同舟煤业排土场裂缝研究

苗永旗

(大同煤矿集团 忻州同舟煤业有限公司,山西 忻州 034000)

煤炭是我国能源结构体系中重要组成部分,露天煤矿产能占总产能的10%左右,且产能呈逐年上升趋势[1]。露天煤矿边坡稳定性是影响煤矿安全高效的重要因素之一。一直以来,对于露天煤矿大多关注其边坡灾害工作,相关技术人员也致力于边坡滑坡、坍塌、失稳等影响因素的分析和评价[2-4]。然而,不同的露天煤矿,排土场基底、最终排弃标高、最终边坡角、台阶高度、排弃物组成等不尽相同,边坡稳定性情况仍需具体情况具体分析。

同舟露天煤矿排土场各排土平盘在坡顶线位置及距坡顶线及10 m范围内产生多条裂隙,排土场边坡稳定性存在安全隐患[1-3],极易形成滑坡事故。基于此,本文以同舟露天煤矿排土场边坡为研究对象,对排土场边坡坡稳定性分析、评价,为煤矿安全生产工作提供理论参考。

1 排土场概况

同舟露天煤矿位于晋西北黄河东侧,地形东高西低,煤岩倾角3°～8°,直接底下部22 m～35.5 m页岩、粉砂岩互层岩石,基本底为奥陶系上马家沟灰岩,厚度达300 m。矿田范围无长年地表水体,在排土场底部也无承压水用处,地表多由黄土覆盖,属典型黄土高原地貌。气候干燥,其生产过程中形成建矿期间的外排土场和生产后在采剥帮内侧的内排土场。

外排土场占地面积18.9 m2×104 m2,回填土方量2.98 m3×106 m3,基底最低点为+971 m,最高平盘高度+1 032 m,台阶坡顶线长854 m,回填呈V字形。基底为黑色页岩,两帮为第三纪红土和第四纪黄土,北侧为原黄石崖沟,排土台阶上修有运输道路。

内排土场是占地面积1.90 m2×106 m2,回填土方量1.4 m3×108 m3,基底最低点为+941 m,最高平盘高度+1 059 m,最长台阶坡顶线长3 960 m,回填呈“□”字形。基底为页岩,东、南两侧为4～6个排土台阶,北侧为逐渐压茬的倾斜非工作帮。内外排土场基本参数如表1所示。

表1 内外排土场基本参数Table 1 Basic parameters of inside and outside waste dumps

内、外排土场排弃物为煤层上覆岩层混合物,其中,第四系粉砂质黄土占40%,第三系红色亚粘土占40%,煤层顶板页岩、煤矸石和局部地段出现的粗砂岩占20%。采用SZ-30-2A型大三轴试验系统测试混合物参数如表2所示。

表2 岩与土混合抗剪强度参数Table 2 Mixed shear strength parameters of rock and dirt

2 裂缝成因分析

现场实测数据显示排土场台阶裂缝宽度范围10 mm～100 mm,2018年雨季后,排土场坡面呈现众多裂缝,裂缝最大宽度达150 mm,裂缝两500 mm。201边高低错位最大200 mm。裂缝距坡顶线位置最远位置为15 m。距坡顶线不同距离裂缝数量如图1所示。

图1 距坡顶线不同距离裂缝数量Fig.1 Crack numbers at different distance from bench edge

结合已有研究[5],根据同舟煤矿实际情况,分析排土场产生裂缝原因如下。

1)排土场基底。外排土场基底利用原有的自然沟作为外排土场,沟谷底部坡度3°～5°,两边山坡坡度为40°～60°,从几何形状判断不存在滑动可能。其基底多为砾类土、砂岩等组成,其中砾类土厚度不等,粒径级配不均、成分复杂、承载力一般、具有渗透性,不可作为构筑物基础的持力层,砂岩厚度稳定,承载力较高,可做为排土场的持力层和下卧层,具弱渗透性,但受山体形状束缚,不存在因载荷增加而滑动。

内排土场基底为13号煤层底板,岩层倾角3°～8°,岩性多为炭质泥岩,强度较高,但其泥质岩类遇水易膨胀、崩解、强度降低,如无大量水源灌入,混合排弃物与基地岩层之间的摩擦力足以克服其产生的下滑力,不存在滑动可能。

2)混合排弃物下沉过程中的不均匀性。排弃物料为砂土、粘土层与亚粘土、泥岩、炭质泥岩及砂岩等混合物,松散且粘聚力较小,排弃后下沉过程不均匀,易产生张裂隙。

3)集中大量降雨。同舟煤业排土场内排土场最下部一个平盘集中排弃矸石,第二台阶排弃红土,上部台阶和各成型台阶坡面全部排弃黄土。夏天雨季连续降雨量达200 mm～300 mm,排土台阶坡面岩土接受大气降水,自身比重急剧增加,自重应力加大,本身岩体内部粘聚力由于含水量增加而减少,同时混合岩体内摩擦角减小,表层1 m范围内混合黄土直接蠕变开裂。

4)冬季气温下降岩体体积收缩后开裂。冬季混合排弃物随气温下降而下降,热胀冷缩作用下混合排弃物体积收缩,在排土场平盘任意位置均会产生张裂隙,裂缝宽度10 mm内,深度小于1 m。

3 边坡稳定性分析

根据裂隙成因分析可知,裂缝产生后弱结构面已产生,极易从裂缝处产生滑坡。而排土场滑坡多以圆弧画面为主,现多采用Bishop-Morgenstern-Price模型[6]进行边坡稳定性分析,计算结果如表3所示。

表3 排土场边坡稳定性系数计算结果表Table 3 Slope stability calculation in waste dump

《煤炭工业露天矿设计规范》(GB50197-2015)规定,外排土场边坡服务年限大于20 a的稳定系数为1.2～1.5;内排土场边坡服务年限大于10 a的稳定系数为1.2,小于10 a的稳定系数为1.3。

分析可知,上述裂缝不影响排土边坡的稳定性,但需采取安全措施预防边坡地质灾害。

4 边坡安全管理

根据已有排土场边坡灾害治理技术,排土场边坡管理需重点做如下工作。

1)排土前,查清排土场基底岩石性质,地质构造,清除松软容易滑动等不利于稳定的软弱岩土。

2)排弃时,优先排弃大块、坚硬、见水不易泥化的岩石,保持过水通道畅通;完善排土场周边防排水体系,加强地面防水疏排水工作,防止地面水流灌入排土场底部,影响内排基底的稳固性;排土场每个排土平盘内侧修筑排水沟渠,做好防渗漏工作,增加岩土自身重量和降低岩土力学强度,提高稳定性;排土平盘修筑3°～5°反坡;出现裂缝及时平整,以防雨水从裂缝灌入;加强边坡监测监控,出现滑坡征兆时,及时采取措施;做好复垦工作,发挥植被导水性和根系固定性;建立健全变坡灾害应急预案。

5 结论

1)同舟煤业排土场边坡产生大量裂隙是由于混合排弃物下沉过程不均匀产生,属于张裂隙;雨季混合岩体内摩擦角减小,表层1 m范围内混合黄土直接蠕变开裂;冬季混合排弃物随气温下降而下降,在排土场平盘任意位置均会产生张裂隙,裂缝宽度在10 mm之内,深度小于1 m,安全管理需采取措施。

2)采用Bishop-Morgenstern-Price模型进行边坡稳定性分析,得出排土场内外边坡稳定性满足安全生产要求。

3)通过长期观测、裂隙成因分析、边坡稳定性分析,内外排土场边坡不存在大面积滑移风险。

4)排土场边坡日常管理重点工作为查清排土场基底、保持过水通道畅通、完善排土场周边防排水体系,加强地面防水疏排水工作发挥植被导水性和根系固定性的功效;建立健全变坡灾害应急预案。