露天礦含斷層邊坡地下水滲透特性研究

閆 杰，李福平，李 偉

(1.煤炭科學研究總院，北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司，安全分院，北京 100013；3.國能準能集團有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

地下水是重要的地質(zhì)營力，同時是造成邊坡滑坡的重要影響因素。它與巖土體的相互作用，引起巖土體應力及強度發(fā)生變化。露天采空區(qū)對端幫地下水位進行疏干，疏干影響半徑范圍內(nèi)地下水滲流場發(fā)生改變，形成了一個降水漏斗，漏斗形態(tài)大小受露天開采深度及地下水位變化影響。

目前，大量學者研究了滲流邊坡安全問題，唐紅梅等[1]通過分析大量資料將邊坡滲流現(xiàn)狀概括為滲流分析模型、滲流計算、應力場和滲流場耦合、滲流自由面以及滲透系數(shù)分析5個方面，并分別論述了每個方面的核心內(nèi)容及基本思路；曾勝等[2]建立了順層邊坡模型，研究降雨滲流、結(jié)構(gòu)面強度弱化及干濕循環(huán)作用下邊坡衰減規(guī)律；劉才華等[3]研究了順層邊坡水力驅(qū)動型滑移破壞機制，邊坡后緣張裂隙充水高度決定了3種水壓力大小，確定了順層邊坡水力驅(qū)動型滑移穩(wěn)定判據(jù)；姜海西等[4]、王福剛等[5]、陳卓立等[6]、劉福明等[7]、包小華等[8]建立了相似模型，分別研究了地下水和降雨作用下邊坡地層巖體的變形、滲流、試驗參數(shù)測量等特征規(guī)律；王博等[9]建立了地下水系統(tǒng)模型，考慮斷層傾向、走向、滲透系數(shù)等因素，模擬了滲流場水頭分布的影響特征；韓洋等[10]研究了邊坡滲流中水力梯度在滲端區(qū)域呈現(xiàn)非線性變化的邊界效應問題；師文豪等[11]應用多物理場耦合方法研究了層狀各向異性巖體邊坡的滲流-應力耦合模型，該模型可以反映各向異性變形及地下水滲流場的非均勻性和各向異性特征；何忠明等[12]應用飽和-非飽和滲流計算原理，采用有限元模擬方法，研究降雨入滲過程中主要影響孔隙水壓力、含水率、暫態(tài)飽和區(qū)深度等方面；何如許等[13]以飽和-非飽和滲流理論為基礎，分別對5個庫水位升降工況進行模擬，研究了水位升降對邊坡地下水滲流特征，滲透系數(shù)與升降速率決定了岸坡內(nèi)的水位變化；盛建龍等[14]、王明等[15]應用有限元軟件研究了滲流邊坡的應力場、位移及邊坡穩(wěn)定性等變化規(guī)律。以往研究主要集中于降雨對邊坡的安全影響、地下水驅(qū)動下滑移破壞機制以及水對巖體結(jié)構(gòu)面強度參數(shù)的劣化、滲流場與盈利場的耦合研究，而關于斷層對地下水滲流場考慮了斷層傾向、走向及滲透系數(shù)對正體滲流場中的水頭分布影響，但針對于含斷層邊坡地下水滲透特征問題，采用大比例滲流相似模型、數(shù)值模擬相關研究較少。

因此，本文利用固液耦合相似模擬試驗方法和數(shù)值模擬方法，研究了地下水在斷層區(qū)域的滲透特性及露天礦采礦對地下水滲透影響規(guī)律，分析了含斷層邊坡對滲流場的影響特性、斷層隔水特性、地下水滲流特征規(guī)律與水力坡降變化規(guī)律；并提取了水力坡降的關鍵參數(shù)，確定坡體內(nèi)地下水位合理標高位置，為滿足礦區(qū)安全高效開采要求提供理論依據(jù)。

1 礦區(qū)地質(zhì)條件及模型設計

伊敏露天礦位于伊敏斷陷中伊敏向斜東南翼，屬徑流區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造將伊敏露天礦區(qū)水文地質(zhì)分為3個獨立水文地質(zhì)分區(qū)，由南向北分別為：F10斷層與F9斷層之間的Ⅰ水文地質(zhì)分區(qū)；F5斷層與F9斷層之間的Ⅱ水文地質(zhì)分區(qū)；F5斷層以北的Ⅲ水文地質(zhì)分區(qū)。伊敏露天煤礦三采區(qū)端幫位于Ⅱ水文地質(zhì)分區(qū)、Ⅲ水文地質(zhì)分區(qū)的分界區(qū)域，模擬露天開采過程中地下水由Ⅲ水文地質(zhì)分區(qū)向端幫邊坡滲流。

邊坡地質(zhì)模型地層傾角為7°，可采煤層為15煤層和16煤層，厚約分別為16.0 m和46.5 m；15煤層上覆巖層為強含水層砂礫巖層，水頭位于地表下60 m(標高約為580 m)，坑底設計標高約450 m。在模型中存在F1斷層和F5斷層這2個透水性較差的正斷層，礦區(qū)典型地質(zhì)剖面如圖1所示，礦區(qū)各巖層物理力學參數(shù)指標見表1。

表1 巖土體物理力學指標推薦值Table 1 Recommended values of physical and mechanical index of rock and soil mass

圖1 工程地質(zhì)簡化模型Fig.1 Simplified engineering geological model

1.1 相似模型設計

相似理論基礎是相似定理，是模型設計的基礎，并且是實驗數(shù)據(jù)處理和推廣的依據(jù)。本次試驗模型架子尺寸為2.0 m×0.3 m×1.6 m。根據(jù)相似模擬試驗臺尺寸及礦井地質(zhì)資料，確定模型的幾何相似比Cj=1∶500，容重相似比Cr=1∶1.5，根據(jù)相似定理及相關相似準則，可推導得出模型其他參數(shù)的相似比：①幾何相似比Cj，原型3個相互垂直方向的尺寸為Xp、Yp、Zp，模型3個相互垂直方向的尺寸為Xm、Ym、Zm；②時間相似比Ct，原型中采礦時間為Tm，模型中采礦時間為Tp；③容重相似比Cr，Rpi為原型第i層巖層的容重，Rmi為模型第i層巖層的容重；④彈性模量相似比Cε，Epi為原型第i層巖層的彈性模量，Emi為模型第i層巖層的彈性模量;⑤滲透系數(shù)相似比Ck，既Cp=1，則以上滲透系數(shù)相似比見式(1)～式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 邊坡開采及監(jiān)測方案

參照邊坡工程地質(zhì)模型建立相似模型(圖2)，設計模型實際長1 460 m，高470 m，設計邊坡區(qū)域高度約為225 m，三采區(qū)端幫邊坡初始水位標高為580 m，該剖面位置區(qū)域設計坡率為1∶2.5。

模型材料選擇以河砂為骨料，石膏、膩子粉作為膠結(jié)物，云母片作為分層材料模擬巖層層理，在含水層和隔水層的材料配比中分別加入了小石子和凡士林作為含水層與隔水層材料。在斷層導水兩側(cè)采用泡沫膠進行了封堵，模型含水層兩側(cè)用石蠟進行密封。地下水由模型左側(cè)注入，沿砂礫巖層滲流至斷層區(qū)域，導水斷層將地下水向采空區(qū)或下部地層形成補給。

模型開采過程為由地面呈斜坡狀揭露煤層，共設計剝離5個階段至最終設計邊坡(圖2)；在剝離開采的第三階段，對斷層破碎帶充填材料進行更換，研究斷層的滲透性對滲流量的影響規(guī)律；在模型左側(cè)面預留注水孔，實現(xiàn)對砂礫巖層的補給模擬，對水壓、水量及滲流時間進行監(jiān)測。

圖2 相似模型圖Fig.2 Similar model

2 邊坡地下水滲流相似模型研究

1) 初始狀態(tài)。斷層破碎帶充填為導水材料(疏松礫石)(圖3(a))，Ⅲ水文單元向端幫邊坡滲流，地下水由左側(cè)沿砂礫巖層(上下隔水)滲流至斷層區(qū)域，通過導水斷層實現(xiàn)對三采區(qū)補給。

2) 第一階段剝離開采，模型右側(cè)地表開始剝離，至16煤層底板，坡率為1∶2.5開采(圖3(b))。左側(cè)地下水通過砂礫巖滲流至斷層，經(jīng)過斷層后向補給至三采區(qū)巖層，地下水滲流路徑為砂礫巖層至斷層向三采區(qū)深部和水平方向滲流。砂礫巖層上下隔水，而地下水通過斷層后水位降低，表明斷層將地下水向?qū)肴蓞^(qū)深度，第一階段開采后未在斷層露頭處未形成滲水。

3) 第二階段剝離開采，到16煤層底板從右向左170 mm處(圖3(c))。地下水在三采區(qū)巖層滲流影響區(qū)進一步擴大，揭露的斷層露頭未出現(xiàn)涌水，表明地下水沿砂礫巖及斷層發(fā)生滲流水頭損失。

4) 第三階段剝離開采，16煤層底板從右向左310 mm處(圖3(d))。地下水在三采區(qū)滲流影響逐漸擴大，影響至Ⅲ水文單元深部地層；在揭露的斷層帶出現(xiàn)涌水，在斷層水頭標高與左側(cè)水位相差為86 mm，左側(cè)邊界至斷層涌水距離630 mm，水力坡降為0.137。該階段將斷層材料分別更換為礫巖、砂礫混合物和細砂，斷層材料孔隙度逐漸減小，揭露區(qū)域3種材料的涌水量分別為174.26 mL/min、64.35 mL/min和36.31 mL/min；3種材料的涌水量最大差為137.95 mL/min，隨孔隙結(jié)構(gòu)減少滲水量減小。

5) 第四階段剝離開采，開采至從右向左444 mm處(圖3(e))。上盤砂礫含水層局部被揭露，砂礫巖含水層在揭露處涌水量為116.19 mL/min，采空區(qū)16煤層底幫出現(xiàn)大面積滲水區(qū)域；斷層材料更換后，在相同時間段，地層深部滲水影響區(qū)域擴大速度大于第一階段、第二階段和第三階段的擴張速度。

6) 第五階段剝離開采，16煤層底板從右向左600 mm處(圖3(f))。 上盤砂礫含水層被全部揭露，地下水滲流穩(wěn)定后揭露區(qū)域涌水量為203.37 mL/min。

3 地下水邊坡滲流模擬研究

三采區(qū)邊坡滲流計算模型，材料為彈塑性、各向同性材料。采用GeoStudio軟件中SEEP/W模塊模擬巖土體穩(wěn)態(tài)滲流問題。模型左側(cè)水力邊界分別設置在580 m、560 m、540 m、520 m、500 m、480 m、470 m和460 m等8種工況下，模擬地下水降深過程，右側(cè)水力邊界為445 m，邊坡底部為不透水邊界，在580 m以下坡面為自有滲流面。

按設計開挖形成邊坡后，將地下水位從初始水頭的580 m降至560 m標高時，坡面出水位置由540 m降至520 m水平，浸潤線在邊坡第三系砂礫巖中，在坡面砂礫巖頂板出現(xiàn)明顯涌水。地下水位分別降至540 m和520 m標高時，在邊坡面分別降至約510 m和505 m水平，地下水滲流主要發(fā)生在15煤層頂板砂礫巖孔隙含水層，浸潤線在砂礫巖層中。地下水位分別降至500 m、480 m、460 m標高時，邊坡面無水，浸潤線在15煤層頂板砂礫巖層中。

左側(cè)水頭分別為580 m、560 m、540 m、520 m和500 m時，在F1斷層和F5斷層兩側(cè)水位出現(xiàn)臺階式躍變，躍變幅度為20～35 m。480 m標高時F1斷層處躍變降低至11 m，F(xiàn)5斷層處躍變?yōu)?3 m。460 m時水位線呈近似水平直線，在F1斷層躍變消失，F(xiàn)5斷層處躍變降至7 m。

由表2可知，坡內(nèi)水位標高為580～500 m時，兩斷層地下水位處于等降深階段，且坡面涌水位標高呈下降趨勢，出水量呈線性下降，水位線形態(tài)沿一定坡度逐漸下降。坡內(nèi)水位標高在480 m以下時，浸潤線接近水平，地下水呈層流狀態(tài)；水位標高在470 m以下時，坡面無水，斷層處躍變逐漸減小。生產(chǎn)要求中需要達到坡面無水，則地下水位需控制在480 m以下，能保證礦坑無水開采狀態(tài)。

圖4 滲流計算模型圖Fig.4 Calculation model of seepage

圖5 地下水滲流模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of groundwater seepage

表2 降深過程中地下水位變化統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of groundwater level changes in the process of drawdown

4 邊坡地下水力坡降分析

通過表2計算結(jié)果對水位線轉(zhuǎn)折點與出水點位置進行分析，坡內(nèi)水位標高為580～520 m時，水位線拐點A(水位線轉(zhuǎn)折點)距坡頂B水平距離X由392.84 m減小至119.57 m，垂直距離Y1由21.05 m增加至152.20 m(圖6)，表明隨水位的降低，浸潤線拐點位置逐漸向坡面偏移，距坡頂距離Y1逐漸增大。 坡面出水點C距水位拐點A水平距離由615.44 m減小至530.89 m，坡面出水點C與浸潤線拐點A的水平相對距離L逐漸減小；C點距離地表B的垂直距離Y2由93.93 m增加至169.24 m，而與拐點A的垂直標高距離逐漸減小，因此，隨地下水位降低邊坡區(qū)域水力坡降逐漸減小，地下水形成的驅(qū)動力越小，對于邊坡穩(wěn)定性越有利；水位降至標高520 m以下時，浸潤線形態(tài)基本趨于水平。

圖6 水力坡降計算示意圖Fig.6 Calculation diagram of hydraulic gradient

由圖7水力坡降變化曲線可知，在水位標高為580～560 m時，水力坡降(Δh/L)變化較大，降水中水力坡降變化較大；而水位標高為560～520 m時，水力坡降呈現(xiàn)為近水平變化，地下水降水主要抽取F1斷層左側(cè)靜態(tài)儲水。水位標高為520～500 m時，水力坡降值出現(xiàn)陡變，在該階段降水為F1斷層與F5斷層間地質(zhì)單元體的儲水。 當水位標高為500 m時，在F5斷層揭露區(qū)域存在小范圍涌水；水位在480 m以下時，坡面無水，浸潤線近似直線型，水頭損失較小，坡內(nèi)水位將能夠處于靜態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

圖7 水力坡降變化曲線Fig.7 Change curve of hydraulic gradient

因此，通過降水過程中模擬研究，在520 m標高以上主要疏干F1斷層左側(cè)地層儲水量，在該階段斷層F1斷層處水位跌落變小；左側(cè)地下水位從580 m降低至520 m過程中，剖面斷面過水量在由739.30 m3/d降低至136.05 m3/d，因此，F(xiàn)1斷層左側(cè)水位控制在520 m標高。通過疏干F1斷層和F5斷層之間地質(zhì)單元體的水位，控制露天礦坡面出水位置。

5 結(jié) 論

1) 通過相似模擬研究了地下水位滲流特征，地下水通過左側(cè)邊坡砂礫巖層滲流至斷層帶，斷層將地下水導向至深部地層，砂礫巖地層中地下水位明顯高于三采區(qū)水位，在斷層兩側(cè)呈現(xiàn)明顯的水位躍變特性。最先滲流至三采區(qū)深部巖層及隔水層以下地層，隨滲流時間增加，滲流影響區(qū)域逐漸向三采區(qū)上部地層擴展。隨含水砂礫巖地層揭露，邊坡滲水量主要為砂礫巖的直接補給。斷層的導水性決定了地下水流動方向，在斷層為大滲透材料砂礫材料時，滲流方向為露天礦坑；斷層為隔水性較好的細粒材料時，滲透方向轉(zhuǎn)向為深部地層。

2) 通過數(shù)值模擬邊坡降水過程，得到了滲流過程中邊坡出水點位置、水力坡降變化、斷層臺階式躍階特征等關鍵信息。其中，水位降深是引起水力坡降與坡面出水點下降關鍵因素。浸潤線在兩個斷層處形成臺階式躍變，首先影響F1斷層處的水位跌落幅度，隨后是F5斷層處。

3) 相似模擬及數(shù)值模擬中，相似模型水力坡降為0.137，而數(shù)值模擬出水水位的水力坡降為0.118，模型試驗和數(shù)值模擬試驗中地下水通過斷層后水位均出現(xiàn)躍變特性。地下水位為初始標高580 m時，兩種研究方式中邊坡出水點水位誤差為11.7 m(礦坑采深為190 m)，通過概化提取的水力坡降分布變化，可為理論計算邊坡穩(wěn)定性提供基礎。

4) 根據(jù)斷層兩側(cè)地下水的躍變特性，地下水控制在500 m標高以下時，水力坡降減低至0.023以下，地下水位變化趨于近水平，滲透力為水平方向。所以，露天礦降水設計方案，可以充分利用斷層兩側(cè)的水位躍變特征，將F1斷層左側(cè)地下水位控制到520 m標高，在F1斷層和F5斷層之間地質(zhì)體內(nèi)設置降水井，實現(xiàn)露天礦坑坡面無水開采。