赵芳芳ZHAO Fang-fang；盖迪GAI Di

（①辽宁省交通高等专科学校建筑工程系，沈阳 110122；②东北大学资源与土木工程学院，沈阳 110819）

（①Department of Architectural Engineering，Liaoning Provincial College of Communications，Shenyang 110122，China；②College of Resources and Civil Engineering，Northeast University，Shenyang 110819，China）

0 引言

矸石山不是土岩构成的一般的山，在煤炭开采加工过程中，由于会产生大量的煤矸石，而且大龄煤炭企业并没有合理的处理煤矸石，煤矸石在长时间的堆积挤压之下而逐渐形成矸石山。矸石山在形成过程中有着多种复杂多变的形式，不同的倾倒方式对矸石山内部物质颗粒的大小有着很关键的影响作用。

针对这一问题，在国外，Leibiger，Matschak（1969），Latif（1993），Prein（1994）等学者对煤矸石进行了大量的研究工作，研究分析说明在煤矸石的倾倒的过程中会产生一种“质量流（Mass Flow）”的作用。

而在国内针对矸石山非均匀性的研究主要集中在形成之后对浅层煤矸石的研究，如胡振琪（1995）段永红等（1999）董倩（2006）[1-5]，但对其整体结构非均匀性还不明确，本文通过对矸石山的倾倒及堆积过程中，煤矸石在倾倒坡面上存在的力学特征入手，研究其对矸石山非均匀性形成的影响，为进一步深入对矸石山的非均匀性研究做些专业知识铺垫。

1 煤炭开采加工企业的矸石山堆积及其倾倒方式

大部分国内的煤炭企业采用平地起堆式，沟谷填充式及靠山堆积等矸石山堆积方式，煤炭开采地区一般平原较广，矸石山堆积，平地起堆式居多，本文主要针对平地起堆式矸石山展开研究。

2 煤矸石的粒径组成及级配特征

煤矸石粒径大小的影响因素很多，总体说来，生产加工工艺、开采技术、煤层密度等是主要影响因素。这就会导致粒径大小呈现一定程度的波动范围，从岩土工程的角度来分析，一般按照一定粒径变化范围内工程性质相似这的原则，可以将矸石按其粒径划分为粗粒矸石、中粒矸石和细粒矸石，而各粒组的相对含量，即矸石颗粒级配可采用级配曲线及其特征粒径和级配参数来表征。

3 煤矸石在坡面上的运动特点及影响因素

根据崩塌-落石相关理论，煤矸石倾倒后在倾倒坡面上的运动模式可分为两种，即：①滚动-滑动模式；②弹跳运动模式。

3.1 滚动-滑动运动模式 在此运动模式下，设g 为重力加速度，[L/T2]；μ 为运动摩擦系数；则煤矸石沿倾倒坡面运动的加速度a[L/T2]为：

对于任意时刻t，由滚动或滑动产生的位移s 和煤矸石的运动速度v 分别为：

式中v0为初始速度，[L/T]。

由以上可知，煤矸石的运动位移与它的初始速度成正比。

3.2 弹跳运动模式 在弹跳模式下，设煤矸石的初始速度（即煤矸石自翻矸架倾倒时的瞬时速度）在水平和垂直方向的速度分量为vx,0、vy,0，[L]；翻矸架相对于地表的高度为H，相对于矸石山倾倒坡面的高度为h，[L]；则在任意时刻t 时煤矸石在倾倒坡面上的位置或运动轨迹可由下式确定：

设煤矸石在接触倾倒坡面前的瞬时速度分量为v′x、，[L/T]，则有：

由于倾倒坡面上法向、切向恢复系数Rn、Rt所起到的减速作用，煤矸石在触碰坡面后再次弹跳的初始速度分量为：

这里定义法向、切向恢复系数Rn、Rt分别为：

表征煤矸石在倾倒坡面上运动的计算公式（1）～（6）来源于经典的刚体运动公式。在计算法向阻尼系数Rn时引入修正因子Rfactor（0≤Rfactor≤1）来体现质量对Rn的影响，Rfactor计算公式如下：

式中Mrock为落石质量，[M]；M0.5为当Rfactor=0.5 时落石的质量，[M]。

具体应用时，若在一定质量范围内给定Mrock，则可以通过（8）式计算出Rfactor。

以上可知，煤矸石在坡面上的运动位移受其运动速度影响，而碰撞造成煤矸石能量损失，速度减小，从而运动位移减小，同时位移又与煤矸石质量成正比。

3.3 煤矸石在坡面上运动的影响因素 由于不同的位置因素，在煤炭企业实际堆放煤矸石时会出现不同的处理模式。煤矸石在矸石山的坡面上会发生运动，而且其运动的快慢及其运行状况主要受煤矸石自身体积大小的影响。体积大的煤矸石在向下滑落运动时会产生很大的重力势能，运动到末端的速度也比较快，在向下运动过程中与其摩擦阻碍物相互碰撞，这就会导致体积较大的煤矸石撞碎；而体积较小的煤矸石其在向下运动过程中产生的重力势能较小，其运动末端的速度较慢，也滑落过程中也不易撞碎。坡面的坡度大小也是煤矸石运动的重要影响因素，坡度较大的矸石山上，煤矸石向下运动的速度也较快，反之亦然。煤矸石本身平滑度也是影响其运动的重要因素，越平滑的自然在滑落工程中速度较快。

4 结论

从以上分析可知，当密度相同时，煤矸石在坡面上的运动位移与矸石山高度、初始速度、粒径、球度和磨圆度成正比；在矸石山坡面上，随矸石山高度的减小，煤矸石粒径大小基本是递增趋势，而且球度和磨圆度大的落在坡面高度较低的位置。这与在矸石山表面观察得到的结论是相同的。同样，在矸石山的内部即在矸石山堆积的初期也存在这种规律，只是随堆积高度的增加这种现象越明显。这是造成矸石山整体结构非均匀性的主要因素。

总的来说，在煤炭企业开采加工中会产生大量的煤矸石，对煤矸石不同的处理模式将会形成不同的矸石山，矸石山的固体物质成分、颗粒大小与煤矸石在矸石山上的运动速度有很大关系，同时，煤矸石的坚硬程度、坡面物质的疏松都会影响煤矸石的运动，希望本文的研究结果对于矸石山进一步研究具有一定的参考价值。

[1]胡振琪.露天煤矿土地复垦研究[M].北京:煤炭工业出版社,1995.

[2]段永红,白中科,赵景逵.阳泉煤矸石山浅层煤矸石风化物水分特征初探[J].煤炭学报,1999,24（5）:533-537.

[3]段永红,庞亨辉,王景华.阳泉煤矸石山矸石风化物剖面水分变化特征初探[J].山西农业大学学报,2001,21（2）:125-127.

[4]许丽.阜新矿区煤矸石山生境演变特征及其评价研究[D].北京林业大学,2006：5.

[5]董倩.重庆地区矸石山堆积形态及稳定性分析[D].重庆大学博士学位论文，2006：10.

[6]粟俊江.南桐煤矿歼石山的稳定性分析及防治措施研究[D].重庆大学硕士学位论文，2008.