重庆市万盛区东林煤矿矸石失稳模式分析

摘要:论文介绍了矸石山堆积情况，分析了矸石山失稳模式。为避免矸石山失稳所造成的危害,对重庆东林煤矸矿区进行现场调研踏勘，在此基础上,按照折线法选2-2"剖面进行稳定性计算，其结果可作为确定矸石山稳定性提供的理论依据。

关键词：东林煤矸石；失稳模式；稳定性

中图分类号：TD163+.1 文献标识码：A

1 矸石山堆积现状

我国多数矿山对矸石贮存场地未经严格设计,存在许多大型的、堆放极不规范的矸石山。由于矸石堆放的不稳固,严重威胁着公共安全。历史上有惨痛的教训。1966年英国Aberfan附近1座高达60m的矸石山滑坡,0.11Mm3的矸石滑落,导致144人丧生,并造成重大财产损失。1972年美国西弗吉尼亚洲的法罗山谷暴雨后出现携带17亿m3煤矸石的泥石流,以5.8mm/s的速度下泄27km,造成116人死亡,546间房屋和1000多辆汽车被毁,4000余人无家可归的悲惨事件。我国各地矸石山堆放也时有跨塌、滑坡及泥石流事故发生,严重危及附近居民的安全。如重庆市东林煤矿矸石山位于万盛区胡家沟社的山麓斜坡地带，因当地连续降雨，导致其弃矸场产生泥石流，致使民房、耕地、农田受损，已带来的经济损失上亿元。矸石堆积体较松散，无粘性，且堆积量较大，约40万m3。2004年6月5日东林煤矿矸石山跨塌引起滑坡,造成民房被毁和重大人员伤亡。此次灾害共涉及14户居民56人。其中17人死亡(照片1)。

可见矸石堆积区滑坡、泥石流的发生造成人员财产的重大损失,矸石山所造成的环境及地质灾害问题应引起相当的重视。

2 矸石山失稳模式分析

经过现场调研踏勘可知,矸石山排放场绝大多数选择在山谷之中。堆放方式主要为顺坡填沟。山坡高差大,贮矸容量大。个别排矸场为平地起堆,或在老矸石山上堆积新矸石山。各煤矿主要采取绞车提升、翻矸机倾倒,自然露天成堆。矸石山呈尖顶锥形,矸石粒径数厘米至数几十厘米,下大上小,自然分选。运矸轨道坡度为18°~20°。矸石山边坡体的坡面是被排弃的矸石散体在自重作用下形成的。形态主要取决于散体动摩擦效应,自然安息角38°~42°,单体高度一般20~60m。矸石山自然堆积,结构疏松,在本质上说是不连续的散体材料。坡体稳定性主要取决于散体静摩擦效应,受矸石中炭分的自燃、有机质的灰化及硫分的离解挥发等作用,矸石山的稳定性普遍较差。矸石山应力-应变以塑性流动为主,无论堆放在河谷、平川还是丘陵地带,都属于不稳定体。如果矸石山堆积过高、坡度过大、受到人为开挖影响时或受到爆炸或暴雨侵蚀时,极易形成坍塌、滑坡、泥石流等重力灾害。矸石山失稳模式主要包括:

2.1 矸石山表层局部坍塌、错动;

2.2矸石山内部滑坡。这类滑坡是指发生在排弃散体内部的滑坡,滑动面位于散体矸石内。在雨水或山体地表水的渗透下,矸石山体内部有机物、高岭土等的力学强度大幅度降低,因而在自重和外部荷载作用下发生滑坡;

2.3 矸石山沿原地表内部的软弱夹层滑移。矸石山堆放场地内部含有较厚的软弱层。由于软弱层强度及承载能力较低,当矸石山散体岩石荷载超过基底承载能力时,即会产生软弱夹层的滑坡;

2.4 沿原地表接触面滑坡。矸石山物料与原地表接触面之间的抗剪强度小于矸石山物料本身及原地面的抗剪强度时,易产生沿原地表接触面滑坡;

2.5 泥石流。实际上是以上滑移模式下矸石山滑体运动的一种表现形式。矸石山松散碎屑堆积物为泥石流提供了丰富的固体碎屑物源。在一定的地形地貌条件下,特定的水动力来源则会激发山体滑坡,然后快速转化成高速流动。

2.6 自燃、喷爆引起的滑坡。这类滑坡是因为含硫高的煤矿矸石山自燃,时常发生喷爆,高压的气体携带炽热的煤矸石,呈放射状,凌空喷射出去。喷泄距离100m余,喷泄量可达数百m3。喷泄覆盖面积有的达万余m2，直接危害人身安全和附近的建筑设施。

大多矸石堆积体与下伏基底接触面是斜坡堆积体的第一不连续面。由于地下水及其他因素的长期作用,此面与堆积体间的力学强度指标通常较低。再加上地下水所产生的孔隙水压力和渗透力的共同作用,此面常常是斜坡失稳的滑移面。因此,该面为斜坡稳定性分析的基础。颜荣贵等人在排土场研究中,已就土场基底的承载能力研究了排土场高度的确定、土场稳定机制及表土基底的土场增容技术。对许多实际滑坡,特别较大型堆积层斜坡的失稳,常产生多级滑移或解体现象。有的斜坡还产生双层平行滑移和多层滑移。产生上述现象的原因主要是矸石山坡体的内部应力场变化而产生滑移面。国内尚无这类报道。一般而言,较低的矸石山可能获得较大的稳定性。矸石山单体过高大,坡度过陡易产生跨塌。因此,矸石山的稳定堆高问题十分重要。

三级矸石山业主已采取台阶式放坡处理，但坡较陡，高差较大，考虑取沿基岩面滑移情况（基岩面上为一层粘性土），按折线法计算。

3矸石山稳定性数学计算

选2-2’剖面进行稳定性计算，考虑2-2’剖面上部在矸石山下土体较薄处剪出，根据本次收集的未堆放矸石前的地形图与现状地形图对比，其矸石在中部较陡坡脚下厚约2.0m，其剪出可能性大。同时考虑在设挡墙处的堆填上部放下的矸石后的稳定性计算和挡墙前的主动土压力计算。

3.12-2’剖面上部矸石稳定性计算

计算采用目前国内治理滑坡常用的传递系数法和推力法简化方程式进行计算。其计算成果作为评价依据及治理设计依据。

滑坡稳定性系数Fs计算公式：

Ni--作用于第i块段滑面上重力法向分力（kN/m）；φi--第i块段滑带土的内摩擦角（°）；Ci--第i块段滑带土的粘聚力（kPa）；Li--第i块段滑带土的滑面长度（m）；Ti--第i块段滑带土的重力滑动分力（kN/m）；Ei--第i条块的剩余下滑力（kN/m）；Fst--安全稳定系数；ψ--传递系数；

ψj--cos（ai- ai+1）-sin（ai- ai+1）tgφi+1

3.2拟建1号挡矸墙主动土压力计算

式中：Eak-主动土压力合力标准值（kN/m）；Ｋa-主动土压力系数；H-挡土墙高度（m）；?酌-土体重度（kN/m）；c-土的粘聚力（kPa）；?渍-土的内摩擦角（°）；q-地表均面荷载标准值（kN/m2）；?啄-土对挡土墙墙背的摩擦角（°）；?茁-填土表面与水平面的夹角（°）；?兹-滑裂面与水平面的夹角（°）；

3.3 计算结果

对各段剖面的稳定系数和剩余下滑力进行计算，计算结果见表1、2。稳定性系数Fs<1.0为不稳定，1.01.15为稳定。

结语

本文根据本勘察区2-2’剖面的计算结果在天然和饱和状态下稳定系数分别为1.047、0.845，由此说明在天然状态下矸石山处于欠稳定状态；而在雨季暴雨时，矸石山处于不稳定状态。其计算结果表明：与现状条件相符。故建议将三级矸石山清放到坡脚,堆放于拟设挡墙内侧，堆放坡度不大于30°，且设置排水沟，并采取绿化措施。

将三级矸石山放坡后，其天然和饱和状态下稳定系数分别为1.033、0.842，说明在天然状态下处于欠稳定状态；而在雨季暴雨时，矸石山处于不稳定状态；若挡矸墙顶高程按415.0m考虑，则挡矸墙前缘土厚约9.0m，对其进行土压力计算，其值为835.82kN/m。

煤矿矸石山是我国排放量及积存量最大的工业废弃物。其堆积造成了系列的环境地质灾害效应。基于矸石山特殊的物理、化学、力学现象及堆放方式,为减少矸石山所造成的灾害影响,其环境地质灾害效应及稳定性分析理论是有待人们进一步深入研究的课题。

参考文献

[1]刘迪.煤矸石的环境危害及综合利用研究[J].气象与环境学报, 2006., 22(6): 60.

[2]沈占彬.矸石山自燃事故分析及综合治理技术应用[J].矿山机械, 2007: 135(12): 137.

[3]陈祖煜.土力学经典问题的极限分析上、下限解[J],岩土工程学报,2002.24,(1):1-11.

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