定性影響較大，深度為0 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.09，降低35.3%，深度為5 m 時穩(wěn)定性系數(shù)為1.07，降低36.5%，且危險滑動面常貫穿采煤工作面矸石層。