泥岩及泥岩弱层含水率对顺倾软岩基底内排土场稳定性影响研究

2021-06-18赵贵彬封海洋李金典3

现代矿业 2021年4期

赵贵彬封海洋韩猛李金典3

（1.内蒙古大雁矿业集团有限责任公司扎尼河露天矿；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.煤矿安全技术国家重点实验室）

露天煤矿边坡失稳的原因多种多样，但其中水对露天煤矿边坡的影响不可轻视。其主要作用是地表水及地下水的渗入，使土体吸水饱和后容重增加，整体强度降低，从而增大边坡下滑力、降低抗滑力，以至于边坡的稳定性系数降低。含水率是影响露天煤矿边坡稳定性的重要因素，对露天煤矿的安全生产极为重要［1-2］。而内排土场作为露天煤矿的重要排土场地，其边坡的稳定性尤为重要。但随着水的渗入，会对泥岩及泥岩弱层产生浸泡，使其处于充水状态，导致内排土场稳定性降低，因此很有必要对泥岩及泥岩弱层含水率与顺倾软岩基底内排土场稳定性的关系进行研究。

本研究以内蒙古某露天煤矿为例，针对泥岩及泥岩弱层含水率与顺倾软岩基底内排土场稳定性的关系展开研究，进一步揭示泥岩及泥岩弱层含水率对内排土场边坡稳定性的影响机理，并提出合理的防治水措施，对类似露天煤矿地表水及地下水的防治具有一定的参考价值［3-4］。

1 工程概况

1.1 自然地理

研究区域属于天山—兴蒙地槽系中的兴安地槽东北段北带边缘的一部分，区内地貌形态属于侵蚀、堆积与低缓丘陵地形的过渡地带［5］。地势总体是南高北低，海拔标高为626～687 m，地貌单元属冲积平原类型，地势相对平缓。

由东向西流经本区北部的老年期河流海拉尔河为地表主要河流，存在较多分叉合并现象，牛轭湖较发育，最小流量为0 m3/s，最大流量为1 590 m3/s，平均流量为65.4 m3/s；另有分布于西区煤田东部、中部和西部的布洛莫也沟、顺河、扎尼河3条季节性河流，由南向北流经本区注入海拉尔河，平均流量为0.014～0.125 m3/s［6-7］。

1.2 工程地质条件

该区域位于大雁煤田西区，存在一组向斜构造，构造形态为椭圆形盆地，该矿受向斜构造影响，采场边帮多为顺倾边坡，易发生边坡问题。地层自下而上分别为泥盆系上统大民山组（D3d）、白垩系下统龙江组（K1l）、白垩系下统九峰山组（K1j）、白垩系下统甘河组（K1g）、白垩系下统大磨拐河组（K1d）、白垩系下统伊敏组（K1y）及第四系（Q），其中含煤地层为中生界白垩系下统伊敏组（K1ym）及大磨拐河组（K1d）地层。

9#煤层和10#煤层为该矿可采煤层，煤层顶底板岩性为泥岩、碳质泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩。矿区地下水充沛且降雨较多，工程地质及水文地质条件较差，岩土物理力学指标低，属于软岩边坡。其中第四系黏土层、9#煤层及10#煤层顶底板泥岩均存在潜在弱层。该矿内排土场地质模型如图1所示。

1.3 水文地质条件

该矿含水层主要为第四系孔隙潜水含水层及煤岩层裂隙含水岩组，其中第四系孔隙潜水以砂砾含水层为主。稳定水位标高在623.56～630.95 m，涌水量为0.030～0.518 L（/s·m），渗透系数为33.42～205 m/d，平均渗透系数为75.1 m/d，平均水力坡度为0.8%。9#煤层和10#煤层中的裂隙水为煤岩层裂隙承压水，在该区普遍发育，含水岩组厚度以9#煤层、10#煤层厚度为主，9#煤层为强富水性地层，局部属弱富水性地层，含水层底板标高为393.03～579.97 m，平均水力坡度为1.6%，渗透系数为0.434～2.61 m/d。平均渗透系数为1.52 m/d，平均厚度为33.63 m，涌水量为0.184～1.232 L（/s·m），渗透性好。10#煤层含水层富水性较9#煤层差，厚度较薄。

2 岩土物理力学性质研究

岩土体物理力学性质是项目研究的主要基础资料，要搞清岩土体的物理力学性质需要进行大量的试验研究，因此需要大量的钻探取样与试验。该矿自建矿以来，开展了大量的岩土体物理力学参数测试与实验研究工作，积累了丰富的基础研究数据和研究成果，通过对已有岩土物理力学性质资料的分析发现，该矿泥岩及泥岩弱层平均含水率为28.12%左右，根据不同含水率剪切试验成果，建立泥岩及泥岩弱层含水率与黏聚力及内摩擦角之间的相关关系图，并进行多项式拟合（虚线为拟合曲线），见图2～图5。

根据泥岩及泥岩弱层含水率与黏聚力及内摩擦角相关关系图可知，含水率与黏聚力及内摩擦角均呈负相关关系，即随着含水率的增高，泥岩及泥岩弱层的黏聚力及内摩擦角均减小。

3 泥岩及泥岩弱层含水率对内排土场边坡稳定性影响

极限平衡法是边坡稳定性评价的常用方法，又称条分法，主要思想为假设存在潜在的滑动破坏面，并将滑体划分为若干条块，通过对每个条块的静力平衡方程来建立整个滑体的平衡方程，并将潜在滑面上的抗剪力与剪切力之比作为潜在滑体的稳定性系数。随着极限平衡法的发展，出现了很多更为简化的方法，例如Bishop法、Ordinary法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-price法、Sarma法、不平衡推力法及传递系数法等［8-9］。针对本次研究，选择用Morgenstern-price法来计算泥岩及泥岩弱层不同含水率下对应的边坡稳定性系数［10］，该方法考虑了全部平衡条件与边界条件，来消除计算方法的误差，使得计算结果更加精确。

该矿在2021年随着内排量的增加，内排土场设计排弃至674 m水平，2022年随着采场的持续向西推进，内排土场也逐步向前跟进，内排土场边坡角逐步增大，现就2021年及2022年内排土场设计边坡进行稳定性分析。通过对设计边坡的稳定性验算可知（图6、图7），现状条件下边坡沿基底滑动的边坡稳定性系数Fs分别为1.083和1.087，均小于内排土场安全储备系数1.1的要求［11］，边坡处于基本稳定状态。但现状条件下泥岩及弱层的含水率均在28.12%左右，水的存在使泥岩及弱层的容重增大，强度降低，从而使边坡稳定性系数下降，若对内排土场进行疏干排水，可降低泥岩及弱层的含水率，从而提高边坡的稳定性。

根据泥岩及泥岩弱层与黏聚力及内摩擦角的拟合曲线求出拟合方程，并根据拟合方程计算各含水率下的黏聚力及内摩擦角。经计算当含水率降至27.3%时，泥岩黏聚力提升至15.17 kPa，内摩擦角提升至10.25°，泥岩弱层黏聚力提升至7.17 kPa，内摩擦角提升至11.25°，此时2种设计边坡沿基底滑动边坡稳定性系数Fs分别为1.115和1.110，内排土场边坡达到稳定状态。

4 内排土场防排水措施

（1）在内排土场上部650 m水平靠近地下连续墙端头的位置，以间隔50 m的距离设置5口疏干降水孔［12］，截住部分第四系及煤层露头区域的地下水。

（2）在内排土场中部590～600 m水平靠近10#煤层的平盘挖掘沟槽，至10#煤层底板以下至少1 m，设置管状疏水沟，截流10#煤层含水层向下游径流。通过对地质剖面的研究，东帮的管状疏水沟需分2段来设置，靠近北侧一段长193 m，水流流向北，在北侧修建一条排水明沟，将管状疏水沟收集的地下水排至坑底，同时排水明沟设支沟与东帮出水点相接，排干出水点处的积水；南侧一段429 m，水流流向南，在南侧尽头设置集水井［13］，收集地下水后排出（图8）。

（3）在内排土场下部开采出其下部的煤柱，再在东侧终端坡面煤壁上设置水平钻孔，在煤层底板上设置层状疏干盲沟［14］。