沟谷填充推平式矸石山的稳定性研究与分析

闫勇生

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西　太原　030024； 2.霍州煤电集团 悦昌煤业，山西　洪洞　031400)



沟谷填充推平式矸石山的稳定性研究与分析

闫勇生1,2

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西太原030024； 2.霍州煤电集团 悦昌煤业，山西洪洞031400)

摘要我国煤炭工业的不断发展，伴生出数量众多的矸石山可能引起地质灾害，对当地的人身安全和财产安全造成威胁。本文在某矸石山布置了测线和观测站，通过现场实测，分析了各测线的动态分布特征规律，得出在不同条件下矸石山的稳定状态，为矸石山的土地复垦和作物种植提供参考依据。

关键词矸石山；沟谷填充；边坡；稳定性

通过对某矸石山基地进行现场调研和考察，并查阅相关文献，收集到了矸石山所在地的地质情况、地貌特征、气候特征、卫星影像图以及矸石散体的物理力学参数和水力学参数等资料，为该矸石山稳定性的研究和分析做准备。通过采用全站仪和RTK对该矸石山的测线和测桩进行定期的现场监测，分析所测数据可以得出：该矸石山基地的边坡边缘区域的变形大于其内部区域的变形，其在竖直方向的变形大于在x方向的变形，在x方向的变形大于在y方向的变形，且该矸石山基地的变形值都较小，即该矸石山整体上属于稳定状态。通过采用GeoStudio软件模拟该矸石山在表面覆土前、后，分别在自然状态下和降雨状态下的边坡稳定性，可以得出：矸石山在覆土后比覆土前的稳定性有所减小，且随着降雨持续时间的增加和降雨强度的增大，矸石山受到的孔隙水压力、体积水含量、水平位移、垂直位移、最大剪应变都在增加，安全系数都在减小。当降雨时间持续90 d，降雨强度为24 mm/d时，矸石山处于稳定状态；降雨强度为45 mm/d时，矸石山处于极限平衡状态；降雨强度为90 mm/d时，矸石山处于失稳状态。对比矸石山体的水平、垂直位移变形量及孔隙水压力变化，可以得出：矸石山体的垂直变形大于水平变形，且矸石山覆土前孔隙水压力的增加幅度大于覆土后的增加幅度，覆土后矸石山底部的孔隙水压力几乎不变，覆土前在矸石山底部出现了饱和区，覆土后未出现饱和区。

本文采用理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法对该矸石山在不同条件下的稳定性进行研究和分析，为下一步对矸石山的土地复垦和作物种植提供参考依据。该研究对全国范围内类似条件下的其他矸石山的稳定性研究具有借鉴意义。

1边坡稳定性分析机理

某矸石山基地是由生产排出的矸石散体经过长时间的填埋、堆积和推平，且在矸石散体填埋结束，待其沉淀一段时间后往矸石散体上覆土而形成的。同时，基地的边缘部分就形成了倾斜边坡状。因此，为了研究该矸石山的稳定性，需要从边坡稳定性分析机理入手，重点研究岩土体边坡稳定性的理论，分析岩土体参数变化对边坡稳定性的影响、降雨入渗对边坡稳定性的影响等内容。

边坡的稳定性研究是分析边坡在不同条件下从稳定状态变成失稳滑坡状态过程的重要课题，了解岩土体边坡结构从稳定到失稳滑坡的机理能更好地理解边坡稳定性的本质原因。大量的研究表明，边坡从稳定到失稳滑坡的本质原因是边坡土体受到剪切的力学行为和岩土体材料抗剪强度共同发挥作用的结果。一方面，组成边坡的岩土体具有各自材料的不同强度特性；另一方面，边坡结构体也具有不同的应力状态。

2矸石山稳定性的现场监测

2.1现场监测布置方案

1) 测线布置方案。由于该矸石山基地的不稳定性主要发生在边坡部分，为了充分且完整地监测边坡的不稳定性，沿着该矸石山的边坡边缘向内偏移1 m处布置第一条测线，记为测线A，测线A的实际长度为675 m；为了更好地监测整个矸石山基地的不稳定性，除了在边坡边缘布置测线外，在边坡边缘向里布置第二条测线，记为测线B，测线B距离测线A的平均距离为45 m，测线B的实际长度也为675 m；同时为了监测矸石山基地靠近内部的稳定性，在偏内的区域布置了第三条测线，记为测线C，测线C的实际长度为132.6 m.

2) 观测站布置方案。选取稳定的山包作为基准桩的布置点，分别在基地周边的3个山包顶各布置一个基准点，记为：K1、K2和K3；3条测线A、B和C全部依照每间隔45 m的距离布置一个观测桩，其中，测线A上需要布置16个测桩，记为A1～A16；测线B上需布置16个测桩，记为B1～B16；测线C上需布置4个测桩，记为C1～C4，共计36个测桩，且各测线上的测桩都是按照从南向北的顺序依次编号。测线与观测站的布置方案以及测量坐标系的建立见图1.

图1　测线与观测站布置方案图

2.2现场实测数据分析

分别对该矸石山基地进行了4次观测，将观测所得的数据与各测点的初始坐标进行对比分析，得出测线A、B和C相对应的竖直变形量、倾斜变形量、水平移动量和水平变形量，并绘制成动态分布曲线。

2.2.1竖直变形曲线动态分布特征

测线A上各测点的竖直变形曲线见图2.

图2　测线A上各测点的竖直变形曲线图

测线B、C上各测点的竖直变形曲线见图3.

图3　测线B、C上各测点的竖直变形曲线图

2.2.2倾斜变形曲线动态分布特征

测线A上各测点在x方向的倾斜变形曲线见图4.

图4　测线A上各测点在x方向的倾斜变形曲线图

2.2.3水平移动曲线动态分布特征

测线A上各测点沿x方向水平移动曲线见图5.测线B、C各测点沿x方向水平移动曲线见图6.

图5　测线A上各测点沿x方向水平移动曲线图

图6　测线B和C各测点沿x方向水平移动曲线图

2.2.4测线动态分布特征规律

通过对比测线A、B和C的竖直变形曲线、倾斜变形曲线、水平移动曲线，可以得出以下规律：

1) 测线A的竖直变形、倾斜变形、水平移动和水平变形都大于测线B和测线C的变形，表明该矸石山基地的边坡边缘区域的变形大于其内部区域的变形。

2) 测线A的最大竖直变形为-32 mm，最大x方向变形为-17 mm，最大y方向变形为12 mm；测线B的最大竖直变形为-23 mm，最大x方向变形为-10 mm，最大y方向变形为13 mm；测线C的最大竖直变形为-12 mm，最大x方向变形为-4 mm，最大y方向变形为7 mm. 从上述数据可以看出，该矸石山基地的变形值都较小，即该矸石山基地整体上属于稳定状态，且随着时间的增加，矸石山的变形越来越小。

3) 沿x方向，测线A在测点A4附近出现了最大倾斜变形量，为14.20 mm/m，在测点A3和A4之间具有较大的水平变形，最大拉伸变形值为+8.46 mm/m，最大压缩变形为-11.36 mm/m；沿y方向，测线A在测点A10和A11附近出现了最大倾斜变形量为0.86 mm/m，在测点A10和A11之间具有较大的水平变形，最大拉伸变形值为+0.12 mm/m，最大压缩变形为-0.49 mm/m；测线B、C在x、y方向的变形规律性不强，且变形值都较小，表明该矸石山的边坡边缘在测点A4、A5、A10和A11这4个测点附近易发生变形。

4) 由于降雪形成水体，2015年1月13日—2月11日，该矸石山的变形相对较大，表明水体对矸石山稳定性的影响较大。

3结论

1) 该矸石山在自然状态下，覆土后的矸石山比覆土前的稳定性有所减小。当降雨强度一定时，随着降雨持续时间的增加，矸石山受到的孔隙水压力、体积水含量、水平位移、垂直位移、最大剪应变都在增加，安全系数都在减小；降雨持续时间一定时，随着降雨强度的增大，矸石山受到的孔隙水压力、体积水含量、水平位移、垂直位移、最大剪应变都在增加，安全系数都在减小。

2) 在自然状态下的覆土前后，该矸石山的安全系数都大于1，即矸石山处于稳定状态；在降雨强度为24 mm/d，降雨持续时间为90 d时，安全系数也都大于1，矸石山也处于稳定状态；在降雨强度为45 mm/d，降雨持续时间为90 d时，安全系数接近1，矸石山处于极限平衡状态；在降雨强度为90 mm/d，降雨持续时间为90 d时，安全系数都小于1，矸石山处于失稳状态，即出现了滑坡。

3) 在降雨强度为24 mm/d时，该矸石山覆土前，连续降雨90 d时，矸石山体顶部孔隙水压力为-70.62 kPa，底部压力为120.9 kPa，最大体积含水量为2.57，坡脚处的最大水平位移为3.016 cm，顶部的最大垂直位移为13.01 cm；该矸石山覆土后，连续降雨90 d时，矸石山体顶部孔隙水压力为-133.5 kPa，底部压力为64.91 kPa，最大体积含水量为22.62，边坡边缘的最大水平位移为34.66 cm，顶部的最大垂直位移为53.51 cm.

4) 对比矸石山体发生的水平位移变形量和垂直位移变形量，可以得出，矸石山体的垂直变形大于水平变形；且矸石山覆土前孔隙水压力的增加幅度大于覆土后的增加幅度，覆土后矸石山底部的孔隙水压力几乎不变；覆土前在矸石山底部出现了饱和区，覆土后未出现饱和区。

参考文献

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(E-mail)1737122209@qq.com

Research and Analysis on Stability of Gangue Dump

Accumulated by Valleys Filling and Bulldozing

YAN Yongsheng

AbstractWith the continuous development of coal industry, a large number of gangue dumps that are associated may cause geological disasters, threatens the local personal safety and property security. Arranges the measuring line and station in a gangue dump. Through field measurement analyzes the dynamic distribution rule of lines, obtains the steady state of gangue dump in different conditions, it provides reference for land rehabilitation and crop cultivation of gangue dump.

Key wordsGangue dump; Valleys filling; Side slope; Stability

中图分类号：TD824.7

文献标识码：B

文章编号：1672-0652(2015)10&11-0043-04

作者简介：闫勇生(1972—)，男，山西汾西人，1996年毕业于山西矿业学院，太原理工大学在读在职研究生，高级工程师，主要从事煤矿开采工作

收稿日期：2015-08-13