矸石山穩(wěn)定性分析及治理工程設(shè)計(jì)

崔彥鵬

(西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200)

引 言

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力，隨著綜采工藝及綜采設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提升，煤炭生產(chǎn)能力不斷提升。煤炭的高效開采在助力我國經(jīng)濟(jì)快速的發(fā)展的同時(shí)，還帶來了多種生態(tài)問題，包括地面塌陷、地下水流失、煤矸石污染等。

煤矸石為煤炭開采的附屬產(chǎn)物，其大多數(shù)被儲(chǔ)存于荒山中。煤矸石的大量堆積會(huì)造成所在區(qū)域生產(chǎn)力下降，周邊區(qū)域地下水被污染、大氣環(huán)境被污染；而且，當(dāng)煤矸石堆積過高時(shí)容易出現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著公共社會(huì)的安全[1]。因此，對于煤矸石而言除了需采用適當(dāng)?shù)氖侄螌ζ涮幚硗猓€需對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析并對應(yīng)性的提出治理措施。本文將針對矸石山的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并完成矸石山治理工程的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

山西焦煤有限責(zé)任公司屯蘭礦位于山西省古交市西南6 km處,距太原市60 km，地理坐標(biāo)：經(jīng)度112°29′26″，緯度37°50′42″。

礦井于1988年開工建設(shè)，1997年10月31日建成并開始試生產(chǎn)，2002年10月正式投產(chǎn)，原設(shè)計(jì)生產(chǎn)400萬t/a，核定生產(chǎn)能力為450萬t/a。井田面積64.49 km2，主要煤種有焦煤(61.1%)、瘦煤(26.7%)、肥煤(11.1%)和少量貧煤。礦井采用“兩斜一立”綜合開拓方式，實(shí)現(xiàn)了綜采綜掘，采掘機(jī)械化率達(dá)到了100%。

南梁矸石山2012年已完成生態(tài)恢復(fù)治理進(jìn)行了封場，并交付當(dāng)?shù)剞r(nóng)民使用。屯蘭礦現(xiàn)正在使用的矸石山為周寨溝矸石山，2012年6月開始服役，至今已排矸7年，形成13個(gè)平臺(tái)，矸石累計(jì)堆積量800萬t。矸石山治理采取“由內(nèi)而外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防擴(kuò)散、防自燃”的原則堆放矸石，防止出現(xiàn)自燃和爆炸。以南梁矸石山為例開展一系列研究，包括對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的治理工程。

2 矸石山地質(zhì)條件及穩(wěn)定性分析

2.1 矸石山地質(zhì)條件分析

煤矸石山的穩(wěn)定性分析需充分結(jié)合所對堆放煤矸石周邊區(qū)域的地理?xiàng)l件和工程地質(zhì)條件。其中，地理?xiàng)l件主要與當(dāng)?shù)氐臍庀蠛退臈l件相關(guān)；而地質(zhì)條件主要與周邊區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、地震及不良地質(zhì)現(xiàn)象以及其他人類工程活動(dòng)等相關(guān)[2]。其中，影響煤矸石山穩(wěn)定的主要因素為工程地質(zhì)條件。南梁矸石山所處區(qū)域的地層巖層，如第90頁表1所示。

結(jié)合對矸石山所在區(qū)域水文地質(zhì)條件的勘測結(jié)果，該區(qū)域的含水類型包括有孔隙水和巖溶裂隙水。其中，孔隙水主要與當(dāng)?shù)氐慕邓亢晚肥降臐B透系數(shù)相關(guān)。南梁矸石山的滲透系數(shù)，如第90頁表2所示。

經(jīng)分析表2所測得南梁矸石山的滲透系數(shù)可知，南梁矸石山的滲透性較好，且其相對應(yīng)的儲(chǔ)水性能較差。此外，結(jié)合對南梁矸石山鉆孔的簡易水位觀測，該矸石層無統(tǒng)一水位。

綜合南梁矸石山巖溶裂隙水的鉆探結(jié)果可知，矸石山中所出現(xiàn)的溶蝕裂隙的直徑很小，且未發(fā)現(xiàn)其他的溶洞和落水洞等情況。因此，南梁矸石山的水文地質(zhì)相對簡單。

2.2 矸石山穩(wěn)定性分析

經(jīng)對現(xiàn)階段南梁矸石山的外形進(jìn)行初步觀測可知，該矸石山南、北、西三側(cè)的矸石處于外露狀態(tài)，其穩(wěn)定較好；而矸石山東側(cè)的坡度較大，穩(wěn)定性極差[3]。因此，本文主要以矸石山的東側(cè)為例開展研究。

表1 南梁矸石山地層巖性分析

表2 南梁矸石山滲透系數(shù)

此外，結(jié)合對南梁矸石山的地質(zhì)條件的勘測結(jié)果，其安全隱患主要源于矸石山可能沿基巖面產(chǎn)生滑動(dòng)和矸石山東側(cè)發(fā)生滑坡。因此，針對矸石山存在沿基巖面滑動(dòng)的問題，采用折線法對矸石山整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析；而針對矸石山存在從內(nèi)部剪出的隱患，采用圓弧法對矸石山東坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。在實(shí)際穩(wěn)定性分析中，將矸石山在天然狀態(tài)和暴雨?duì)顟B(tài)下的安全系數(shù)均取為1.25，并根據(jù)煤矸石山的實(shí)際勘測所得矸石的參數(shù)對室內(nèi)模型參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3 南梁矸石山穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

經(jīng)對南梁矸石山采用折線法對其整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析可知，其各個(gè)剖面的平均系數(shù)為1.45，大于其在天然和暴雨季的安全值。故，可知南梁矸石山整體穩(wěn)定性較好不會(huì)沿著基巖面發(fā)生滑移現(xiàn)象；

經(jīng)對南梁矸石山東側(cè)采用圓弧法進(jìn)行穩(wěn)定性分析可知，一級、二級以及三級矸石山各個(gè)剖面在天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的安全系數(shù)小于1.25，即南梁矸石山東側(cè)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

2.3 矸石山穩(wěn)定性結(jié)果

經(jīng)對南梁矸石山地質(zhì)條件及周邊區(qū)域調(diào)查分析可知，在現(xiàn)有階段的治理方案下矸石山尚未出現(xiàn)變形和裂縫的情況。鑒于南梁矸石山東側(cè)的坡度較大在雨季的條件下，其內(nèi)部的煤矸石存在被剪出的隱患，存在加大的危害性。

經(jīng)采用折線法對矸石山整體穩(wěn)定性和圓弧法對矸石山局部穩(wěn)定性進(jìn)行分析可知，南梁矸石山在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)；而在雨季飽和狀態(tài)下其安全系數(shù)低于1.25處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，需對南梁矸石山進(jìn)行合理治理。

3 矸石山治理工程設(shè)計(jì)

結(jié)合屯蘭煤礦的的實(shí)際排矸量和南梁矸石山穩(wěn)定性分析結(jié)果，為有效避免自燃、滑坡等矸石山災(zāi)害事故。主要治理工藝具體如下：

1) 總體原則:采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚(yáng)散、防自燃”的原則堆放矸石，防止出現(xiàn)自燃和爆炸[5]。

2) 主要工藝：首先在溝口修筑攔矸壩，接著從溝底由里向外分層傾倒矸石，距攔矸壩頂50 cm時(shí)，用黃土覆蓋并碾壓至與攔矸壩頂齊平形成第一級平臺(tái)；從第一級平臺(tái)向后退形成約3 m寬的馬道，再由里向外堆放第二級平臺(tái)，第二級平臺(tái)邊坡坡度為1:1.5，高度為5 m～8 m左右，坡面用黃土覆蓋并壓實(shí)，從第二級平臺(tái)后退形成馬道，再依次修建臺(tái)階狀平臺(tái)；頂部平臺(tái)、馬道、護(hù)坡的排水溝，采用土工膜和裝有營養(yǎng)土的土工袋構(gòu)筑；平臺(tái)表層覆蓋表土后，交叉種植適宜當(dāng)?shù)氐膯?、灌、草結(jié)合的植物，形成植物落葉立體水土防護(hù)體系。

此外，針對南梁矸石山的治理還對其生態(tài)進(jìn)行恢復(fù)，并通過護(hù)坡工程、滅火工程和植被恢復(fù)工程等實(shí)施。

護(hù)坡工程：對矸石山進(jìn)行山體整形，修筑柔性護(hù)坡、馬道、上山道路及柔性排水；

滅火工程：用綜合滅火措施如挖除火源、噴射注漿、深孔注漿、封堵風(fēng)門等科學(xué)配合實(shí)施；

植被恢復(fù)工程：以恢復(fù)生態(tài)學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過物理、化學(xué)、生物技術(shù)手段，控制待恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的演替過程和發(fā)展方向，重建生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。依賴土壤基質(zhì)配比技術(shù)、植物物種選擇技術(shù)，運(yùn)用植生袋、客土噴播技術(shù)進(jìn)行植被恢復(fù)，模擬植被自然演替規(guī)律，實(shí)現(xiàn)植被的快速恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的維持。

4 結(jié)語

煤矸石為煤炭生產(chǎn)不可避免的附屬產(chǎn)物，為解決煤矸石對生態(tài)環(huán)境和居民生活的危害，本文以及屯蘭礦南梁矸石山為例進(jìn)行研究，總結(jié)如下：

1) 南梁矸石山整體穩(wěn)定性較好，但其東側(cè)坡度較大在余量飽和狀態(tài)下安全系數(shù)小于1.25，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)對周圍局面的威脅較大；

2) 針對南梁矸石山的現(xiàn)狀及現(xiàn)階段治理措施，采取“由里向外、自下而上、分層碾壓、黃土覆蓋”的方式和“防流失、防揚(yáng)散、防自燃”的原則進(jìn)行治理，并通過護(hù)坡工程、滅火工程和植被恢復(fù)工程對周邊生態(tài)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)。