內(nèi)排土場阻水性對非工作幫邊坡穩(wěn)定性的影響研究

孫 江，田 光，韓 流，宋仁忠，韓 興，閆 石

(1.神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

在我國開展煤炭開采活動以來，露天開采因為其成本低、安全性好、采出率高等特點[1-2]得到了快速發(fā)展，露天采煤占我國煤炭年產(chǎn)量的比例已經(jīng)從最初的1%增長到如今的20%[3]。露天礦邊坡是由采礦工程開挖地表巖土體所逐漸形成的堆載體，其穩(wěn)定性是確保工程安全實施的重要基礎(chǔ)。邊坡高度由于開挖程度不斷加深而提高，安全穩(wěn)定性就會降低。我國大型露天煤礦主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、云南等生態(tài)脆弱地區(qū)，邊坡事故發(fā)生后造成經(jīng)濟損失與環(huán)境污染，嚴重制約我國生態(tài)文明建設(shè)[4-5]。因此針對礦產(chǎn)資源開發(fā)而言，就需要充分確保資源回收率，降低生產(chǎn)成本，保證經(jīng)濟效益的同時實時監(jiān)測和控制邊坡穩(wěn)定性及安全性[6]。

影響邊坡穩(wěn)定性各類因素主要可以劃分為內(nèi)因和外因[7]，內(nèi)因包括巖體自身組成成分、巖體內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力和地質(zhì)結(jié)構(gòu)面等自身對邊坡產(chǎn)生影響的因素。外因則包括巖石風(fēng)化、爆破震動、滲流侵蝕及開采活動等一系列外界環(huán)境影響。在露天礦邊坡滑坡事故中，水對邊坡穩(wěn)定性的影響作用往往會超過其他因素[8-9]?；率鹿蚀蠖喟l(fā)生在雨季、解凍期以及排水方法不當(dāng)時[10]。不利影響有軟化巖石降低強度，靜水壓力與動水壓力作用以及使邊坡中親水性物質(zhì)遇水膨脹，降低巖體抗剪強度等[11]。巖體中許多構(gòu)造裂隙互不貫通，分布不規(guī)律，使巖體水文條件不易充分掌握，給穩(wěn)定性分析帶來不便。

目前國內(nèi)外針對滲流活動對邊坡穩(wěn)定性影響已經(jīng)進行了較多研究，主要有不同降雨條件對內(nèi)排土場穩(wěn)定性的影響[12-13]，利用試驗?zāi)M和數(shù)值模擬方法研究不同孔徑、粒徑分布下滲透系數(shù)變化[14-16]，分析非飽和滲透特性下滲流及邊坡穩(wěn)定性[17-18]。

筆者以勝利露天礦為例進行研究，針對內(nèi)排土場排棄物阻水性的形成過程進行模擬分析。分析不同內(nèi)排高度及寬度下非工作幫邊坡安全系數(shù)變化情況并進行邊坡穩(wěn)定性評價。內(nèi)排土場穩(wěn)定性會對采場的排水系統(tǒng)、內(nèi)排工程正常進行和礦山安全產(chǎn)生影響。因此，對勝利露天礦內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性進行研究與分析具有重要的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。

1 內(nèi)排土場阻水性形成原因

排土場是礦物開采過程中剝離出的巖土體排棄形成的巨型人工松散堆載體，是礦山開采活動所產(chǎn)生排棄物集中排放場所,其內(nèi)部巖土體滲流活動改變會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。堆載體內(nèi)部滲流過程較復(fù)雜，非飽和滲透系數(shù)較難確定。黏土層阻水性質(zhì)也會推動排土場內(nèi)滲流場不斷變化[19]。

勝利露天礦原始地層中有穩(wěn)定的含水層和水位線，開挖后形成深凹采場，造成水位線下降，開始內(nèi)排后，內(nèi)排物料與原來非工作幫相互銜接，含水層具備了恢復(fù)條件。但由于排棄物是混合物料，不符合原始地層分層沉積的規(guī)律，因此，含水層無法重構(gòu)。

內(nèi)排土場排棄工作不斷進行，排棄物回填后，上部排放的軟巖排棄物在重力荷載的影響下會對下部沉積物產(chǎn)生壓實作用，雨季降水時還會將表層土壤附近的膠結(jié)物溶解，隨水流滲入到沉積物孔隙中，堵塞土體孔隙通道，如圖1b所示，還會將圖1c中較小巖土體顆粒帶入下方堆載體的孔隙中。

圖1 孔隙變化趨勢

在露天礦邊坡巖層內(nèi)部滲流活動中，地下水在滲流過程中通常由于摩擦力和黏度的影響，使中心的流速比靠近巖層邊緣的流速快，在巖體邊緣附近會有一流速快速遞增區(qū)間，直至平均流速。遞增區(qū)間厚度受滲流管路摩擦力、黏度等因素影響。管徑越大，影響越小。大管的平均流速和中心流速均會大于小管。如圖2所示，在截面積相同時，大管流量高于幾條小管流量之和。當(dāng)邊坡內(nèi)巖體孔隙度和滲透率均下降時，通過滲流而經(jīng)過剖面的地下水隨之減少，即在原來非工作幫的鄰空面上形成一層較為緊密的具有阻水性質(zhì)的黏土層[20]。

圖2 內(nèi)排土場邊坡剖面圖

內(nèi)排土場巖土隨著堆積和壓實作用積累孔隙度由上至下逐漸增大，有著類似于圖2中所示成層土的滲透特性。受內(nèi)排阻水效果影響邊坡內(nèi)存在著平行層理滲透方向和垂直層理滲透方向。根據(jù)土力學(xué)知識，垂直滲透時，各分層滲流量相等，總水頭等于各層水頭損失之和，垂直方向等效滲透系數(shù)計算公式為：

(1)

式中：ky為內(nèi)排土場垂直方向滲透系數(shù)，m/s；H為內(nèi)排土場高度，m；Hn為第n層土厚度，m；kn為第n層土垂直方向滲透系數(shù)，m/s。

平行滲透時各層水力坡降相等，總滲流量等于各分層流量之和。計算公式為

(2)

式中：kx為內(nèi)排土場平行方向滲透系數(shù)，m/s；k′n為第n層土平行方向滲透系數(shù)，m/s。

非工作幫地下水向內(nèi)排土場滲透時較多情況為平行土層滲入，因此模型設(shè)計采用內(nèi)排土場滲透系數(shù)為k=kx。分析了內(nèi)排土場阻水機理形成過程，模擬了不同排土高度與寬度條件下孔隙水壓力改變情況以及內(nèi)排土場邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律，為內(nèi)排土場優(yōu)化提供建議。

2 巖體力學(xué)參數(shù)分析

2.1 非工作幫力學(xué)參數(shù)確定

根據(jù)實地調(diào)查及露天礦生產(chǎn)巖體基本類型，勝利露天礦周圍地質(zhì)條件較差。邊坡穩(wěn)定性研究中巖體的力學(xué)參數(shù)參照《勝利露天煤礦滑坡防治技術(shù)研究》及《勝利能源有限公司露天煤礦生產(chǎn)補充地質(zhì)勘探報告》進行選擇和確定，見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.2 內(nèi)排土場力學(xué)參數(shù)確定

勝利露天煤礦現(xiàn)已全部實現(xiàn)內(nèi)排，在內(nèi)排過程中，根據(jù)開采方法、排棄方法的不同，排土顆粒組成、密度等均會發(fā)生變化，破碎巖體力學(xué)性質(zhì)也隨之改變，會對內(nèi)排土場邊坡部分材料力學(xué)性質(zhì)及邊坡整體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。

通過試驗探究發(fā)現(xiàn)，勝利露天礦巖層中裂隙發(fā)育，但6號煤層底板以泥巖、砂巖為主。雖然基底強度不高但未發(fā)現(xiàn)明顯弱層存在，煤層底板的傾向與工作線推進方向基本垂直，基底巖層的產(chǎn)狀對內(nèi)排土場穩(wěn)定性影響較小。

經(jīng)過現(xiàn)場原位試驗測定，勝利露天礦內(nèi)排土場的排棄物在排棄后有較大的黏聚力，尤其是泥巖類排棄物，在臺階的上部，受運輸車輛的碾壓，密實度很好，黏聚力較大。排土場排棄物料具體參數(shù)通過巖土工程試驗并參照《勝利一號露天煤礦北幫外排土場增高擴容工程地質(zhì)勘察報告》中確定，其中：內(nèi)摩擦角為30.4°，黏聚力為12.8 kPa，容重為18.5 kN/m3。

經(jīng)計算，確定理論模型排土高度為180 m，角度為26°；內(nèi)排土場臺階參數(shù)為臺階高度20 m，坡面角19°，臺階平臺寬度31 m(圖3)。

圖3 理論計算模型

3 非工作幫邊坡滲流模擬

SEEP/W是一種分析巖土體內(nèi)滲流分布情況，解決非飽和巖體內(nèi)部滲流問題的有限元軟件。用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況自行定義滲透性系數(shù)等各項參數(shù)來計算巖土體內(nèi)滲流路徑以及水位線分布情況，分析瞬態(tài)滲流或穩(wěn)態(tài)滲流等各項工程問題，再通過與SLOPE/W模塊進行耦合來研究邊坡、路堤等穩(wěn)定性隨時間的變化關(guān)系。由于其應(yīng)用的廣泛性，SEEP/W軟件現(xiàn)已成為市場上最主流的用于分析各項工程領(lǐng)域滲流問題的模擬計算軟件。

3.1 滲流模擬計算原理

通過利用GeoStudio軟件中的SEEP/W模塊來模擬分析滲流情況下勝利露天礦內(nèi)排土場邊坡巖體中水位線的分布情況，在得出計算結(jié)果后再以SLOPE/W作為子項分析，利用所得的水位線信息進行下一步的邊坡穩(wěn)定性分析評價來研究邊坡安全系數(shù)的變化規(guī)律。SEEP/W穩(wěn)態(tài)模擬分析公式為

(3)

式中:Q為邊界流量，m3/s；h為壓力水頭，m;x為水平方向；y為垂直方向。

3.2 非工作幫邊坡穩(wěn)定性影響分析

現(xiàn)場抽水試驗測得內(nèi)排土場透水性等級為微透水性，滲透系數(shù)維持在1.05×10-6～1.76×10-6m/s。設(shè)計時，將內(nèi)排土場滲透系數(shù)設(shè)置為1.25×10-6m/s，非工作幫內(nèi)其他土層的滲透系數(shù)根據(jù)巖性不同設(shè)置為4.06×10-6～6.43×10-5m/s。滲透面邊界條件根據(jù)《中國降水強度國家標準》選取為80 mm/d。

當(dāng)排土高度在0～180 m時，固定平臺寬度為31 m，以每40 m為單位定量增加排土高度，排土高度到達邊坡頂部時，再定量增加排土寬度。并通過模擬滲流時的邊坡邊界條件進行賦值，將地表的邊界條件設(shè)為滲透面，坡面為潛在滲流面，坡底為零壓力面。在進行內(nèi)排工作前，非工作幫邊坡穩(wěn)定性分析情況以及巖土體內(nèi)的滲流分布情況如圖4、圖5所示。

圖4 內(nèi)排前非工作幫穩(wěn)定性分析

圖5 內(nèi)排前坡體內(nèi)滲流路徑

隨著地下水在邊坡內(nèi)滲流程度的不斷加深，會對邊坡整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。通過SEEP/W穩(wěn)態(tài)模擬分析計算可以得到，此時的邊坡安全系數(shù)為1.386，滲流路徑、水位線情況以及各滑移面分布情況如圖5所示。

由于內(nèi)排土場的排棄物是混合物料，經(jīng)過降水、壓實以及內(nèi)排土場邊坡自身重力載荷的影響下，會使排土場內(nèi)部巖體孔隙度發(fā)生變化，隨著巖體內(nèi)部孔隙度不斷減小，排棄物就會具有一定的阻水性，即形成了隔水層。隔水層厚度隨著排土工程進行不斷增加，隔水層所在位置也不斷提高。通過SEEP/W和SLOPE/W進行耦合模擬分析。排土高度在40～160 m時邊坡安全系數(shù)變化情況如圖6所示。

圖6 排土高度40～160 m邊坡安全系數(shù)變化

排土高度為120 m時由于內(nèi)排阻水作用的影響，邊坡孔隙水壓力分布與初始狀態(tài)下的孔隙水分布相比淺部地層巖土體飽和度較高，整體地層較為濕潤；中間的過渡區(qū)域范圍增加，孔隙水壓力隨著滲流深度的增加而增大，其中埋藏較淺地層的孔隙水壓力基本都會維持在-10 kPa左右，巖土體接近飽和，局部孔隙水壓力狀態(tài)表現(xiàn)出正值，范圍內(nèi)出現(xiàn)聚集的含水區(qū)域即積水現(xiàn)象，如圖7所示。而深度較深的地層孔隙水壓力較原始地層無太大變化，受滲流作用影響較小。此時，邊坡安全系數(shù)呈逐漸上升趨勢。這是因為隔水層的形成阻塞了非工作幫內(nèi)部的水源流動。當(dāng)達到一定高度時，隔水層的物理力學(xué)強度會大于一般巖層，使降水在滲流的過程中因為隔水層的阻擋而不能充分下滲。因為距離地表較近，這時一部分降水會從邊坡頂部滲出。著隔水層高度和厚度的增加，坡面上方的滲水量不斷加大，同時引起坡體內(nèi)降水滲入量的逐漸減小。從而減小了邊坡巖體整體的滑動趨勢，邊坡安全系數(shù)逐漸升高，對內(nèi)排土場邊坡整體的穩(wěn)定性起到一定的提升作用。

圖7 孔隙水壓力分布變化

模型中當(dāng)排土高度達到180 m時，開始定量增加排土寬度。如圖8所示，此時的邊坡安全系數(shù)有逐漸下降并趨于平緩的趨勢。這時由于內(nèi)排土場邊坡為混合物料，不符合原始地層分層沉積的規(guī)律。

圖8 排土寬度增加時邊坡安全系數(shù)變化

盡管隨著堆置時間的延長，在壓實，滲流以及自身重力荷載的作用下使巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，但穩(wěn)定性較原非工作幫邊坡仍較差。所以在滑移面從非工作幫邊坡轉(zhuǎn)移到內(nèi)排土場的過程中邊坡安全系數(shù)會有所下降，并隨著轉(zhuǎn)移過程的完成而逐漸趨于平穩(wěn)。邊坡安全系數(shù)的整體變化趨勢如圖9所示。

圖9 安全系數(shù)變化趨勢

4 結(jié) 論

1)內(nèi)排過程中，排棄物因為自身重力荷載的壓實作用以及滲流作用的累積影響，隨著巖體內(nèi)部孔隙度和滲透系數(shù)的逐漸減小，最終會在原來非工作幫的鄰空面形成較為緊密的具有阻水性質(zhì)的隔水層，阻塞原始地層內(nèi)部的水流滲出。

2)在排土高度由0增加至180 m的過程中，隨著隔水層位置的不斷變化，一部分降水會從邊坡頂部地表滲出，同時滲入坡體內(nèi)部的降水量隨之減小，孔隙水壓力過渡區(qū)變化范圍增加，局部孔隙水壓力為正值，出現(xiàn)積水現(xiàn)象，邊坡安全系數(shù)由初始狀態(tài)增長至1.834，穩(wěn)定性有所提高。

3)當(dāng)排土高度到達邊坡頂部時，隨著排土寬度的進一步增加以及原非工作幫邊坡滑移面向內(nèi)排土場逐漸轉(zhuǎn)移，邊坡安全系數(shù)由最高的1.834回落至1.673，整體呈現(xiàn)出先升高再下降最后趨于平緩的變化趨勢。