滲流作用下含斷層邊坡穩(wěn)定性模擬分析

郭夏飛，張 彬，李 偉，王志鵬，李正勝

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學(xué)研究總院），北京100013；4.應(yīng)急管理部信息研究院，北京100029）

我國是資源需求大國，露天煤礦在我國分布廣泛，進入21 世紀以后，我國露天煤礦產(chǎn)量已居世界第二。邊坡穩(wěn)定問題一直是我國露天礦工程中的重要研究問題。露天礦邊坡顯著特點之一就是對地質(zhì)條件無可選擇，造成一些邊坡由于受斷層、地下水、軟巖等因素的影響而使得其變形破壞機制及穩(wěn)定性問題變得極為復(fù)雜[1-3]。我國草原地區(qū)大型露天煤礦10 余座，普遍受地下水豐富、多斷層構(gòu)造、軟巖等共性難題困擾，嚴重影響了礦區(qū)的安全生產(chǎn)。

和大釗等[4]研究了斷層的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)對邊坡破壞模式和穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明斷層的幾何參數(shù)對邊坡的影響程度大于力學(xué)參數(shù)。侯林[5]采用數(shù)值模擬的方法，研究了斷層對露天礦邊坡變形破壞、穩(wěn)定性的影響，揭示邊坡變形破壞機理。陳鳳陽等[6]對比分析了不同斷層傾角條件下順傾層狀邊坡滑移破壞模式及穩(wěn)定性，揭示了順傾斷層傾角對露天礦順傾層狀邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。王東等[7]研究了斷層處于不同位置時順傾層狀邊坡的滑移破壞模式及穩(wěn)定性變化規(guī)律。常來山等[8]對弓長嶺露天礦獨木采區(qū)北幫含斷層邊坡進行了可靠性分析，探討了順傾斷層的影響及邊坡的破壞風(fēng)險。梁冰[9-10]等對邊坡在流固耦合作用下的穩(wěn)定性進行了研究。

已有的研究較多的集中在僅考慮斷層因素與邊坡穩(wěn)定的關(guān)系，在實際工程中情況往往更加復(fù)雜。地下水也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。一般情況下，水對邊坡巖體物理力學(xué)性質(zhì)起到弱化效果，特別是對斷層地質(zhì)構(gòu)造影響下破碎巖體的弱化效果更為明顯。掌握地下水對含斷層邊坡的影響機理，將直接影響邊坡參數(shù)的設(shè)計和疏干排水方案的制定，同時對于實現(xiàn)煤炭資源的最大化回收和水資源的保護利用，具有極其重要的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。因此，露天礦邊坡在地下水、斷層等因素耦合作用下的滑坡變形、滲流特性及工程控制等問題的深入研究，具有極其重要的現(xiàn)實意義。

以伊敏露天礦三采區(qū)端幫邊坡為研究對象，通過對邊坡工程地質(zhì)條件分析，利用相似材料模擬和數(shù)值模擬的方法，研究地下水與走向正斷層耦合作用下邊坡穩(wěn)定性，用以指導(dǎo)礦山邊坡設(shè)計及治理，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，同時為類似礦山提供借鑒。

1 工程地質(zhì)狀況

華能伊敏露天礦主要開采15 號、16 號煤層，煤炭年產(chǎn)量達2 000 萬t/a。隨著露天礦采礦推進，礦山目前正處在由二采區(qū)向三采區(qū)有序過渡階段，屆時在三采區(qū)西北向形成的端幫位于斷層構(gòu)造發(fā)育帶，發(fā)育的主要斷層有F1、F3、F53 條正斷層，斷層走向基本和邊坡走向一致，傾向相對邊坡反傾。

根據(jù)研究區(qū)域斷層參數(shù)及相對邊坡的位置，影響邊坡的主要為F1斷層，斷層附近巖石破壞嚴重，力學(xué)強度降低，尤其處于邊坡抗滑段，對邊坡的穩(wěn)定不利。F1斷層特征：傾向NW，傾角50°～69°，落差10～152 m。主要可采煤層15 號、16 號煤層的直接充水含水層的單位涌水量為2.39 mL/min，含水層補給條件不好。

2 模型試驗方案

2.1 試驗?zāi)Ｐ秃湍Ｐ驮O(shè)計具體要求

本次相似模擬試驗為伊敏礦標(biāo)高200～680 m 水平之間區(qū)域，斷層簡化為1 條正斷層，傾角53°，斷層右側(cè)地層水平，左側(cè)地層傾角7°。15 號煤厚度為44 m，16 號煤厚度72 m，煤層間為73 m 砂礫巖和154 m 砂泥互層。

根據(jù)相似定理確定相似比為1/500，相似材料模擬實驗擬試驗臺尺寸為：長×寬×高＝2 000 mm×300 mm×1 600 mm。在相似模擬邊坡試驗中骨料選用直徑為0.12～0.21 mm 的純凈砂，膠結(jié)材料選用水泥和熟石膏。邊坡模型模擬類巖石斜坡，相似材料由砂子，水泥，石膏，水按照配比制作，加工完成后室溫下風(fēng)干2～3 d，使其達到試驗需要的強度，巖層主要力學(xué)性能參數(shù)及分層厚度見表1。在試驗中選取云母粉作為制作弱面材料，在制作模型時，在需要制作弱面處均勻撒上云母粉。位移監(jiān)測采用三維位移動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 開挖方案

剝離開采設(shè)計如圖1。

圖1 剝離開采設(shè)計圖Fig.1 Stripping design

模型開挖前先進行原始底層地下水滲流模擬。模型中煤層的開采根據(jù)現(xiàn)場工作面開采進度進行模擬開采。由地面呈斜坡狀揭露煤層，共計剝離5 次，逐層剝離、從上到下，每次實際剝離15 m，折算剝離高度為4.2 cm，煤層剝離時間間隔0.5 h。圖1 點175 為應(yīng)力監(jiān)測點。

3 試驗過程與分析

3.1 開挖過程模擬

模型開挖各階段如圖2。

圖2 各階段開挖模擬圖Fig.2 Excavation simulation diagram of each stage

初始階段，斷層破碎帶充填物為疏松礫石，為防止斷層導(dǎo)水時向兩側(cè)逸散，采用發(fā)泡膠對斷層兩側(cè)進行封堵。地下水沿透水砂礫層滲流至斷層區(qū)域，在斷層區(qū)域向采空區(qū)一側(cè)形成滲流補給，其在采空區(qū)滲流路徑分為2 個方向：一是在重力作用下向下滲透；二是沿水平方向擴散。滲流路徑在斷層帶導(dǎo)水作用下形成向下部巖層的補給。

剝離第1 階段向下至16 煤層底板呈斜坡狀開挖。模型開挖后，斷層上盤砂礫層含水層地下水導(dǎo)通，向下盤巖層滲流，滲流方向與初始階段滲流方向一致。在采空區(qū)16 號煤底板下部形成滲流影響區(qū)域，部分地下水滲透至16 號煤內(nèi)部，由于滲流過程的水頭損失，第1 階段剝離結(jié)束后斷層露頭處未形成滲水；剝離第2 階段斷層露頭處仍未出現(xiàn)涌水；剝離第3 階段斷層露頭出現(xiàn)涌水，斷層充填物為礫石，涌水量為64.35 mL/min；剝離第4 階段16 號煤底幫出現(xiàn)大面積滲水區(qū)域，上盤砂礫含水層局部被揭露，含水層涌水量為116.19 mL/min；剝離第5 階段地下水穩(wěn)定滲流，上盤砂礫含水層全部被揭露，含水層揭露處涌水量為203.37 mL/min。

3.2 位移變化過程

監(jiān)測點175 處在相似試驗各階段位移變化及斷層涌水量變化如圖3。

圖3 監(jiān)測點位移與斷層涌水量圖Fig.3 Displacement of monitoring point and water inflow from fault

監(jiān)測點處在第1 次開挖后水平和豎直方向位移迅速增加至大于0.7 mm；第2 次和第3 次開挖后2個方向位移都有緩慢增加, 前2 次開挖斷層沒有水涌出;第3 次開挖后斷層出現(xiàn)涌水，涌水量為64.35 mL/min; 第4 次和第5 次開挖位移增加速度較前2次有所增加，水平和數(shù)值方向位移最大值分別為0.935 mm 和1.135 mm。斷層涌水量不斷增加，至第5 次開挖結(jié)束涌水量達到最大值203.37 mL/min。

由于開挖卸荷導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生水平和豎直方向的位移。開挖前期，斷層未出現(xiàn)涌水，邊坡變形增加較為緩慢；從第3 階段開始斷層出現(xiàn)涌水，且涌水量逐步增加，斷層應(yīng)力增加，邊坡變形速度也隨之增加，邊坡穩(wěn)定性下降。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

采用FLAC3D對邊坡進行模擬，分析斷層對邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡受斷層影響水平位移模擬結(jié)果如圖4。邊坡受斷層影響垂直位移模擬結(jié)果如圖5。邊坡受斷層影響剪應(yīng)力變化規(guī)律模擬結(jié)果如圖6。

圖4 斷層影響邊坡水平方向位移變化規(guī)律模擬圖Fig.4 Simulation map of horizontal displacement variation law of slope affected by faults

圖5 斷層影響邊坡垂直方向位移變化規(guī)律模擬圖Fig.5 Simulation map of vertical displacement variation law of slope affected by faults

由圖4 可知，第1 次開挖后，斷層交于坡體中部，斷層上盤坡體內(nèi)部產(chǎn)生較大變形，坡體斷層附近也產(chǎn)生較大變形；第2 次開挖后，斷層相對于坡面位置下移，上盤坡體內(nèi)部位移區(qū)域有所增加，坡體斷層處變形有所減?。坏?、第4、第5 次開挖，斷層相對坡體位置逐漸下移，斷層上盤坡體內(nèi)部變形區(qū)域變化不大，斷層處變形逐漸減小；至第5 次開挖，斷層處僅產(chǎn)生微小變形。

由圖5 可知，開挖后坡體表面產(chǎn)生較大變形，深部變形較小，變形呈圓弧狀向坡體內(nèi)部遞減。斷層上盤變形區(qū)域大于下盤。隨著開挖的進行，斷層相對位置下移，對邊坡垂直方向變形影響趨于減小。

由圖6 可知，第1 次開挖后坡體深部斷層處剪應(yīng)力較大，逐次開挖后斷層相對坡體位置下移，剪應(yīng)力區(qū)域及大小逐漸減小，邊坡穩(wěn)定性受斷層影響逐漸減小。

從數(shù)值模擬結(jié)果看出，第1 次開挖后斷層位于坡體中部，此時坡體斷層處變形最大，剪應(yīng)力值及分布區(qū)域最大，斷層對邊坡穩(wěn)定性影響最明顯；隨著開挖進行坡體向前推進，斷層相對坡體位置逐漸向下移動，斷層附近變形逐漸減小，剪應(yīng)力值及其分布區(qū)域減小。

無滲流作用下，斷層在坡體中的相對位置對邊坡穩(wěn)定性影響變化顯著。斷層位于坡體中部時，邊坡變形及其剪應(yīng)力較大，此時對邊坡穩(wěn)定性影響最大。隨開挖推進坡體逐漸前移，斷層附近變形及應(yīng)力值逐漸減小，斷層對邊坡影響逐漸減小。

相似模擬邊坡失穩(wěn)圖如圖7。

圖7 相似模擬邊坡失穩(wěn)圖Fig.7 Similar simulated slope instability map

相似模擬試驗結(jié)果顯示邊坡沿弱層出現(xiàn)滑移失穩(wěn)。經(jīng)數(shù)值模擬計算分析結(jié)果對比相似模擬試驗看出，該邊坡穩(wěn)定性主要受斷層和滲流影響。開挖前期，斷層處于坡體中部，斷層中未出現(xiàn)涌水，斷層附近剪應(yīng)力和變形較大，斷層為影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。開挖后期，斷層相對坡體位置下移，斷層對邊坡穩(wěn)定性影響趨于減小。在滲流作用下，地下水帶走松散巖層、斷層破碎帶和其他軟弱巖層結(jié)構(gòu)面中的細小顆粒。同時水的作用使斷層中的充填物軟化，斷層上盤應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，軟弱夾層強度進一步降低。開挖后期，斷層對邊坡穩(wěn)定性影響減小，滲流作用對邊坡穩(wěn)定性增強，在第5 次開挖后邊坡在斷層和滲流耦合作用下沿弱層滑移失穩(wěn)。

5 結(jié) 語

1）無滲流作用下，斷層在坡體中的相對位置對邊坡穩(wěn)定性影響變化顯著。斷層位于坡體中部時，邊坡變形及其剪應(yīng)力較大，此時斷層對邊坡穩(wěn)定性影響最大。隨開挖推進坡體逐漸前移，斷層附近變形及應(yīng)力值逐漸減小，斷層對邊坡影響逐漸減小。

2）開挖不同階段邊坡穩(wěn)定性主要影響因素不同。開挖前期影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素為斷層，開挖后期影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素為滲流作用。邊坡第5 次開挖后在斷層和滲流的耦合作用下沿弱面滑移失穩(wěn)。