自燃矸石山多级隔坡反台山体稳定技术

陈文英，王晓军†，辛亚，王兵，梅傲雪，温美佳

(1.山西大学环境与资源学院，030006，太原；2.山西绿巨人环境科技有限公司，030000，太原)

自燃矸石山多级隔坡反台山体稳定技术

陈文英1，王晓军1†，辛亚1，王兵1，梅傲雪2，温美佳2

(1.山西大学环境与资源学院，030006，太原；2.山西绿巨人环境科技有限公司，030000，太原)

煤矿矸石山极易发生自燃、滑坡等现象，其治理时的山体整形需将彻底灭火、防复燃、山体稳定与植被恢复相结合。在总结实体工程运行和实用施工技术经验的基础上，提出自燃矸石山多级隔坡反台山体稳定技术。通过隔坡布设方式、隔坡长度、反台宽度等系列数据组合的对比研究，取得隔坡反台山体稳定技术理论模型，并在具体工程实践中予以验证其适用性和有效性。该技术将此类矸石山坡面自上而下整理成隔坡与反台依次相间的坡面，隔坡长度设为10 m左右、反台宽度设为2.5 m左右，并设置山体排水- 蓄水系统、柔性坡脚、微地形、土矸混合、植被恢复等配套设施和措施，达到山体的稳定。南坪山矸石山治理后的结果证明该技术措施因地制宜、经济上可行、治理效果好，较好地解决了矸石山易自燃、复燃及山体难以稳定的问题，可在同类煤矸石山治理中加以借鉴。

自燃矸石山； 山体稳定； 隔坡与反台； 案例分析

山西煤炭生产排放和堆存的矸石带来一系列的生态环境问题[1]。未采用分层碾压技术堆积成的矸石山一般坡度较大，坡长较长，极易发生自燃，并可能导致水土流失等现象[2]。这类矸石山的治理，必须在彻底灭火和防复燃的基础上，通过山体整形来稳定山体，并快速恢复植被[3]。近20年来，国内外对煤矸石自燃发火机理[4]、恢复生态学[5]进行了卓有成效的研究，而针对矸石山山体稳定的研究较少。董倩[6]从岩土力学的角度分析矸石山滑坡的成因，得出影响矸石山山体稳定性的因素：堆积方式、气候及降水、自然喷爆、排矸强度、地形、地质等。李德平等[7]研究表明降雨强度、坡度、坡长和植被覆盖程度是影响水土流失量大小的主要因素，改变矸石山微地形、减小坡度、缩短坡长、快速恢复植被、提高土壤入渗等措施是减少水土流失的有效途径。卞正富等[8]通过对国内外煤矸石山复垦整形进行总结，探讨了整形形状设计、边坡稳定性分析、排水系统、边坡加固和防侵蚀等措施。

以往对矸石山山体稳定的研究多是从水土保持和岩土工程角度着手，较少将矸石山的灭火、防复燃、植被重建、生态景观建设、经济可行、利于施工操作等多因素进行系统分析和综合考虑。为此，本研究在系统分析的基础上，进行稳定矸石山山体研究。通过分析多级隔坡反台山体稳定经验假设模型来提出这一综合技术及其配套设施，以期为倒坡式排矸形成的矸石山山体稳定提供依据。

1 研究区概况

试验地为山西省西山煤电集团西曲矿南坪山矸石山，该矸石山位于古交市西曲街道办石炭咀村，地处吕梁山脉东麓，属温带大陆性季风气候区，年降水量为510 mm，平均气温8.7 ℃。南坪山矸石山由西曲矿建矿20年来倒坡式排矸形成，矸石总量达6万m3。由于未采用分层碾压处理，自燃现象较严重，地面观察到的火区面积约0.5万m2，同时坡面未经严格处理，坡度较大，坡长较长，山体极不稳定。南坪山矸石山治理前地形示意图见图1。

图1 南坪山矸石山治理前地形示意图Fig.1 Sketch diagram of coal gangue heap on Mount. Nanping before treatment

2 研究方法

采用理论模型与实用施工技术相结合的方法，在自燃矸石山山体整形的规划、设计、施工时，通过以往经验和实地勘察掌握的情况，提出隔坡反台山体稳定技术理论模型，并在自燃矸石山山体整形的设计与施工中加以运用；经过近2年的实践研究，证明自燃矸石山隔坡反台山体稳定技术的适用性和有效性。

2.1 山体稳定性影响因素

以往研究[9-10]表明，矸石山山体不稳定主要表现在易发生山体滑坡、沉降变形、地表侵蚀3个方面。影响矸石山山体稳定性的因素分析见表1。

在稳定矸石山治理中，主要须解决矸石山自燃，减轻可能引起滑动的土体载荷，减缓坡面水流速度，充分运用降水为后期植被恢复涵养水分。针对这些可控因素，笔者提出采用多级隔坡反台山体稳定技术全面加以控制。

表1 矸石山的山体稳定性影响因素

2.2 模型构建依据

矸石山多级隔坡反台山体稳定技术，是在南坪山等多座自燃矸石山治理过程中不断总结完善后提出的，是将倒坡式排矸形成的矸石山坡面自上而下整理成隔坡与反台依次相间的多级矸石山山体稳定技术。“隔坡”指沿等高线将原坡面分割后的坡面；“反台”指在隔坡间人工设置的阶面，且阶面微向内倾斜2°(图2)。隔坡- 反台示意图见图2。

图2 隔坡- 反台示意图Fig.2 Sketch diagram of the separated-slope and reversed-platform

2.2.1 隔坡长度 隔坡长度是影响矸石山水土流失量大小的主要因素之一。当降水量较小时，矸石山水流失量很少，主要以面蚀为主；而当降雨强度大时，整个矸石山主要危害为沟蚀，随着坡长的增加，侵蚀沟自上而下逐步加深、加宽[7]。侵蚀沟的产生存在临界坡长，有黄土高原研究表明，坡度<30°时，临界坡长应<12 m[11]。对于黄土与矸石混合覆盖后的矸石山表面，容易产生侵蚀，参考黄土高原的研究结果以及考虑矸石山隔坡坡角的角度，隔坡坡长不应>12 m。该长度也方便小型机械施工，综合倒坡式排矸形成的矸石山物理特性及当地降雨强度，将矸石山隔坡长设置为10 m左右，使得隔坡坡长小于超渗产流形成浅沟侵蚀的坡长，结合良好的植被恢复，减少矸石山表面侵蚀与滑坡现象。

2.2.2 反台宽度 南坪山矸石山燃烧中心区域都在深度2～3 m之间，供给燃烧点的氧气是从斜坡下部进入，沿斜坡上层向上流动[12]，加速矸石山内部化学反应。设置2～3 m左右的反台宽度，阻断了斜坡下部的氧气入口。根据以上温度集聚变化规律，合理设置反台宽度，可改变、调整和控制渗流场的风流状态，达到防止或抑制自燃的目的。此外，反台宽度设置为2.5 m左右，有利于小型机械施工(要求2 m)，并可节约工程量，也为后期植被养护提供了通道。

2.3 多级隔坡反台理论模型

倒坡式排矸形成的矸石山为典型人工堆积散体，自然安息角β一般为38°～40°[13]。本研究选择40°进行计算。为土方施工节约成本，应做到就近填挖，矸石尽量不内外调运[14]，使挖方量与填方量基本相等，同时考虑到周围环境的限制，假设坡脚线保持不变。

在降水量500 mm左右、将隔坡长lAF设为10 m左右，当采用黄土与矸石混合覆盖地表、地表植被覆盖度达到90%以上时，可以起到保护坡面土壤不受暴雨径流冲刷和截流保土作用。从实际出发，为便于机械施工与灭火，设置反台宽度lEF为2.5 m左右。自燃煤矸石山多级隔坡反台整形的断面示意图见图3。

图3 自燃煤矸石山多级隔坡反台整形的断面示意图Fig.3 Section sketch diagram in separated-slopes and reversed-platforms reshaping techniques of spontaneous combustion coal gangue heap

3 结果与分析

3.1 理论模型

假设：在图3中，安息角β为40°，隔坡长AF和EB为10 m，反台宽EF为2.5 m，反台坡度γ为2°， 则∠AOF=40°+2°。

根据正弦定理，

(1)

将lAF=10 m，lOF=1.25代入上式得

(2)

得出sin∠OAF=4.8°，∠AFO=180°-42°-4.8°=133.2°；所以α=180°-133.2°-2°=44.8°，即隔坡角为44.8°。

采用加权平均法，将隔坡长度的投影lNC平均分为Wi份，反台长度的投影lMN平均分为Qi份，则lAB段平均坡度

(3)

即矸石山隔坡坡度α=44.8°，山体平均坡度θ=39.60°。

假设在隔坡长度lAF为10 m，反台宽度lEF为2.5 m不变的条件下，矸石山原坡度β由40°逐渐变小，隔坡坡度α和平均坡度θ也变小(表2)。

表2 假设不同矸石山原坡度条件下α、θ的变化

如表2所示：隔坡坡度α>矸石山原坡度β；平均坡度θ<矸石山原坡度β。在隔坡长度和反台宽度一定的条件下，原坡度越小，相应的隔坡坡度和平均坡度也越小，反之，原坡度越大，则相应的隔坡坡度和平均坡度也越大。多级隔坡后，矸石山的平均坡度减小，使山体稳定。

如表3所示，假设在隔坡长度lAF不变的条件下，反台宽度lEF由2.5 m逐渐增大，隔坡坡度α1相应增大，平均坡度θ1也相应增大。

表3 假设不同反台宽度条件下α、θ的变化

注：α1变化指α(EFn)-α(EFn-1)，θ1变化指θ(EFn)-θ(EFn-1)。Note: the change ofα1isα(EFn)-α(EFn-1)， the change ofθ1isθ(EFn)-θ(EFn-1).

在隔坡长度一定、反台宽度介于1.5 m和5 m之间时，随着反台宽度的增加，隔坡坡度也增加，反台宽度每增加0.5 m，隔坡坡度增加的最小幅度为0.96°；而矸石山的平均坡度呈现先增大后减小的趋势：在反台宽度介于1.5 m和2.5 m之间时，θ呈增大趋势；而在反台宽度介于2.5 m和5 m之间时，θ呈减小趋势。可见，在此反台宽度区间内，2.5 m左右是反台宽度的临界区间。

假设在反台宽度lEF不变的条件下，隔坡长度lAF由10 m逐渐减短，隔坡坡度α2相应增加，而平均坡度θ2相应减小。计算结果见表4。

如表4所示，在反台宽度一定、隔坡长度介于6～15 m之间时，随着隔坡长度的减小，隔坡坡度逐渐增大，隔坡长度每减短1 m，隔坡坡度增大的幅度在0.23°～1.15°之间；而平均坡度呈现先增大后减小的趋势：在隔坡长度介于6～10 m之间时，平均坡度呈增大趋势；而在隔坡长度介于10～15 m之间时，平均坡度呈减小趋势。可见，在此隔坡长度区间内，10 m左右是隔坡长度的临界区间。

综上所述，在理想状况下，矸石山体实施多级隔坡反台技术时，隔坡长度与反台宽度的变化决定着隔坡坡度以及山体平均坡度的变化：假设隔坡长度不变，反台宽度介于1.5～5 m之间变化时，根据隔坡坡度和平均坡度的变化，得出2.5 m左右是反台宽度的临界区间；假设反台宽度不变，隔坡长度介于6～15 m之间变化时，根据隔坡坡度和平均坡度的变化，得出10 m左右是隔坡长度的临界区间。

表4 假设不同隔坡长度条件下α、θ的变化

注：α2变化指α(AFn)-α(AFn-1)，θ2变化指θ(AFn)-θ(AFn-1)。Note: the change ofα2isα(AFn)-α(AFn-1)， The change ofθ2isθ(AFn)-θ(AFn-1)。

3.2 南坪山矸石山案例

为检验本研究提出的隔坡反台山体稳定技术的可行性，2013年开始将研究结果在西曲矿南坪山矸石山治理工程中加以运用并开展研究。

图5 各坡面治理前后剖面对比图Fig.5 Comparison diagrams of the slope profiles before and after treatments

3.2.1 治理前后比较 该矸石山最大堆积角43°，最小堆积角25°。矸石山治理在3个区域进行，选取矸石山西北区域开展本研究。削坡放线不能占用集体土地，坡脚基本保持不变。治理区剖面示意图见图4。

图4 南坪山矸石山治理后3个研究剖面示意图Fig.4 Sketch diagram of three after-treatment profiles of coal gangue heap on Mount. Nanping

治理前剖面1、2和3的相对高差分别为38、47和46 m，斜坡长度分别为76.1、97.5和81.5 m。在矸石山施工前的勘测中，其上部着火迹象明显，矸石山剖面2与剖面3之间的中上部温度较高(从图3中可看出高温区的位置)，且由坡脚到坡顶逐渐升高。对于火区温度高、着火范围大、着火深度较深的部位，采用挖除法挖出着火矸石，其着火深度大多是2～3 m。在挖除火源的部位，考虑是否可以顺势设置反台，尽量减少施工量。各坡面治理前后剖面比较见图5。

表5 治理后各剖面隔坡分级

注：隔坡代码：GP；反台代码：FT。Note: the code of separated-slopes: GP. The code of reversed-platform：FT.

如表5所示，3个剖面的平均隔坡长度为9.3 m，平均反台宽度为2.64 m，基本符合理论假设提出的隔坡长10 m左右、反台宽度2.5 m左右的范围，该区域挖方截面面积131.3 m2，填方截面面积123.3 m2，挖方量与填方量基本相当，基本符合理论假设要求。

3.2.2 配套设施 为使矸石山不复燃、山体长期稳定以及生态恢复，多级隔坡反台山体整形技术还包含防洪- 蓄水系统、柔性坡脚、微地形、土矸混合等一系列工程配套设施，以及后期的植被恢复措施(图6)。

图6 南坪山矸石山山体整形技术中配套设施示意图Fig.6 Sketch diagram of supporting facilities in reshaping techniques of coal gangue heap on Mount. Nanping

1)山体排水- 蓄水系统：为了保证大雨可以顺柔性排水渠排出，中小雨能够完全被植被利用，设置山体排水- 蓄水系统。在每级反台内侧设置横向柔性排水渠，对于坡度较陡的坡面设立纵向急流槽，加快对坡面径流的排导。在矸石山中下部修建柔性蓄水池，将雨水储存下来用作后期植物灌溉。

2)柔性坡脚：常规的浆砌石挡矸墙、排水沟在自然堆积矸石山沉降和不均匀变型影响下易断裂受损，致使功能丧失；因此，采用柔性覆盖的技术理念，在反台排水渠与坡面之间及坡脚设置柔性坡脚，可有效减少雨水冲刷，应对矸石山沉降、稳固坡面。

3)微地形：为了增大矸石山地表拦蓄和入渗能力。在每个隔坡设置微地形，即沿等高线方向用犁开沟，阻滞径流。这样，一方面可以减少水土流失，另一方面可以达到蓄水保墒的功效，利于植被恢复。

4)土矸混合：为了能够快速改善矸石山山体表层土壤结构和性质，采用将矸石与黄土按一定科学配比混合的方法，对矸石山坡面实施全覆盖，覆盖厚度依实际情况而定。这样既能为植物的生长提供充足的水分，又可保证良好的出苗率[15]，同时较纯黄土覆盖而言，水土流失量相对减少。

5)植被恢复：植被恢复是治理矸石山水土流失的最佳途径。在植被覆盖度较高的情况下，水土流失量明显减少[5]。南坪山矸石山在采用物理、化学、生物改良基质的基础上，主要选用适宜的乡土乔、灌、草作为植物材料，利用各物种间互利、竞争和共生关系以及植物特性、群落演替规律，使得植被覆盖率超过90%，为矸石山长期形成生物多样性、物种丰度和稳定性俱佳的生态系统打下基础[16]。

4 结论与讨论

1)矸石山多级隔坡反台山体稳定技术，是在将倒坡式排矸形成的矸石山坡面自上而下整理成隔坡与反台依次相间的基础上，配套了山体排水- 蓄水系统、柔性坡脚、微地形、土矸混合、植被恢复等设施的技术。通过该技术，使山体稳定，并最终帮助矸石山土壤持水力与含蓄量回归到正常的安全状态。

2)隔坡长度的设定考虑了当地降水、地表侵蚀、矸石山坡度、物理特性等因素，理论分析表明10 m左右是临界坡长，故将隔坡长度设定为10 m左右较佳。反台宽度的设定依据机械施工、灭火和地形等因素，理论分析2.5 m左右是临界反台宽度，故将反台宽度设定为2.5 m左右较佳。

南坪山矸石山治理后的结果证明：多级隔坡反台技术在技术上实用、经济上可行有效、并且符合当地实际状况。同类煤矸石山治理过程中可加以借鉴。

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(责任编辑：郭雪芳)

Multistage separated-slopes and reversed-platforms stabilizing technology for spontaneous combustion coal gangue heaps

Chen Wenying1, Wang Xiaojun1, Xin Ya1, Wang Bing1, Mei Aoxue2, Wen Meijia2

(1.School of Environmental and Resource Sciences of Shanxi University, 030006, Taiyuan, China; 2.Shanxi Green Giant Environmental Science and Technology Ltd., 030000, Taiyuan, China)

Coal gangue heaps formed by refuse discharging system in coal mining process take a large proportion of industrial solid wastes in Shanxi, China. They occupy lots of land resources and cause various environmental problems such as spontaneous combustions and landslides. Conventional measures to control coal gangue heaps are costly and challenging. To keep coal gangue hills in a steady state, an integrated technology is needed which covers thoroughly extinguishing, burnback preventing, slope reinforcing and revegetation. For this purpose, we propose the technology of separated-slopes and reversed-platforms of spontaneous combustion coal gangue heaps on the basis of summarizing the experience of actual engineering implementation and practical construction technology. It combines heap shaping treatment based on the hypothesis of series data which consist of separated-slopes disposition pattern, the length of separated-slopes and the width of reversed-platforms etc. Here, separated-slope is the coal gangue slope separated along the contour into several slopes, and reversed-platform is the artificial terrace floor between two separated-slopes with the angles inwardly tilted for two degrees. Based on the studies above, we propose the theoretical model of spontaneous combustion coal gangue multistage separated-slopes and reversed-platforms stabilizing technology which has been practically tested in the real conditions of coal gangue on Mount. Nanping in Shanxi Province. Coal gangue heaps were reshaped into grading surfaces from top to bottom with separated-slopes and reversed-platforms. Considering the local precipitation, surface erosion, coal gangue slope and physical properties, the critical length of separated-slopes is 10 m. And the theoretical width of reversed-platforms is 2.5 m according to the width of construction machine, the depth of high temperature zones and the local topography. We also employed supporting facilities like drainage and water-storage system, flexible slope toes, microrelief, loess-gangue mixture and revegetation to ensure the slope stability. Our research has proved our proposed technology a locally adaptive, economical and effective solution in the issues of spontaneous combustion, burnback and hillside instability, and in the future, this model can be referenced when dealing with the coal gangue hill problems of the similar types.

spontaneous combustion coal gangue heaps； hillside stability； separated-slopes and reversed-platforms； case study

2014-12-19

2015-08-04

项目名称：国家自然科学青年基金“黄土高原荒溪近自然治理的土壤—植被水文生态作用研究”(41201277)

陈文英(1988—)女，硕士研究生。主要研究方向：恢复生态。E-mail：1258037246@qq.com

†通信作者简介：王晓军(1968—)，男，副教授，硕士生导师。主要研究方向：自然资源管理。E-mail：xjwang@sxu.edu.cn

S157

A

1672-3007(2015)05-0111-07