高密度電法在露天礦含水邊坡探測(cè)中的應(yīng)用研究

謝世英，張永貴，裴桂淼，劉國(guó)興，韓 流

(1.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)勘查(集團(tuán))一五一有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000； 2.北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

水是誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)的主要因素之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天礦90%以上的滑坡破壞與水有關(guān)。富水邊坡對(duì)露天礦生產(chǎn)、安全影響極大，開(kāi)采過(guò)程中不斷滲水會(huì)影響爆破、采掘和運(yùn)輸效率；水在邊坡中滲流會(huì)對(duì)巖體產(chǎn)生物理、力學(xué)方面的綜合影響，一旦誘發(fā)邊坡變形、失穩(wěn)將嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備安全。因此，治理此類邊坡的重點(diǎn)是準(zhǔn)確查找邊坡內(nèi)的水源分布，而后采取有效的疏排措施，使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達(dá)到安全范圍。

地下水源分布探測(cè)是一項(xiàng)專業(yè)性強(qiáng)且十分復(fù)雜的工作，常采用瞬變電磁法、高密度電法、電阻率法等專業(yè)的地球物理勘探方法[1]進(jìn)行探測(cè)。方志雄[2]應(yīng)用可控源音頻大地電磁法獲取了煤層氣井排采過(guò)程中煤儲(chǔ)層水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化和煤層氣開(kāi)發(fā)過(guò)程波及的范圍；劉子卿[3]在對(duì)隧道含水層的水量進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，成功使用了激發(fā)極化法；張來(lái)福[4]應(yīng)用瞬變電磁法對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行分析處理，重建接地網(wǎng)及周?chē)橘|(zhì)的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地下超淺層接地網(wǎng)反演成像；謝偉[5]將高密度電阻率法應(yīng)用于煤礦含水層突變構(gòu)造探測(cè)，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了異常的含水構(gòu)造，規(guī)避了礦井透水隱患，創(chuàng)造了顯著的安全效益。房浩等[6]應(yīng)用電阻率測(cè)深方法精準(zhǔn)高效探測(cè)其殘坡積層厚度，并為東南沿海地區(qū)開(kāi)展類似探測(cè)工作提供技術(shù)參考與借鑒。由于高密度電法對(duì)于探測(cè)采空區(qū)范圍、小煤窯巷道、主采煤層及其邊坡富水性等方面響應(yīng)良好[7]，且在野外作業(yè)時(shí)可智能采集數(shù)據(jù)，能在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，具有生產(chǎn)效率高、數(shù)據(jù)采集量大、觀測(cè)精度高、地質(zhì)信息豐富等特點(diǎn)[8]。本文嘗試將高密度電法遷移應(yīng)用于露天礦含水邊坡探測(cè)中，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡內(nèi)部水源賦存情況的準(zhǔn)確探測(cè)，為后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和疏干防治方案提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

魏家峁露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田東南部，主采6號(hào)煤層，為單一近水平厚煤層，煤層平均厚度18m。剝離生產(chǎn)工藝為單斗卡車(chē)間斷工藝，采煤生產(chǎn)工藝為半連續(xù)工藝，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6Mt/a。礦區(qū)大部分被第四系黃土和風(fēng)積沙覆蓋，局部梁頂或者沖溝處有基巖出露。魏家峁露天煤礦2009年開(kāi)工建設(shè)，目前已形成工作幫、非工作幫、內(nèi)排土場(chǎng)等邊坡。其中，工作幫邊坡上部黃土臺(tái)階高度為8m，臺(tái)階坡面角為65°，下部巖石臺(tái)階、煤層臺(tái)階高度均為16m，臺(tái)階坡面角為70°。

隨著露天煤礦工作幫的不斷推進(jìn)，工作幫邊坡逐漸發(fā)生后緣下沉、前緣底鼓等現(xiàn)象，2020年的雨季過(guò)后，工作幫1112—1120臺(tái)階坡面有大量水與稀泥涌出，各臺(tái)階出現(xiàn)裂縫，并伴隨臺(tái)階沉降，后期最大沉降量達(dá)2.5m，沉降范圍不斷擴(kuò)大，且下部臺(tái)階錯(cuò)落式沉降加劇。經(jīng)實(shí)地勘察，該區(qū)域位于古河床，有豐富的地下水，因溝壑發(fā)育匯聚了大量地表水。

魏家峁露天礦工作幫滑坡變形主要受地表水、地下水影響[9]，地表水主要來(lái)自于大氣降水和地表徑流，地表水入滲會(huì)造成邊坡巖土體內(nèi)部孔隙水壓力增加[10]、容重增大，并導(dǎo)致飽和土的抗剪強(qiáng)度降低[11]。地下水滲流會(huì)持續(xù)產(chǎn)生水壓力和滲透力，改變巖體內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，并且水位線以下的巖體長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)。水滲入不透水巖體的裂隙、結(jié)構(gòu)面會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)張力，并對(duì)上部滑體產(chǎn)生浮托力，同時(shí)起到潤(rùn)滑作用，降低滑面的摩擦系數(shù)，增大巖土體失穩(wěn)的幾率。

本文針對(duì)魏家峁露天煤礦邊坡出水誘發(fā)的邊坡滑坡、失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)地層內(nèi)部含水層的準(zhǔn)確探測(cè)，建立邊坡模型，分析水影響下的邊坡穩(wěn)定性，并結(jié)合分析結(jié)果提出地下水防治措施[12-16]。通過(guò)上述研究工作，降低水對(duì)魏家峁露天礦邊坡的影響，提高生產(chǎn)作業(yè)安全性。

2 高密度電法探測(cè)水源分布

2.1 高密度電法原理

高密度電法通過(guò)測(cè)定電流在地層中的傳導(dǎo)分布規(guī)律，并根據(jù)其分布情況反演各區(qū)域的電阻率差異，結(jié)合水對(duì)電流傳導(dǎo)的影響，進(jìn)行地下水位置的預(yù)測(cè)。高密度電法測(cè)試的效率、精度與電極管數(shù)量有關(guān)，電極管布置間距與精度需要有關(guān)，此次含水邊坡探測(cè)中一次性布置60根電極管，測(cè)點(diǎn)在斷面上呈倒梯形分布，待接通電源后，通過(guò)周期性調(diào)整電源的正負(fù)極或電極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)電流的雙向流動(dòng)，電極管在供電的同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，獲取不同時(shí)刻、不同位置的電流數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理

利用WGMD-4測(cè)量系統(tǒng)物探，采用溫納裝置進(jìn)行觀測(cè)，將兩個(gè)測(cè)量電極分別布置在兩個(gè)供電電極連線的1/3和2/3位置處，此時(shí)，電極之間的距離是相等的。逐漸增大電極之間的間距，可以使得測(cè)量區(qū)域的深度更大，即實(shí)現(xiàn)對(duì)更深位置的電阻率測(cè)定，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生突變時(shí)，在對(duì)應(yīng)的層位電阻率會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，利用巖層與水層的電阻率差異，即可判定含水層的深度。

2.2 測(cè)網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)魏家峁露天礦工作幫邊坡變形范圍及邊坡出水情況，共設(shè)計(jì)了8條高密度電法剖面，每條測(cè)線長(zhǎng)300m，每條測(cè)線60個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別位于工作幫1144平盤(pán)、1152平盤(pán)、1160平盤(pán)，測(cè)線號(hào)分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6、 P7、P8。測(cè)線所在位置在未建礦前有低洼水塘存在，該區(qū)域的地表和地下水匯集豐富，且縱向補(bǔ)給良好，露天煤礦正向西南推進(jìn)到該位置，非常有必要對(duì)該區(qū)域的地下水賦存情況進(jìn)行勘察，為邊坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)和安全防治提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.3 反演計(jì)算及判釋含水地層

2.3.1 反演計(jì)算

利用RES2DINV軟件對(duì)電極采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，將電極采集到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與合成，剔除數(shù)據(jù)曲線中的噪點(diǎn)等異常數(shù)據(jù)，再進(jìn)行電阻率的反演計(jì)算，并展示成漸變圖譜。魏家峁露天礦變形失穩(wěn)邊坡均為已剝離水平地形，邊坡由黃土與紅土兩層組成，反演計(jì)算中受地形影響小。

2.3.2 判釋含水地層

含水地層判釋的依據(jù)主要為反演電阻率斷面圖，將斷面圖的色譜分布與地層結(jié)構(gòu)相對(duì)照，綜合判斷地層分界線和含水層的位置，根據(jù)剖面電性特征對(duì)各個(gè)剖面解釋如下：

1)P1、P4剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P1和P4剖面都在1144平盤(pán)上，極距5m，線長(zhǎng)300m，方位27°。P1剖面供電時(shí)間為500ms，P4剖面為200ms。P1和P4剖面的測(cè)線曲線形態(tài)基本一致，P4剖面的反演結(jié)果更具有代表性，P4剖面第5次迭代反演電阻率斷面圖如圖2所示，由圖2可見(jiàn)，視電阻率幅值特征在縱向上可將剖面大致分為三個(gè)區(qū)域。其中，第Ⅰ區(qū)域在橫向185～300m，視電阻率在50～150Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電性特征，該層反映的是地表黃沙土的物性特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在150～900Ω·m之間，推測(cè)該層為下部紅泥及粗砂基巖隔水地層反應(yīng)所致；第Ⅲ區(qū)域視電阻率呈低電阻特征，范圍在10～40Ω·m之間，第Ⅲ區(qū)域與第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域視電阻率特征高低區(qū)分明顯，結(jié)合實(shí)地勘查，推測(cè)該區(qū)域?yàn)楹畬印?/p>

圖2 P4剖面反演電阻率斷面圖

2)P2、P5剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P2、P5剖面都在1152平盤(pán)上，剖面線長(zhǎng)300m，極距5m，P2方位24°，P5方位27°。P2剖面供電時(shí)間為500ms，P5剖面為200ms。對(duì)比P2和P5兩條測(cè)線的反演圖譜的電阻率分布形態(tài)較為相似，P2剖面反演電阻率斷面圖如圖3所示，P2測(cè)線所在剖面的反演電阻率圖像可以分為三個(gè)典型的區(qū)域，其中，第Ⅰ區(qū)域在縱向0～20m，視電阻率在30～600Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電阻特征，是地表黃土電性的主要特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在60～900Ω·m之間，推測(cè)該層為隔水地層反應(yīng)所致；第Ⅲ區(qū)域視電阻率呈低電阻特征，范圍在10～30Ω·m之間，第Ⅲ區(qū)域與第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域視電阻率特征高低區(qū)分明顯，結(jié)合實(shí)地勘查，推測(cè)該區(qū)域?yàn)楹畬印?/p>

圖3 P2剖面反演電阻率斷面圖

3)P3、P6剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P3、P6剖面都在1160平盤(pán)上，剖面線長(zhǎng)300m，極距5m，P3方位24°，P6方位27°。P3剖面供電時(shí)間為500ms，P6剖面為200ms。P3和P6測(cè)線的剖面形態(tài)較為相似，P6剖面反演電阻率斷面圖如圖4所示，由P6測(cè)線的反演圖譜可知，電阻率呈現(xiàn)典型的三帶區(qū)域劃分。其中，第Ⅰ區(qū)域在縱向0～24m，視電阻率在30～150Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電阻特征，該層是地表黃土物性特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在100～300Ω·m之間，按照電阻率特征推測(cè)該位置為隔水地層；第Ⅲ區(qū)域視電阻率特征在10～30Ω·m之間，屬于低電阻，結(jié)合實(shí)地勘查，推測(cè)該區(qū)域?yàn)楹畬印?/p>

圖4 P6剖面反演電阻率斷面圖

3 地下水對(duì)于魏家露天礦邊坡的影響評(píng)價(jià)

3.1 地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響評(píng)價(jià)

通過(guò)采用高密度電法勘探了魏家峁露天礦南幫邊坡的地下水深度，并結(jié)合實(shí)地勘察進(jìn)行校核，確定了該露天煤礦首采區(qū)內(nèi)地下含水地層的流向和深度，結(jié)合各剖面的地下水位深度，可以大致確定地下水的流向?yàn)樽晕飨驏|方向，而且西部水頭高、東部水頭低，這個(gè)方向?qū)?huì)對(duì)西幫邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。西幫邊坡是排土場(chǎng)與采場(chǎng)端幫形成的復(fù)合邊坡，其成分復(fù)雜，邊坡高度大、角度陡，而且對(duì)于采場(chǎng)下部的作業(yè)安全產(chǎn)生直接影響。根據(jù)魏家峁露天礦的巖土力學(xué)試驗(yàn)及以往研究穩(wěn)定性評(píng)價(jià)報(bào)告中的各力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，綜合分析巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果和節(jié)理巖體綜合抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)，推薦使用的邊坡穩(wěn)定性分析的綜合巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值

采用GEO-slope軟件建立邊坡數(shù)值模擬，整個(gè)模型的尺寸為高度260m，長(zhǎng)度620m，包括5個(gè)排土場(chǎng)臺(tái)階和9個(gè)采場(chǎng)臺(tái)階；排土場(chǎng)臺(tái)階高度為20m，采場(chǎng)臺(tái)階高度為16m；模型中的地層按照鉆孔柱狀圖中的地層分布依次賦上對(duì)應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。水位線以上的煤巖體采用天然強(qiáng)度，水位線以下則采用飽和強(qiáng)度。

對(duì)于西幫復(fù)合邊坡的分析采用極限平衡原理中的Morgenstein-Price法，該方法對(duì)相鄰條間作用力的假定，給出了條間合力的作用位置，但改變條間合力的作用方向以求得最佳解和滿足滑動(dòng)面法向和滑動(dòng)面方向力的平衡及對(duì)底滑面中點(diǎn)的力矩平衡，相比于瑞典條分法、Bhishop法等方法考慮的因素更全面、合理。

對(duì)西幫邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到了不考慮地下水影響下的現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.373，如圖5(a)所示，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定要求。按照高密度電法測(cè)定的地下水位高度，將水位線加入到邊坡穩(wěn)定分析中，地下水位在露天采坑附近會(huì)形成降水漏斗，因此，水位線分布呈現(xiàn)與邊坡形態(tài)貼合的連續(xù)變化趨勢(shì)。對(duì)于水位線以下的巖體，采用飽和強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)分析得到考慮地下水影響下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.062，如圖5(b)所示，接近于極限平衡狀態(tài)，如果該區(qū)域受到爆破震動(dòng)、設(shè)備荷載等外部因素的影響，極易發(fā)生失穩(wěn)滑坡。因此，有必要進(jìn)行地下水防治措施的研究。

圖5 西幫邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 地下水防治措施

在露天礦西幫邊坡采用疏干井進(jìn)行地下水位的疏降，可以有效降低邊坡地下水位高度，現(xiàn)場(chǎng)布置了G1和G2兩個(gè)疏干孔，具體坐標(biāo)分別為(X：525054，Y：4377130)、(X：525158，Y：4377031)。在1144平盤(pán)上，綜合P1、P4剖面工作成果可以看出含水層在中心點(diǎn)深度40m見(jiàn)底板，因此布設(shè)一個(gè)抽水輸干降水孔，孔深設(shè)計(jì)45m，有效解決了該區(qū)域出水的問(wèn)題。在1160平盤(pán)上，綜合P3、P6剖面成果顯示中心點(diǎn)位置視電阻率最低，由于高密度探測(cè)深度影響沒(méi)有測(cè)到含水層底板，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查并結(jié)合地質(zhì)資料分析布設(shè)一個(gè)抽水輸干降水孔，孔深設(shè)計(jì)65m，有效解決了該區(qū)域出水的問(wèn)題。通過(guò)連續(xù)抽水輸干使得降水孔內(nèi)部的水頭高度下降10～15m。根據(jù)下降后的水位高度將邊坡內(nèi)部的水位線下降10m，修正邊坡分析模型并再次進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.207，如圖6所示。按照露天礦邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范，該穩(wěn)定系數(shù)可以保持中長(zhǎng)期內(nèi)的安全穩(wěn)定，滿足魏家峁西幫邊坡在服務(wù)周期內(nèi)的安全需求。由此說(shuō)明，通過(guò)抽水輸干降水孔可以很大程度上消除魏家峁露天煤礦首采區(qū)由于邊坡出水導(dǎo)致的滑坡、塌陷等安全隱患。

圖6 地下水疏降之后的穩(wěn)定性

4 結(jié) 論

1)分析了魏家峁露天礦的水文地質(zhì)條件，選擇采用高密度電法進(jìn)行地下水勘探，在魏家峁露天煤礦地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并施工了8條高密度電法剖面，選取了WGMD-4型高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行物探工作并使用溫納裝置進(jìn)行觀測(cè)，利用高密度二維反演軟件RES2DINV處理數(shù)據(jù)，繪制了反演電阻率斷面圖。

2)根據(jù)圖中電阻率，對(duì)地層分界線及巖體的破碎、軟弱或含水情況進(jìn)行判釋。確定了測(cè)線上的隔水層位置。在西幫選擇一個(gè)典型剖面，剖畫(huà)出復(fù)合邊坡模型，并進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，得到現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性為1.373，滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求；考慮地下水影響的邊坡穩(wěn)定性為1.062，接近于極限平衡狀態(tài)。

3)在現(xiàn)場(chǎng)布置了G1和G2兩個(gè)疏干孔，并進(jìn)行疏干排水作業(yè)，有效降低了該位置的地下水高度達(dá)到10～15m，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.207，有效解決了該區(qū)域出水和邊坡潛在滑塌失穩(wěn)的問(wèn)題。