采动影响下某矸石山稳定性分析

李跃龙，王文慧，周锦华，王乐杰

(大地工程开发(集团)有限公司， 北京 100102)

0 引言

我国作为世界上最大的煤炭资源生产国和消费国，在煤炭资源开采过程中产生了大量的煤矸石，堆放的煤矸石不仅压覆了矿山煤炭资源，缩短了矿山服务年限，而且还存在矸石山发生失稳滑坡、泥石流等地质灾害的隐患。为安全合理地采出矸石山下煤炭资源，有必要对采动影响下的矸石山的稳定性进行研究[1]。

目前国内外学者已经对采动影响下的边坡稳定性进行了一定的研究，并取得了一些研究成果。对于边坡稳定性的分析方法主要有两类：一是建立在刚体极限平衡理论上的极限平衡法[2-6]；二是以有限元为代表的数值计算方法[7-8]，如 ANASYS、FLAC等。其中极限平衡法将滑坡体划分为一个个小条块，假定条块为刚体，按滑动土体力的平衡建立静力平衡方程组，通过求解静力平衡方程组，可计算出边坡稳定的安全系数。由于极限平衡法能给出物理意义明确的边坡稳定安全系数以及可能的破坏面，因此在工程应用中被广泛地采用。

1 矸石山概况

该矸石山由山坡堆积而成，已陆续堆填煤矸石约400万m3，形成了一、二、三级矸石山平台，矸石山占地面积约0.288 km2。矸石山平台一般坡高20～35 m，最大坡高达78 m（矸石山北坡）。矸石山最高点+516 m（矸石山三级平台），最低点+310 m。

根据勘查资料，矸石山各地层由上到下分别为：第四系全新统杂填土、第四系全新统坡残积粘土、三叠系下统嘉陵江组四段泥质灰岩。各地层的物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

2 保护性开采方案设计

该矸石山区域主要开采4#、6#煤层，平均采厚分别为2.4 m和1.4 m，煤层倾角约为20°，为倾斜煤层。由于受三级平台滑坡威胁的山脚区域已无建筑物等设施，因此对三级平台下煤层进行全部开采，二级平台正下方煤层放弃开采，侧下方煤层部分开采，综合采用部分开采、协调开采等井下开采保护措施确定本次工作面开采顺序为 3602三段（-250 m）→3602四段（-310 m）→3402二段（-200 m）→3402三段（-270 m），工作面布置如图1、图2所示。

3 矸石山变形计算

利用概率积分法[9-10]对矸石山下部分煤炭资源开采后的矸石山变形情况进行计算，绘制相应的下沉、倾斜变形、水平变形等值线计算图（见图 2、图3）。矸石山地表变形情况见表2。由表2、图2、图3可知，矸石山最大变形损害为Ⅱ级（水平变形小于4 mm/m），一级平台、二级平台边坡倾斜变形与其坡向相反，减小了矸石山的坡度，利于矸石山稳定性；但矸石山三级平台边坡倾斜变形与其坡向一致，略微增加了矸石山的坡度，将对矸石山稳定性产生不利影响。

图1 4#煤层工作面布置

图2 6#煤层工作面布置

图3 保护性开采结束矸石山移动变形等值线图

表2 开采结束后矸石山地表移动变形值

4 矸石山稳定性极限平衡分析

4.1 滑坡模式分析

根据现场勘探成果，该矸石山堆积体底部有一层0.3 m～1.8 m的硬塑～可塑状的黏性土，加之在地下水及降雨入渗浸润的长期作用下，水分入渗基底，软化或溶蚀、潜蚀基底接触面介质，使得矸石山与下伏基底之间存在一层力学强度指标较低的软弱面。该软弱面的力学强度指标较低，小于矸石山本身及基底的力学强度，因此该矸石山失稳模式为沿基底接触面产生的塑流-拉裂型变形破坏，即滑坡是通过矸石山物料和基底二者之间的接触面滑动。在矸石山自身组织变化及外界扰动作用下，原有平衡状态被打破，接触面处介质向临空方向产生塑性流动，上覆矸石山拉裂、解体和不均匀沉陷，进而导致坡体滑动失稳。

4.2 计算剖面及参数修正

根据矸石山不稳定斜坡的基本特征，选取 10个不同的剖面作为稳定性计算剖面，各剖面位置见图 4，采用地表移动变形计算值对原矸石山坡体剖面进行修正，并根据修正后的边坡剖面进行稳定性计算，剖面修正如图5所示。

图4 矸石山剖面位置

保护性开采结束后水平变形在Ⅱ级变形以内（拉伸小于4 mm/m）且采深采厚比大于120倍，开采不易造成矸石山表面形成裂缝，开采过程中及开采结束时，拉伸变形仅对矸石山整体强度产生轻微影响，为此，在计算矸石山稳定性时，对受采动影响的矸石山力学强度进行修正，取值为自然状况下的90%。

图5 剖面修正示意

4.3 计算结果

考虑到该矸石山可能出现的滑坡模式为沿基底接触面的滑动，滑面可能为任意形状，因此采用极限平衡分析法中的 Morgenstern－Price法计算矸石山边坡稳定性。根据《地质灾害防治工程勘察规范》（DB 50/143-2003），滑坡稳定状态划分见表3。采用Geo-Slope软件对各剖面搜索潜在滑面，进行矸石山边坡稳定性计算，计算结果见图 6，由于篇幅所限，本文只列出了6-6′剖面和7-7′剖面的计算结果，其它剖面计算结果详见表4。

计算结果表明：

表3 滑坡稳定状态划分

图6 计算结果

表4 矸石山边坡稳定性安全系数计算结果

（1）保护性开采结束后矸石山各剖面除 7-7′剖面外稳定系数均大于1.15，为稳定状态。

（2）保护性开采结束后 7-7′剖面稳定性系数偏低，存在局部失稳的可能性，需对三级矸石山平台进行削坡减载（将原来边坡坡角由36°降到30°，经计算，削坡减载后边坡稳定性系数可达 1.15以上）。

5 结论

（1）确定了矸石山的边坡失稳模式为沿基底接触面产生的塑流-拉裂型变形破坏。

（2）保护性开采结束后，矸石山一、二级平台为稳定状态，需对三级平台进行削坡治理，将坡角降至30°。

（3）矸石山三级平台削坡治理后，矸石山下煤炭资源保护性开采在技术上是安全可行的。