釆動破裂N2紅土滲透性試驗研究

王啟慶 ，李文平 ，裴亞兵 ，呂城成

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 核工業(yè)湖州工程勘察院，浙江 湖州 313000）

我國西北地區(qū)屬干旱-半干旱區(qū)，水資源量總體缺乏，生態(tài)環(huán)境脆弱，但地下淺部煤炭資源豐富. 隨著我國東部礦區(qū)煤炭資源的枯竭，我國煤炭資源開發(fā)重點已快速轉(zhuǎn)移到西北生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū). 2013年西北五省區(qū)煤炭產(chǎn)量達(dá)到17.9 × 108t，占全國的48%；未來西北地區(qū)煤炭產(chǎn)量將占全國煤炭總產(chǎn)量的70%以上[1-3]. 西北煤田覆巖土工程地質(zhì)條件類型可分為5類[4]，其中砂-土-基型最為普遍，地層由上到下總體次序為：地表被現(xiàn)代風(fēng)積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，其下分布離石黃土和N2紅土，再下為基巖風(fēng)化層和基巖組，其中，薩拉烏蘇組及基巖組中含有水，基巖組為含煤地層，巖性主要為泥巖、粉砂巖及砂巖等. 地表水及薩拉烏蘇組（Q3s）水等淺表層水是本地區(qū)的重要水源，也是維系沙漠地區(qū)脆弱生態(tài)環(huán)境的主要水源，而該區(qū)普遍發(fā)育的N2紅土是淺表層水體下的直接隔水層. 近年來，隨著西部煤炭資源的大規(guī)模開采，造成對N2紅土隔水層的全部或局部破壞，發(fā)生礦井突水和滲漏，并誘發(fā)砂層潛水位下降，淺表層水資源大范圍破壞、溝谷斷流，造成工農(nóng)業(yè)用水困難，地表干旱、植被枯萎和荒漠化加劇等一系列次生生態(tài)地質(zhì)災(zāi)害[5-12]. 要防控或減輕該類地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)，有必要對N2紅土采動破壞突水進(jìn)行預(yù)報和采取有效的控制措施，而煤層上覆N2紅土采動破壞突水過程內(nèi)在機(jī)理研究，是災(zāi)害預(yù)報和防控的基礎(chǔ).

目前關(guān)于區(qū)域性土的研究成果較多，主要集中在土的形成和分布規(guī)律，工程地質(zhì)性質(zhì)差異，預(yù)測不同區(qū)域可能產(chǎn)生的相關(guān)工程地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害問題[13-19].而針對N2紅土的研究主要集中在紅土的分布、沉積環(huán)境、基本工程地質(zhì)性質(zhì)及主要工程地質(zhì)問題等方面[20-25]. 對N2紅土釆動變形破壞特征，特別是水土相互作用滲透性變化特征的研究還是空白. 本文首先對N2紅土的礦物成分及膨脹性進(jìn)行了分析，并采用自制的水土相互作用突水過程試驗裝置，定量化地研究了釆動破裂N2紅土水土相互作用裂縫閉合規(guī)律、突水水量演化特征等，研究結(jié)果可為西北礦區(qū)淺埋煤層開采松散層潛水水位降幅及井下突水水量預(yù)計等提供基礎(chǔ)依據(jù).

1 N2紅土礦物成分及膨脹性分析

1.1 礦物成分分析

影響?zhàn)ね僚蛎浶缘囊蛩赜性S多，如黏粒含量、黏土礦物類型、有機(jī)質(zhì)含量及交換性陽離子組成等，其中起主要作用的是黏粒含量及其中的黏土礦物類型. 采用D/Max-3B型X射線衍射儀對所取N2紅土樣進(jìn)行黏土礦物成分相對定量分析，相關(guān)的測定結(jié)果見圖1，測試結(jié)果顯示蒙脫石含量為36%，伊利石、蒙脫石形成的混層礦物含量為18%，伊利石、高嶺石和綠泥石含量分別為16%、21%和7%，其他含量為2%.

圖1 N2紅土X射線衍射光譜Fig.1 X-ray Diffraction spectrum of N2 laterite

由X衍射試驗測定結(jié)果可以看出，N2紅土中含有較多的蒙脫石、高嶺石、伊利石，有部分伊蒙混層、綠泥石等黏土礦物，其中蒙脫石含量達(dá)36%，屬于高含量，而蒙脫石對黏土滲透性影響較為明顯，通常蒙脫石的礦物晶體結(jié)構(gòu)決定了其吸水的高膨脹性，蒙脫石遇水膨脹使得黏土孔隙變小，從而可以造成N2紅土滲透性降低.

1.2 膨脹性分析

表征黏土膨脹性的指標(biāo)主要包括有側(cè)限膨脹率、自由膨脹率、膨脹力等. 黏土有側(cè)限膨脹率的大小主要與黏土的密實程度、天然含水率及土的結(jié)構(gòu)連結(jié)有關(guān)系，而自由膨脹率是黏土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹性，說明了黏土膨脹的趨勢. 采用膨脹儀對多組N2紅土樣的有側(cè)限膨脹率和自由膨脹率進(jìn)行測定，測定結(jié)果顯示N2紅土的有側(cè)限膨脹率為16.8%～21.2%，自由膨脹率為70.3%～80.0%. 由測定結(jié)果可以看出N2紅土由于密實度高且含有更多的膨脹性礦物在有側(cè)限條件下膨脹性較好，膨脹的趨勢也較好.

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

試驗用土為陜北神南礦區(qū)紅柳林煤礦鉆孔取出的N2紅土樣（圖2），取樣深度為60～80 m，所取土樣呈紅褐色，N2紅土的塑性指數(shù)IP為12.5～13.2，10 ＜ IP＜ 17， 屬 于 粉 質(zhì) 黏 土 ， 液 性 指 數(shù) IL為0.11～0.20，0 ＜ IL＜ 1/4，處于硬塑狀態(tài)，其具體物理性質(zhì)見表1.

圖2 N2紅土樣照片F(xiàn)ig.2 Samples of N2 laterite

表1 自然條件下N2紅土物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of natural N2 laterite

2.2 試驗裝置

為了研究釆動破裂N2紅土水土相互作用突水演化過程，采用自制試驗裝置，試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示. 裝置以水箱、試驗箱為主體，其中水箱上方通過預(yù)留出水孔保持試驗水頭恒定，水箱與試驗箱間設(shè)置控制閥，試驗箱內(nèi)部設(shè)置裂縫N2紅土，試樣底部與透水鋼板間墊有濾網(wǎng)，裝置底部通過與漏斗連接的量筒測定試驗過程中的突水水量，另外，為保證突水全部進(jìn)入漏斗下的量筒，漏斗直徑略大于裝置底對角線長.

2.3 試驗方法

根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)置試驗工況參數(shù)，以神南礦區(qū)紅柳林礦N2紅土地面采動裂縫現(xiàn)場調(diào)查為原型，裂縫寬度一般為5～15 cm，相鄰裂縫最小間距約為60 cm. 按照幾何相似比αl= lp/lm= 10，其中，lp和lm分別為原型長度和模型長度，根據(jù)前述測試原狀N2紅土物理性質(zhì)，控制試樣含水率為15.8%，密度為1.90 g/cm3，進(jìn)行試樣重塑，在試驗箱內(nèi)分4層擊實，并在各層結(jié)合面刨毛，試樣長為200 mm、寬為200 mm、高為100 mm，對試樣進(jìn)行預(yù)制裂縫，試樣預(yù)制裂縫2條（間距約為6 cm，模擬現(xiàn)場最小間距約為60 cm鄰近裂縫的影響）. 共制成帶裂縫的試樣3組，裂縫寬度分別為5.0、10.0 mm和15.0 mm，試驗水頭為700 mm. 試驗中數(shù)據(jù)采集間隔為1 min，同時采用相機(jī)記錄裂縫變化過程圖像.

圖3 試驗裝置Fig.3 Experimental equipment

3 試驗結(jié)果分析

3.1 裂縫閉合規(guī)律

試驗中對不同裂縫寬度N2紅土水土相互作用裂縫變化進(jìn)行了監(jiān)測，圖4、5為裂縫隨時間變化過程，由圖可知，裂縫的變化主要包括3個方面：

（1） 松散顆粒堆積. N2紅土及裂縫表面松散土顆粒被水流沖刷帶入裂縫內(nèi)，并隨時間緩慢堆積；該過程在試驗最初階段十分明顯.

（2） 裂縫邊緣潰塌. 裂縫邊緣土體結(jié)構(gòu)較松散甚至存在細(xì)小裂隙，在與水的接觸相互作用下逐漸潰塌至裂縫內(nèi)，該過程主要出現(xiàn)在試驗前期.

（3） N2紅土遇水膨脹. 由前述可知N2紅土具有較強(qiáng)膨脹性，與水發(fā)生相互作用產(chǎn)生膨脹，致使裂縫寬度逐漸減小，試驗后期更為明顯.

圖4 N2紅土裂縫隨突水歷時變化過程Fig.4 Change process of N2 laterite fracture with water inrush

圖5 裂縫寬度隨時間變化曲線Fig.5 Relationship between crack width and time

另外，由圖5可知：裂隙寬度10.0 mm組的土樣在突水過程持續(xù)100 min后裂隙寬度減小至約3.2 mm，減小約68%；試驗前15 min內(nèi)裂隙寬度的減小量約占總減小量的60%，主要原因是試驗初期松散顆粒堆積、裂縫邊緣潰塌等較為劇烈；試驗75 min后基本趨于穩(wěn)定.

3.2 突水水量變化規(guī)律

試驗中分別對裂縫寬度為5.0、10.0、15.0 mm的N2紅土試驗?zāi)Ｐ退料嗷プ饔猛凰窟M(jìn)行了監(jiān)測，圖6為模型試驗過程中突水量隨時間變化曲線.由圖可知，釆動破裂不同寬度裂縫的N2紅土發(fā)生水土相互作用突水量均隨時間逐漸變小，突水量的變化可分為3個階段：

（1） 初期為水量快速下降階段. 這一階段突水量的降幅較大，主要原因為初期松散顆粒堆積、裂縫邊緣潰塌嚴(yán)重，且土體膨脹迅速、膨脹量大，裂縫閉合速度快.

（2） 中期為水量緩慢下降階段. 這一階段突水量的降幅較小，主要原因為中期N2紅土裂縫的結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，裂縫內(nèi)堆積土顆粒也基本不再增加，N2紅土繼續(xù)與水相互作用產(chǎn)生膨脹，但膨脹速率明顯減小，裂縫緩慢閉合.

（3） 后期為水量穩(wěn)定階段. 這一階段突水量基本保持不變，說明釆動裂縫N2紅土水土相互作用使土體基本達(dá)到最大膨脹量，裂縫閉合基本穩(wěn)定.

圖6 突水量與時間的關(guān)系Fig.6 Relationship between water inrush volume and time

另外，由圖6可知，裂縫寬度越大，突水量變化的前兩個階段持續(xù)時間越長，即突水穩(wěn)定時間越長.此外，裂縫寬度大的突水量穩(wěn)定階段時水量仍較大，說明N2紅土釆動裂縫寬度越大，后期恢復(fù)越困難.

根據(jù)試驗過程中裂縫型N2紅土水土相互作用的突水量數(shù)據(jù)，采用等效滲透系數(shù)，計算3個模型滲透系數(shù)，繪制不同裂縫寬度的N2紅土水土相互作用滲透系數(shù)變化曲線（圖7）. 由圖可知，3種裂縫寬度的N2紅土滲透系數(shù)K隨時間t均逐漸減小，采用指數(shù)衰減函數(shù)： K =A1e-t/b1+A2e-t/b2+K0的形式進(jìn)行擬合（圖 7），式中：A1、A2、b1、b2及 K0為待定系數(shù).擬合結(jié)果顯示相關(guān)系數(shù)R2均大于0.96，說明釆動裂縫N2紅土水土相互作用滲透系數(shù)與時間呈很好的負(fù)指數(shù)關(guān)系.

圖7 不同裂縫寬度N2紅土試樣滲透系數(shù)與時間的關(guān)系Fig.7 Relationship between permeability and time of N2 laterite samples with different cracks

4 結(jié) 論

（1） N2紅土中含有較多的蒙脫石、高嶺石、伊利石，有部分伊蒙混層、綠泥石等黏土礦物，其中蒙脫石含量為36%，屬高含量，N2紅土具有較強(qiáng)的膨脹性.

（2） 釆動破裂N2紅土水土相互作用裂縫的變化主要包括3個方面：松散顆粒堆積，試驗最初階段十分明顯；裂縫邊緣潰塌，主要出現(xiàn)在試驗前期；N2紅土遇水膨脹，試驗后期更為明顯.

（3） 釆動破裂N2紅土發(fā)生水土相互作用突水量隨時間逐漸變小，突水量的變化可分為3個階段，即初期水量快速下降階段、中期水量緩慢下降階段和后期水量穩(wěn)定階段. 裂縫寬度越大，突水穩(wěn)定時間越長.

（4） 指數(shù)衰減函數(shù)K能夠較好地擬合不同釆動破裂寬度N2紅土水土相互作用滲透系數(shù)變化曲線.