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煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物,是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。煤矸石若弃置不用而大量堆积便会形成矸石山,矸石山在雨季容易发生滑坡甚至泥石流,不仅威胁附近居民的生命安全,还会对道路、房屋安全等造成破坏,甚至会阻塞河流造成灾难性后果。因此对矸石山边坡的形成机制和稳定性分析具有重要的现实意义。 磨心坡煤矿始建于1958年,现属重庆天府矿业有限责任公司。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,形成的矸石山填方边坡坡角约15~60°,边坡高度20~55m。矸石山边坡下方分布有煤矿工业广场、襄渝铁路、居民区等重要建筑和工程,在暴雨作用下,该矸石体曾经发生过垮塌,击毁了房舍,掩埋了农田,造成了人员和财产损失。 本文在收集前人研究资料和现场勘察的基础上,分析了矸石山边坡的工程地质条件,对边坡的分区特征进行了调研,分析了边坡的稳定性影响因素、确定了边坡的失稳破坏模式,采用极限平衡方法和二维有限元方法对边坡进行了稳定性计算和数值模拟验算,进而提出了针对边坡的合理的可行的防治措施。取得了以下研究成果: (1)对边坡区的工程地质条件进行了分析,根据边坡的基本特征将边坡分为四个区分别调研。Ⅰ区(北东侧边坡),坡向55~70°,坡角约25~46°,坡高约30~42m,坡长约230m。坡脚下有民房、耕地和煤矿工业广场;边坡土体在暴雨后曾发生过局部垮塌,掩埋了农田,造成了人员受伤。Ⅱ(南东侧边坡),坡向115~130°,坡角约32~35°,坡高约20~22m,坡长约155m,坡脚无保护对象,危害性小。Ⅲ区(南西侧边坡),坡向205~220°,坡角约50~60°,坡高约18~35m,坡长约195m,坡脚外侧有耕地,边坡土体曾经发生局部垮塌。Ⅳ区(西侧边坡),坡向270~285°,坡角约35~55°,坡高约20~55m,坡长约215m,坡脚为矸砖厂和襄渝铁路。 (2)分析了边坡的稳定性影响因素,主要包括边坡土体类型和性质、边坡形态、地下水的作用、气候条件、地形地貌、人类工程活动。阐述了边坡的变形破坏模式,该矸石山边坡变形破坏模式属于滑坡破坏型的圆弧滑动式,是土体内部剪切—滑移式破坏。矸石山Ⅰ区(北东侧边坡)、Ⅱ区(南东侧边坡)、Ⅲ区(南西侧边坡)和Ⅳ区(西侧边坡)由于坡角较陡,在暴雨工况下边坡土体有沿内部产生圆弧型滑动的可能。 (3)运用极限平衡方法对矸石山边坡的稳定性进行了分析计算,结果表明矸石山边坡整体稳定。Ⅰ区(北东侧边坡)、Ⅲ区(南西侧边坡)和Ⅳ区(西侧边坡)在暴雨工况下均存在内部滑移剪出的可能。 (4)运用基于GEO-SLOPE的数值模拟软件对该矸石山边坡进行了暴雨工况下的渗流场—应力场耦合数值模拟,结果表明,Ⅰ区(北东侧边坡)、Ⅲ区(南西侧边坡)和Ⅳ区(西侧边坡)坡脚处剪应力、剪应变一般较集中,塑性变形区一般分布于坡脚及其附近区域。 (5)依据极限平衡法与边坡渗流场—应力场耦合数值模拟计算结果,比选两种治理方案的合理性后,最终确定了该边坡的综合防治方案。即Ⅰ区(北东侧边坡)采用坡面分级放坡+坡脚修建脚墙+坡面设置排水沟的综合治理措施;Ⅲ区(南西侧边坡)和Ⅳ区(西侧边坡)采用坡面分级放坡+坡面设置排水沟的综合治理措施;Ⅱ区(南东侧边坡)由于无重要保护对象,可不进行专门治理。