禾草沟煤矿排矸场地下水渗流规律与盲沟疏排效果研究

2021-03-22苏生瑞姜海波吕远强

河南科学 2021年2期

董福，苏生瑞，朱涛，2，姜海波，吕远强

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710000； 2.陕西地矿九〇八地质环境有限公司，西安 710000；3.中煤西安设计工程有限责任公司，西安 710000）

煤炭作为我国重要的能源产业，长期以来在我国一次能源结构中占据主要地位［1］. 陕北地区煤矿开采规模较大，煤矸石的综合利用率却极低［2］，大部分煤矸石是在黄土沟壑间建立排矸场进行堆放. 山谷型排矸场以现有山谷为基础条件，通过谷底某部位修建尾矿坝与两侧山体共同构成煤矿的排矸场.

目前，许多学者对尾矿坝的排渗技术与方法进行了广泛的研究［3-8］，但对煤矸石堆积体的渗流特征和疏排措施关注较少. 事实上，煤矿排矸场的安全与稳定不仅与排矸场尾矿坝有关，还受煤矸石堆积体的影响.因此，本文以陕西省延安市禾草沟煤矿排矸场为研究对象，采用室内实验和数值模拟方法，分析煤矸石堆积体在不同降雨强度作用下的地下水渗流特征，研究盲沟对煤矸石堆积体中地下水渗流特征的影响规律，评价了盲沟的疏排效果及影响范围. 本文的研究结果可为煤矿排矸场的设计及其以后的安全运营提供科学参考.

1 研究区概况

禾草沟煤矿排矸场位于陕西省子长市神泉峁沟谷内，该地属暖温带半干旱大陆性季风气候，多年平均气温9.6 ℃. 煤矸石经输送机转运至排矸场顶部，经过一定的准运整平清理后，堆积于沟谷内. 同时为了更好地让排矸场在使用过程中产生的淋滤液下渗与疏干，坡面整修和防渗层的铺设阻断了渗沥液下渗至黏土层，由排水盲管和砂卵石反滤层组成的疏排工程，是排矸场内地下水疏排的重要措施.

图1 排矸场基本概况Fig.1 Basic overview of the waste dump

2 排矸场煤矸石物理力学性质

2.1 煤矸石密度及含水率

采用灌水法在排矸场内平台上选取两个坑开展现场密度测定试验，试坑尺寸500 mm×500 mm×300 mm，每个试坑进行3组平行试验. 试验测定数据记录见表1.

表1 煤矸石（含煤泥）天然密度测定记录表Tab.1 Natural density measurement record table of coal gangue（including coal slime）

禾草沟煤矿煤矸石的一个显著特征是具有较高的含水率，煤矸石的含水率不仅关系到煤矸石（含煤泥）的容重，还直接影响着矸石边坡的稳定性和渗透性. 煤矸石天然含水率采用烘干法测定，每组样品进行3次平行试验，煤矸石和煤泥以及二者未分离的样品进行天然含水率测定，统计数据见表2.

表2 含水率测定统计表Tab.2 Statistics table of moisture content determination 单位：%

2.2 煤矸石粒径级配特征

颗粒级配是决定松散堆积体结构和影响堆积体渗透能力的主要因素之一，对试样进行颗分试验后，统计指标见表3，粒径级配曲线见图2. 通过对不均匀系数和曲率系数综合分析，各组样品的不均匀系数均大于5，各组样品曲率系数均在1～3之间. 因此，各组样品均属级配良好，颗粒粒径具有较好的梯度变化.

表3 煤矸石颗粒级配特征统计表Tab.3 Statistical table of gradation characteristics of coal gangue particles

2.3 煤矸石渗透特征

通过对研究区调查，最终确定研究区煤矸石与本次所取C组试样具有较好的一致性. 因此选用C组试样进行渗透试验. C1组样品模拟堆积压密状态，C2组模拟自然堆积状态. 借助TSH051型自循环达西渗透仪，对所取样品分别进行初始渗透系数测定和长时间循环渗透测定. 如图3所示，随时间增加各组煤矸石渗透系数逐渐增大，最终趋近于定值，而且煤矸石经过一定的压实后，渗透系数比自然堆积状态下要小. 最终得到初始渗透系数为1.062 cm/s，饱和渗透系数可达2.76 cm/s. 该规律与浅表层区域的渗透性特征在持续降雨补给作用下的实验结果是一致的.

图2 煤矸石（含煤泥）粒径级配曲线图Fig.2 The particle size gradation curve of coal gangue

图3 煤矸石（含煤泥）渗透系数统计图Fig.3 The permeability coefficient gradation curve of coal gangue

3 不同降雨强度下排矸场地下水渗流数值模拟分析

3.1 地质模型

堆积体的渗流模拟多以纵向剖面为研究对象，研究结论已较为成熟，但研究堆积体在横断面上渗流规律较少. 为了探究横截面上盲沟以及防渗层存在对渗流规律的影响，选取排矸场运行过程中横断面进行模拟计算. 为便于模型计算，将试验矿坑两侧边坡简化为直线，剖面宽度为307.5 m，煤矸石堆积体最大厚度为86.9 m（图4），该剖面能够代表盲沟在全部被埋后的实际情况，能够较好地反映盲沟在深埋情况下堆积体内水分的渗流规律.

图4 地质模型Fig.4 Geological model

3.2 数值模型

分析类型选定SEEP/W 分析模块［13］，设置分析类型为“瞬态”，确定模型比例、工作区域、绘图网格和计算单位，选择起始时间与持续时长. 根据绘制的不同区域，设置有限元区域网格（图5）.

图5 数值模型Fig.5 Numerical model

3.3 定义材料属性

建立模型的主要材料由上至下包括煤矸石、1～4 mm砂砾、20 mm卵石、防渗层及下部黄土层. 材料参数主要由材料的体积含水量函数曲线和水力传导率函数曲线两种水力函数的确定，参数选取结合已有的试验成果和前人的研究经验［9-12］. 其中体积含水量函数利用软件中ESTIMATION METHOD 估计方法，据粒径数据获取，水力传导率函数由Van Genuchten估算方法，通过输入材料的相关参数获取，防渗层及下部黄土层统一设为不透水层，主要材料煤矸石的参数设置如图6和图7.

图6 煤矸石体积含水量函数Fig.6 Volumetric water content function of coal gangue

图7 煤矸石的水力传导函数Fig.7 Hydraulic conductivity function of coal gangue

3.4 边界及初始条件

由于防渗层的存在，模型不涉及地下水补给，边界条件设定主要包括隔水边界（防渗层）、排水边界（速排龙盲管边界）和降雨边界（坡面降雨函数边界）.

以无降雨自然堆积状态下坡体为模拟状态，设置压力水头的空间函数为初始条件.

为获得截面上指定区域的结果信息，在堆积体和盲沟截面上共布设监测点51个，分布如图8.

3.5 模型工况建立

参照前人的研究经验［14-18］并结合研究区的历年降雨规律，建立5种模型工况.

模型1：降雨强度10 mm/d（小雨），模拟周期6 d.

模型2：降雨强度25 mm/d（中雨），模拟周期6 d.

模型3：降雨强度50 mm/d（大雨），模拟周期6 d.

模型4：递减型降雨，第1～2天50 mm/d，第3～4 天25 mm/d，第5～6 天10 mm/d；模拟周期6 d.

模型5：递增型降雨，第1～2天10 mm/d，第3～4天25 mm/d，第5～6天50 mm/d；模拟周期6 d.

图8 监测点布置分布图Fig.8 Layout and distribution of monitoring sites

3.6 矸石堆积体横截面渗流规律分析

模拟降雨开始后在堆积体内出现一条弧状饱和带，该区域类似于干燥土体降雨入渗过程中的“浸润峰”，但不同之处在于这个条带区压力峰值很高，在条带的上部分布有局部的饱和区域，条带下方大范围的堆积体是非饱和状态. 通过对试验后期的观察统计发现，这个条带的出现只是暂时的，不会一直持续存在，参考非饱和土力学中暂态饱和区的定义［19-20］，将这条连续分布且具有很高孔隙水压力峰值的饱和带命名为“暂态饱和带”.

模型1 的降雨条件下（图9），初期堆积体内高程40～70 m 之间形成一条暂态饱和带，随模拟时间的增加，堆积体内的暂态饱和带逐渐转移并形成多个暂态饱和区，然后向下转移至谷底盲沟排出. 由图10 和图11 可以看出，各暂态饱区初步形成的高程是基本确定的，大多分布于高程50 m，最终消散高程约15 m，水分转移周期约3 h.

图9 模型1典型孔隙水压力分布云图Fig.9 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 1

图10 模型1初期暂态饱和带分布规律Fig.10 Statistical diagram of the distribution law of the initial transient saturation zone of model 1

图11 第90～99 h内右翼暂态饱和区中心高程统计Fig.11 Central elevation statistics of the right-wing transient saturation zone from the 90th to the 99th hour

当水分集中在离盲沟约30 m的位置时，水分在堆积体内转移速度加快，并随之消失. 因此可推断出盲沟的直接影响范围大约为30 m，影响范围以外的区域受盲沟影响较小.

在模型2的条件下，通过分析图12、图13和图14可以发现，降雨补给增加，初期形成暂态饱和带的周期减小，水分的转移速度也随之增加，与模型1相比，暂态饱和带出现在更浅层的区域（非坡面位置），说明降雨强度的增加更有利于堆积体浅层部位达到饱和并出现暂态饱和带.

此外，降雨强度的增加导致暂态饱和区的孔隙水压力峰值比模型1大，在相同时间内能够聚集的水分增加，底部聚集的水分更多. 各区域内暂态饱和区转移现象长期存在，而且同样表现出在暂态饱和区转移至高程约30 m位置时，快速向盲沟突变的现象.

图12 模型2孔隙水压力分布云图Fig.12 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 2

图13 模型2初期暂态饱和带分布规律Fig.13 The statistical diagram of the distribution law of the initial transient saturation zone of model 2

图14 第12～20 h内暂态饱和区中心高程Fig.14 Statistics of the central elevation of the transient saturation zone from the 12th to the 20th hour

在模型3建立了降雨补给增强的条件下，前期出现暂态饱和带的高程比模型2要大，转移速度也更快，且只存在一条暂态饱和带. 如图15（d）所示，随模拟时间的增加，暂态饱和带分部高程呈现波动状.

在其他暂态饱和区转移现象明显的区域中孔隙水压力集中分布的现象更为明显，且面积有所增大，能够长期存在. 此外，暂态饱和带的最低延伸高程突破高程为20 m的深度，但暂态饱和带分布于高程为30 m的区域依然占据很大的比例，充分印证了盲沟的排泄能力的直接影响范围约30 m.

模型4建立了递减型降雨，降雨前期48 h内与模型3在降雨前期48 h内具备一致的规律.

降雨48 h以后，雨量开始减弱，在盲沟直接影响范围以外的中部区域，孔隙水压力出现一段时间内呈增大趋势，随后出现下降趋势，最终至稳定，而盲沟直接影响范围内孔隙水压力出突降，随后出现孔隙水压力的波动（图16）.

图15 模型3孔隙水压力分布云图Fig.15 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 3

第二次降雨减弱后，对渗流场中部的影响更大. 如129号监测点（图17），孔隙水压力原本在降雨92～96 h 时已呈下降趋势，却在降雨97 h降雨强度减小后突然大幅增加，且维持一段时间后才开始下降. 这表明在盲沟能够正常发挥排泄作用的情况下，降雨强度的减弱对堆积体的中部影响较大，主要表现为水分在堆积体中部聚集，可能出现短暂的暂态饱和带（图18）. 此外，渗流场的变化还表现在饱和区范围扩大.

图16 模型4在第44～53 h时监测点数据统计图Fig.16 Statistics of monitoring sites from the 44th to the 53rd hour of model 4

图17 129号监测点降雨第92～100 h时孔隙数据统计Fig.17 Statistics of pore data from the 92nd to the 100th hour in monitoring site No.129

图18 模型4孔隙水压力分布云图Fig.18 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 4

模型5 建立了递增型降雨模型. 降雨前期48 h内与模型1降雨前期48 h内具备一致的规律.

在降雨强度第一次增强时，堆积体同样能够很快做出响应，不同之处在于此时堆积体内孔隙水压力普遍增加，但增加幅度不大（图19）.各检测点的数据均有上升趋势，浅层部位检测点上升幅度更大，这是因为降雨强度的增加首先影响堆积体浅表层且影响时间最长.

第二次降雨强度增加后，堆积体内中部孔隙水压力降低，而在99 h 才开始表现局部增加（图20）. 这是由于在第二阶段末期堆积体中水分已经大量聚集在盲沟的排泄能力范围附近，所以在下一阶段盲沟发挥排泄能力，将水分转移出堆积体，进而表现出孔隙水压力的下降.

图19 模型5在第44～54 h监测点孔隙水压力统计图Fig.19 The statistics of pore water pressure at the monitoring sites from the 44th to 54th hour in model 5

相比均匀性的降雨补给，由于不同降雨强度的周期均缩短至2 d，递减型降雨工况和递增型降雨工况的模拟过程的差异性主要表现在雨强发生改变后的一段时间内. 两种变化型降雨过程中强度的变化周期均大于前述3种工况形成稳定渗流场的时间，但是整个过程中渗流场的变化规律并不是前述3种均匀降雨工况的简单叠加. 尽管降雨初期的规律性与对应雨强的持续型降雨规律表现一致，但是第二、第三阶段的渗流场在前一阶段的基础上受到了一定的影响，递减型的降雨过程中后续阶段渗流场受到前一阶段的影响更大，其中主要影响区域位于堆积体的中部.

图20 模型5孔隙水压力分布云图Fig.20 Pore water pressure distribution cloud map of model 5

盲沟的存在，在一定程度上调整了堆积体内水分转移的规律和周期，其中水分聚集在盲沟附近并快速排出是一个关键的转折点，它能很好地调控盲沟直接影响范围内的水分转移规律，形成一定范围的非饱和区域，进而促进上部水分向谷底区域转移入渗.

4 盲沟排泄效果分析

4.1 定性评价分析

通过图21对比各工况下同一监测点的孔隙水水压力变化情况，随降雨强度的增加，前3种模型监测点孔隙水压力出现突变的时间逐渐提前，而且突变频率也随之增加. 从监测点孔隙水压力下降的阶段分析，当监测点处孔隙水压力持续下降时，降雨强度越弱孔隙水压力的突变差值越大，说明盲沟在降雨强度较弱时所表现的排泄能力是足够强的，排泄效率较好. 而降雨强度增大后，孔隙水压力的减小过程时间会延长，而且期间孔隙水压力下降的幅度会越来越小，说明在降雨强度很大时，盲沟的排泄效率发挥到最大后，排泄能力略显不足，堆积体中含水量的下降速率较慢，水分可长时间在沟谷底部汇集.

图21 监测点孔隙水压力变化曲线Fig.21 Change curve of pore water pressure at monitoring sites

4.2 定量评价分析

在整个模拟过程中，每种工况均发生多次孔隙水压力突降，有的甚至表现为负孔隙水压力，而且整个过程的数据点较多，将所有工况监测点孔隙水压力的变化曲线绘制在一起无法直观展示其变化规律. 因此，根据孔隙水压力与体积含水量之间的对应关系，将孔隙水压力下降视为盲沟在这段时间内发挥排泄能力，建立连续两步内孔隙水压力下降比作为评价盲沟排泄效率的方法. 当下降比小于0，认为这段时间内盲沟的排泄效率较低，水分在此处聚集无法及时排泄；当下降比为0%～30%即为排泄效率正常；当下降比为30%～60%即为排泄效率一般；当下降比为60%～80%即为排泄效率合格；当下降比大于80%即具备优秀排泄效率（表4）. 定义N为整个模拟过程中两步内孔隙水压力出现下降比为某一等级的总次数，统计确定各工况的N 值，得到图22. 通过图22 的分析可知：不同工况下，在盲沟能够发挥排泄作用时，排泄效率大部分都处于优秀等级，这与盲沟内高渗透性的填充材料密切相关，同时印证了前面关于水分转移至盲沟直接影响范围内会发生突降的现象；但大部分时间内盲沟不具备很好的排泄作用，这主要与堆积体的厚度和降雨强度有关. 降雨强度越大，盲沟具备优秀排泄效率所占的比例越大，而递增型降雨强度中盲沟的排泄效率会比递减型降雨更高. 这说明当水分能够到达盲沟的直接影响范围内后，盲沟就可以很好地将水分排泄出堆积体，因此需要尽量缩短坡面到盲沟直接影响范围的距离或者采用其他方式加速水分在盲沟直接影响范围外的渗流过程.