矸石山稳定性分析及治理工程设计

2021-11-12崔彦鹏

山西化工 2021年5期

崔彦鹏

(西山煤电屯兰矿，山西古交 030200)

引言

煤炭是我国国民经济发展的关键动力，随着综采工艺及综采设备自动化水平的不断提升，煤炭生产能力不断提升。煤炭的高效开采在助力我国经济快速的发展的同时，还带来了多种生态问题，包括地面塌陷、地下水流失、煤矸石污染等。

煤矸石为煤炭开采的附属产物，其大多数被储存于荒山中。煤矸石的大量堆积会造成所在区域生产力下降，周边区域地下水被污染、大气环境被污染；而且，当煤矸石堆积过高时容易出现滑坡、泥石流等地质灾害，严重威胁着公共社会的安全[1]。因此，对于煤矸石而言除了需采用适当的手段对其处理外，还需对其稳定性进行分析并对应性的提出治理措施。本文将针对矸石山的稳定性进行分析，并完成矸石山治理工程的设计。

1 工程概况

山西焦煤有限责任公司屯兰矿位于山西省古交市西南6 km处,距太原市60 km，地理坐标：经度112°29′26″，纬度37°50′42″。

矿井于1988年开工建设，1997年10月31日建成并开始试生产，2002年10月正式投产，原设计生产400万t/a，核定生产能力为450万t/a。井田面积64.49 km2，主要煤种有焦煤(61.1%)、瘦煤(26.7%)、肥煤(11.1%)和少量贫煤。矿井采用“两斜一立”综合开拓方式，实现了综采综掘，采掘机械化率达到了100%。

南梁矸石山2012年已完成生态恢复治理进行了封场，并交付当地农民使用。屯兰矿现正在使用的矸石山为周寨沟矸石山，2012年6月开始服役，至今已排矸7年，形成13个平台，矸石累计堆积量800万t。矸石山治理采取“由内而外、自下而上、分层碾压、黄土覆盖”的方式和“防流失、防扩散、防自燃”的原则堆放矸石，防止出现自燃和爆炸。以南梁矸石山为例开展一系列研究，包括对其稳定性进行分析，并提出相应的治理工程。

2 矸石山地质条件及稳定性分析

2.1 矸石山地质条件分析

煤矸石山的稳定性分析需充分结合所对堆放煤矸石周边区域的地理条件和工程地质条件。其中，地理条件主要与当地的气象和水文条件相关；而地质条件主要与周边区域的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、地震及不良地质现象以及其他人类工程活动等相关[2]。其中，影响煤矸石山稳定的主要因素为工程地质条件。南梁矸石山所处区域的地层岩层，如第90页表1所示。

结合对矸石山所在区域水文地质条件的勘测结果，该区域的含水类型包括有孔隙水和岩溶裂隙水。其中，孔隙水主要与当地的降水量和矸石山的渗透系数相关。南梁矸石山的渗透系数，如第90页表2所示。

经分析表2所测得南梁矸石山的渗透系数可知，南梁矸石山的渗透性较好，且其相对应的储水性能较差。此外，结合对南梁矸石山钻孔的简易水位观测，该矸石层无统一水位。

综合南梁矸石山岩溶裂隙水的钻探结果可知，矸石山中所出现的溶蚀裂隙的直径很小，且未发现其他的溶洞和落水洞等情况。因此，南梁矸石山的水文地质相对简单。

2.2 矸石山稳定性分析

经对现阶段南梁矸石山的外形进行初步观测可知，该矸石山南、北、西三侧的矸石处于外露状态，其稳定较好；而矸石山东侧的坡度较大，稳定性极差[3]。因此，本文主要以矸石山的东侧为例开展研究。

表1 南梁矸石山地层岩性分析

表2 南梁矸石山渗透系数

此外，结合对南梁矸石山的地质条件的勘测结果，其安全隐患主要源于矸石山可能沿基岩面产生滑动和矸石山东侧发生滑坡。因此，针对矸石山存在沿基岩面滑动的问题，采用折线法对矸石山整体稳定性进行分析；而针对矸石山存在从内部剪出的隐患，采用圆弧法对矸石山东坡的稳定性进行分析。在实际稳定性分析中，将矸石山在天然状态和暴雨状态下的安全系数均取为1.25，并根据煤矸石山的实际勘测所得矸石的参数对室内模型参数进行模拟计算。计算结果，如表3所示。

表3 南梁矸石山稳定性计算结果

经对南梁矸石山采用折线法对其整体稳定性进行分析可知，其各个剖面的平均系数为1.45，大于其在天然和暴雨季的安全值。故，可知南梁矸石山整体稳定性较好不会沿着基岩面发生滑移现象；

经对南梁矸石山东侧采用圆弧法进行稳定性分析可知，一级、二级以及三级矸石山各个剖面在天然状态和饱和状态下的安全系数小于1.25，即南梁矸石山东侧处于基本稳定状态[4]。

2.3 矸石山稳定性结果

经对南梁矸石山地质条件及周边区域调查分析可知，在现有阶段的治理方案下矸石山尚未出现变形和裂缝的情况。鉴于南梁矸石山东侧的坡度较大在雨季的条件下，其内部的煤矸石存在被剪出的隐患，存在加大的危害性。

经采用折线法对矸石山整体稳定性和圆弧法对矸石山局部稳定性进行分析可知，南梁矸石山在天然状态下处于稳定状态；而在雨季饱和状态下其安全系数低于1.25处于基本稳定状态。

综上所述，需对南梁矸石山进行合理治理。

3 矸石山治理工程设计

结合屯兰煤矿的的实际排矸量和南梁矸石山稳定性分析结果，为有效避免自燃、滑坡等矸石山灾害事故。主要治理工艺具体如下：

1) 总体原则:采取“由里向外、自下而上、分层碾压、黄土覆盖”的方式和“防流失、防扬散、防自燃”的原则堆放矸石，防止出现自燃和爆炸[5]。

2) 主要工艺：首先在沟口修筑拦矸坝，接着从沟底由里向外分层倾倒矸石，距拦矸坝顶50 cm时，用黄土覆盖并碾压至与拦矸坝顶齐平形成第一级平台；从第一级平台向后退形成约3 m宽的马道，再由里向外堆放第二级平台，第二级平台边坡坡度为1:1.5，高度为5 m～8 m左右，坡面用黄土覆盖并压实，从第二级平台后退形成马道，再依次修建台阶状平台；顶部平台、马道、护坡的排水沟，采用土工膜和装有营养土的土工袋构筑；平台表层覆盖表土后，交叉种植适宜当地的乔、灌、草结合的植物，形成植物落叶立体水土防护体系。

此外，针对南梁矸石山的治理还对其生态进行恢复，并通过护坡工程、灭火工程和植被恢复工程等实施。

护坡工程：对矸石山进行山体整形，修筑柔性护坡、马道、上山道路及柔性排水；

灭火工程：用综合灭火措施如挖除火源、喷射注浆、深孔注浆、封堵风门等科学配合实施；

植被恢复工程：以恢复生态学为理论基础，通过物理、化学、生物技术手段，控制待恢复生态系统的演替过程和发展方向，重建生态系统的结构和功能。依赖土壤基质配比技术、植物物种选择技术，运用植生袋、客土喷播技术进行植被恢复，模拟植被自然演替规律，实现植被的快速恢复和生态系统的维持。