同舟煤業(yè)排土場裂縫研究

苗永旗

(大同煤礦集團 忻州同舟煤業(yè)有限公司,山西 忻州 034000)

煤炭是我國能源結(jié)構(gòu)體系中重要組成部分,露天煤礦產(chǎn)能占總產(chǎn)能的10%左右,且產(chǎn)能呈逐年上升趨勢[1]。露天煤礦邊坡穩(wěn)定性是影響煤礦安全高效的重要因素之一。一直以來,對于露天煤礦大多關(guān)注其邊坡災(zāi)害工作,相關(guān)技術(shù)人員也致力于邊坡滑坡、坍塌、失穩(wěn)等影響因素的分析和評價[2-4]。然而,不同的露天煤礦,排土場基底、最終排棄標(biāo)高、最終邊坡角、臺階高度、排棄物組成等不盡相同,邊坡穩(wěn)定性情況仍需具體情況具體分析。

同舟露天煤礦排土場各排土平盤在坡頂線位置及距坡頂線及10 m范圍內(nèi)產(chǎn)生多條裂隙,排土場邊坡穩(wěn)定性存在安全隱患[1-3],極易形成滑坡事故。基于此,本文以同舟露天煤礦排土場邊坡為研究對象,對排土場邊坡坡穩(wěn)定性分析、評價,為煤礦安全生產(chǎn)工作提供理論參考。

1 排土場概況

同舟露天煤礦位于晉西北黃河?xùn)|側(cè),地形東高西低,煤巖傾角3°～8°,直接底下部22 m～35.5 m頁巖、粉砂巖互層巖石,基本底為奧陶系上馬家溝灰?guī)r,厚度達300 m。礦田范圍無長年地表水體,在排土場底部也無承壓水用處,地表多由黃土覆蓋,屬典型黃土高原地貌。氣候干燥,其生產(chǎn)過程中形成建礦期間的外排土場和生產(chǎn)后在采剝幫內(nèi)側(cè)的內(nèi)排土場。

外排土場占地面積18.9 m2×104 m2,回填土方量2.98 m3×106 m3,基底最低點為+971 m,最高平盤高度+1 032 m,臺階坡頂線長854 m,回填呈V字形。基底為黑色頁巖,兩幫為第三紀(jì)紅土和第四紀(jì)黃土,北側(cè)為原黃石崖溝,排土臺階上修有運輸?shù)缆贰?/p>

內(nèi)排土場是占地面積1.90 m2×106 m2,回填土方量1.4 m3×108 m3,基底最低點為+941 m,最高平盤高度+1 059 m,最長臺階坡頂線長3 960 m,回填呈“□”字形。基底為頁巖,東、南兩側(cè)為4～6個排土臺階,北側(cè)為逐漸壓茬的傾斜非工作幫。內(nèi)外排土場基本參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)外排土場基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of inside and outside waste dumps

內(nèi)、外排土場排棄物為煤層上覆巖層混合物,其中,第四系粉砂質(zhì)黃土占40%,第三系紅色亞粘土占40%,煤層頂板頁巖、煤矸石和局部地段出現(xiàn)的粗砂巖占20%。采用SZ-30-2A型大三軸試驗系統(tǒng)測試混合物參數(shù)如表2所示。

表2 巖與土混合抗剪強度參數(shù)Table 2 Mixed shear strength parameters of rock and dirt

2 裂縫成因分析

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示排土場臺階裂縫寬度范圍10 mm～100 mm,2018年雨季后,排土場坡面呈現(xiàn)眾多裂縫,裂縫最大寬度達150 mm,裂縫兩500 mm。201邊高低錯位最大200 mm。裂縫距坡頂線位置最遠位置為15 m。距坡頂線不同距離裂縫數(shù)量如圖1所示。

圖1 距坡頂線不同距離裂縫數(shù)量Fig.1 Crack numbers at different distance from bench edge

結(jié)合已有研究[5],根據(jù)同舟煤礦實際情況,分析排土場產(chǎn)生裂縫原因如下。

1)排土場基底。外排土場基底利用原有的自然溝作為外排土場,溝谷底部坡度3°～5°,兩邊山坡坡度為40°～60°,從幾何形狀判斷不存在滑動可能。其基底多為礫類土、砂巖等組成,其中礫類土厚度不等,粒徑級配不均、成分復(fù)雜、承載力一般、具有滲透性,不可作為構(gòu)筑物基礎(chǔ)的持力層,砂巖厚度穩(wěn)定,承載力較高,可做為排土場的持力層和下臥層,具弱滲透性,但受山體形狀束縛,不存在因載荷增加而滑動。

內(nèi)排土場基底為13號煤層底板,巖層傾角3°～8°,巖性多為炭質(zhì)泥巖,強度較高,但其泥質(zhì)巖類遇水易膨脹、崩解、強度降低,如無大量水源灌入,混合排棄物與基地巖層之間的摩擦力足以克服其產(chǎn)生的下滑力,不存在滑動可能。

2)混合排棄物下沉過程中的不均勻性。排棄物料為砂土、粘土層與亞粘土、泥巖、炭質(zhì)泥巖及砂巖等混合物,松散且粘聚力較小,排棄后下沉過程不均勻,易產(chǎn)生張裂隙。

3)集中大量降雨。同舟煤業(yè)排土場內(nèi)排土場最下部一個平盤集中排棄矸石,第二臺階排棄紅土,上部臺階和各成型臺階坡面全部排棄黃土。夏天雨季連續(xù)降雨量達200 mm～300 mm,排土臺階坡面巖土接受大氣降水,自身比重急劇增加,自重應(yīng)力加大,本身巖體內(nèi)部粘聚力由于含水量增加而減少,同時混合巖體內(nèi)摩擦角減小,表層1 m范圍內(nèi)混合黃土直接蠕變開裂。

4)冬季氣溫下降巖體體積收縮后開裂。冬季混合排棄物隨氣溫下降而下降,熱脹冷縮作用下混合排棄物體積收縮,在排土場平盤任意位置均會產(chǎn)生張裂隙,裂縫寬度10 mm內(nèi),深度小于1 m。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)裂隙成因分析可知,裂縫產(chǎn)生后弱結(jié)構(gòu)面已產(chǎn)生,極易從裂縫處產(chǎn)生滑坡。而排土場滑坡多以圓弧畫面為主,現(xiàn)多采用Bishop-Morgenstern-Price模型[6]進行邊坡穩(wěn)定性分析,計算結(jié)果如表3所示。

表3 排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果表Table 3 Slope stability calculation in waste dump

《煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范》(GB50197-2015)規(guī)定,外排土場邊坡服務(wù)年限大于20 a的穩(wěn)定系數(shù)為1.2～1.5;內(nèi)排土場邊坡服務(wù)年限大于10 a的穩(wěn)定系數(shù)為1.2,小于10 a的穩(wěn)定系數(shù)為1.3。

分析可知,上述裂縫不影響排土邊坡的穩(wěn)定性,但需采取安全措施預(yù)防邊坡地質(zhì)災(zāi)害。

4 邊坡安全管理

根據(jù)已有排土場邊坡災(zāi)害治理技術(shù),排土場邊坡管理需重點做如下工作。

1)排土前,查清排土場基底巖石性質(zhì),地質(zhì)構(gòu)造,清除松軟容易滑動等不利于穩(wěn)定的軟弱巖土。

2)排棄時,優(yōu)先排棄大塊、堅硬、見水不易泥化的巖石,保持過水通道暢通;完善排土場周邊防排水體系,加強地面防水疏排水工作,防止地面水流灌入排土場底部,影響內(nèi)排基底的穩(wěn)固性;排土場每個排土平盤內(nèi)側(cè)修筑排水溝渠,做好防滲漏工作,增加巖土自身重量和降低巖土力學(xué)強度,提高穩(wěn)定性;排土平盤修筑3°～5°反坡;出現(xiàn)裂縫及時平整,以防雨水從裂縫灌入;加強邊坡監(jiān)測監(jiān)控,出現(xiàn)滑坡征兆時,及時采取措施;做好復(fù)墾工作,發(fā)揮植被導(dǎo)水性和根系固定性;建立健全變坡災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。

5 結(jié)論

1)同舟煤業(yè)排土場邊坡產(chǎn)生大量裂隙是由于混合排棄物下沉過程不均勻產(chǎn)生,屬于張裂隙;雨季混合巖體內(nèi)摩擦角減小,表層1 m范圍內(nèi)混合黃土直接蠕變開裂;冬季混合排棄物隨氣溫下降而下降,在排土場平盤任意位置均會產(chǎn)生張裂隙,裂縫寬度在10 mm之內(nèi),深度小于1 m,安全管理需采取措施。

2)采用Bishop-Morgenstern-Price模型進行邊坡穩(wěn)定性分析,得出排土場內(nèi)外邊坡穩(wěn)定性滿足安全生產(chǎn)要求。

3)通過長期觀測、裂隙成因分析、邊坡穩(wěn)定性分析,內(nèi)外排土場邊坡不存在大面積滑移風(fēng)險。

4)排土場邊坡日常管理重點工作為查清排土場基底、保持過水通道暢通、完善排土場周邊防排水體系,加強地面防水疏排水工作發(fā)揮植被導(dǎo)水性和根系固定性的功效;建立健全變坡災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。