磨心坡煤矿矸石山稳定性分析

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【摘 要】磨心坡煤矿始建于1958年，矿井生产能力为50万吨/年，现属重庆天府矿业有限责任公司，为国有矿山企业。该矿矸渣自建矿以来一直堆放于工业广场南西侧山沟地带，形成的矸石山总方量约70万立方米。矸石山坡下有煤矿工业广场、襄渝铁路、居民区等，在暴雨作用下，矸石体经常产生垮塌，曾击毁房舍，掩埋农田。本文依据勘查成果，总结了矸石山的基本特征，分析了影响矸石山稳定性的因素，计算了矸石山的稳定性并进行了评价，最后提出了防治方案建议。

【关键词】矸石山；垮塌；稳定性计算；防治方案

磨心坡煤矿始建于1958年，矿井生产能力为50万吨/年，现属重庆天府矿业有限责任公司，为国有矿山企业。矸渣自建矿以来一直堆放于该矿工业广场南西侧约100m外山沟地带，现形成的矸石山南北长约350米，东西宽约250米，面积约66900平方米，矸石体厚度5～58米，总方量约70万立方米。矸石山西侧坡脚下为重庆市北碚区磨心坡矸砖厂，矸砖厂的外侧20米为襄渝铁路；矸石山北东侧坡角为农田，其间散居有居民，下部则为磨心坡煤矿工业广场（图1）。由于堆矸形成的边坡较陡，在暴雨作用下，矸石体经常产生大规模的垮塌，曾将矸石山北东侧坡下的房舍击毁，部分农田被掩埋。

矸石山严重威胁着坡下的工业广场、襄渝铁路、居民、房舍等的安全，若一旦失稳，将会给国家和人民造成严重的经济损失，影响当场社会稳定和企业形象，故对矸石山的勘察治理显得尤为迫切和重要。

1 场区地质环境条件

1.1 地形地貌

矸石山位于一近南北走向的斜坡地带，坡角5°～15度，矸石原从南东侧自然斜坡坡脚及两小山丘之间的沟槽顺坡堆积，现堆高已近两山丘的顶部。在矸石山顶部形成了一面积约3.1万平方米的平台，高程约+297米，在东、南、西三面均形成了高18～55米，坡角30～60度的矸石边坡（图2）。

1.2 地层岩性

场地分布的岩土层有第四系人工堆填土（Q4ml）、坡残积层（Q4el+dl），基岩为侏罗系下统珍珠冲组（J1z）。现从新到老分述如下：

（1）人工堆填土（Q4ml）：主要为堆放的矸渣，成分主要以石灰岩、白云质石灰岩、砂岩、泥岩等组成，另有少量岩粉充填，表层及上部呈松散状～稍密状，下部密实；矸渣颗粒大小不均，一般在5～10厘米，局部15～20厘米，厚度5～60米，主要分布于矸石山堆积区域及襄渝铁路部分段的路基一带。

（2）坡残积层（Q4el+dl）：为地表岩石经风化后形成的粉质粘土，呈褐红色、褐黄色，厚度一般0.70～5.36米，主要分布于斜坡地形坡脚及沟谷范围，与下伏基岩呈角度不整合接触。

（3）侏罗系下统珍珠冲组（J1z）

泥岩：紫红色，中厚层状构造，泥、钙质胶结，主要成分为粘土矿物，岩体较完整，分布于矸石山中部到南东一带。

砂质泥岩：黄灰色，中厚层状，局部夹砂岩透镜体，岩体完整性较差，分布于矸石山中部到北西一带。

2 场区工程地质评价

2.1 矸石山基本特征

磨心坡煤矿矸石山堆积区未堆矸前为一小山沟，矸石体于1958年自上而下顺坡抛填形成，现在总方量约70万立方米，矸石成分主要以石灰岩、白云质石灰岩及泥岩碎块石等组成。由于自重的作用，矸石体下部为密实状，上部呈松散～稍密状。目前在矸石山北东侧形成的人工填方边坡高30～42度，坡角约26～40度。南西侧堆矸高度18～35米，坡角50～60度，坡顶可见冲槽，矸石体经常发生局部垮塌，坡脚建有一段长120米的简易矮挡墙，高1.5～2.0米，为浆砌片石结构，基础置于强风化基岩上，无变形迹象；西侧的矸石边坡高约20～55米，坡角约35～40度，坡脚为北碚区磨心坡矸砖厂，距矸砖厂20～30米为襄渝铁路，在铁路西侧约20米处为高5～14米的填方边坡，在铁路路基施工时已将该段填方边坡全部进行了挡墙支护（桩板挡墙）。挡墙、铁路路基及麿心坡矸砖厂均未发现有开裂、垮塌等变形情况，稳定性较好。

2.2 矸石山变形失稳情况

矸石山形成以来，每遇强降雨，矸石山局部便会有矸石垮塌，在矸石山顶部北东侧、南西侧形成了各两条宽0.6～1.2米，深0.8～1.6米的冲槽，两条冲槽之间的矸石出现了多条裂缝，矸石体松散。据调查，2004年7月暴雨后矸石山北东侧曾发生过局部垮塌现象，塌方量约500立方米，将坡下两间农房击垮，掩埋了部分农田，无人员伤亡；2007年8月暴雨后，该侧又发生矸石垮塌现象，塌方量约1000立方米，摧毁农房二间，掩埋了部分农田，无人员伤亡。矸石山西侧边坡由于边坡较高，坡度较大，加之坡脚矸砖厂的常年采掘，在暴雨时经常发生局部垮塌。

矸石山南西侧修建有虽修有矮挡墙，但由于边坡较陡，平时经常发生局部垮塌，稳定性较差；西侧人工填方边坡坡度较大，堆积高度较大，下部有矸砖厂对矸石山进行采掘活动，外侧为铁路，在暴雨期局部边坡经常发生垮塌；北东侧形成的人工填方边坡最高约42米，坡角约26～40度，坡脚下地势较平坦，为耕地和工业广场，在暴雨期，矸石体发生过滑塌，对下部工业广场等保护对象产生严重威胁。

3 矸石山稳定性计算

3.1 计算方法的选取

主要选择对西侧、南西侧和北东侧边坡进行稳定性计算，分别采用折线法和圆弧搜索法进行计算。

3.2 计算剖面的确定

根据矸石堆积体特征，选择最具代表性的1-1’、2-2’、3-3’、5-5’、6-6’剖面分别进行稳定性计算。对1-1’、5-5’、6-6’剖面分别采用折线法计算；2-2’剖面矸石山北东侧坡脚下为煤矿工业广场，6-6’剖面矸石山西侧为矸砖厂及襄渝铁路，3-3’南西侧边坡原始坡率较大，故对三剖面分别圆弧搜索法计算。计算公式如下：

Ni=（Gi+Gbi）cosθi+Pwisin（αi-θi）；

Ti=（Gi+Gbi）sinθi+Pwicos（αi-θi）；

Ri=Nitgψi+cili

式中，Ks—边坡稳定性系数；

Ci—第i计算条块滑动面上土体的粘结强度标准值（kPa）；

ψi—第i计算条块段滑动面上土体的内摩擦角标准值（°）；

li—第i计算条块滑动面长度（m）

αi，θi —第i计算条块底面倾角和地下水位面倾角（°）；

Gi—第i计算条夫单位宽度岩土体自重（kN/m）；

Gbi—第i计算条块滑体地表建筑的单位宽度自重（kN/m）；

Pwi—第i计算条块单位宽度的动力压力（kN/m）；

Ni—第i计算条块滑体在滑动面法线上的反力（kN/m）；

Ti—第i计算条块滑体在滑动面切线上的反力（kN/m）；

Ri—第i计算条块滑动面上的抗滑力（kN/m）。

圆弧法计算采用北京理正岩土软件分析搜索最危险滑动面（采用瑞典条分，条分法的土条宽度： 5.000（m），搜索时的圆心步长： 5.000（m），搜索时的半径步长： 5.000（m））和小于安全系数的滑动面，从而确定边坡有滑动可能的危险范围和深度。

3.3 计算参数的确定

3.3.1 矸石体重度的确定

矸石体天然重度为：γ天然=19.60kN/m3，由于矸石体渗透性强，在暴雨或长期降雨状态（雨季）下，可能完全饱和，饱和重度（经验值）取γ饱和=20.60kN/m3。

3.3.2 抗剪强度值的确定

（1）矸石体抗剪强度值的确定

利用初勘报告推荐值，矸石体的抗剪强度值为：C天然=6.10kPa，φ天然=34.20°，C饱和=4.30kPa，φ饱和=32.70°。

（2）潜在滑带土抗剪强度值的确定

潜在滑带土抗剪强度值为：C天然=14.21kPa，φ天然=16.10°，C饱和=11.58kPa，φ饱和=14.43°。

3.4 计算结果

折线法和圆弧法计算结果见表1。

4 矸石山稳定性评价

根据对矸石山采用折线法进行稳定性计算的结果表明，矸石山仅1-1’剖面西侧边坡在天然状态下稳定系数为1.144，处于基本稳定状态；饱和状态下稳定系数1.005，处于欠稳定状态，有沿基岩面产生滑移的可能，但按30°坡率削方压脚后其饱和状态下稳定系数为1.811，大于安全系数，可使其西侧边坡整体处于稳定状态。

通过圆弧法进行矸石山边坡局部稳定性的计算结果表明：矸石山北东侧边坡在饱和工况下稳定系数1.209，小于安全系数，处于基本稳定状态；南西侧边坡在天然工况下稳定系数为0.551，小于1.05，处于不稳定状态；西侧边坡在天然工况下稳定系数为1.062，饱和工况下稳定系数为0.919，均小于安全系数，为基本稳定～不稳定状态，有沿矸石山内部产生局部滑移剪出的可能。但三侧边坡按设计30度放坡后其稳定系数为分别为1.343、1.329和1.323，可达稳定状态。

5 防治方案建议

根据稳定性分析及计算结果，矸石山西侧边坡在降雨状态下有发生整体滑移的可能，其余侧边坡不会发生整体滑移，但矸石体内部均存在滑动可能，建议对矸石山北东、南西、西侧分别采取放（削）坡+矮脚墙+排水+坡面绿化+监测的综合治理措施。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.GB50021-2001岩土工程勘察规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]中华人民共和国国家标准.GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3]中华人民共和国国家标准.GB50330-2002建筑边坡工程技术规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2002.

作者简介：

刘彬（1979-），男，陕西兴平人，工程师，主要从事岩土工程勘察、地质调查、矿产资源勘查工作。