高密度电法在露天矿含水边坡探测中的应用研究

谢世英，张永贵，裴桂淼，刘国兴，韩 流

(1.内蒙古煤炭地质勘查(集团)一五一有限公司，内蒙古 包头 014000； 2.北方魏家峁煤电有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000； 3.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

水是诱发边坡变形失稳的主要因素之一，据统计，露天矿90%以上的滑坡破坏与水有关。富水边坡对露天矿生产、安全影响极大，开采过程中不断渗水会影响爆破、采掘和运输效率；水在边坡中渗流会对岩体产生物理、力学方面的综合影响，一旦诱发边坡变形、失稳将严重威胁人员和设备安全。因此，治理此类边坡的重点是准确查找边坡内的水源分布，而后采取有效的疏排措施，使边坡稳定性系数达到安全范围。

地下水源分布探测是一项专业性强且十分复杂的工作，常采用瞬变电磁法、高密度电法、电阻率法等专业的地球物理勘探方法[1]进行探测。方志雄[2]应用可控源音频大地电磁法获取了煤层气井排采过程中煤储层水系统动态变化和煤层气开发过程波及的范围；刘子卿[3]在对隧道含水层的水量进行预测时，成功使用了激发极化法；张来福[4]应用瞬变电磁法对接收到的信号进行分析处理，重建接地网及周围介质的结构，实现地下超浅层接地网反演成像；谢伟[5]将高密度电阻率法应用于煤矿含水层突变构造探测，准确地发现了异常的含水构造，规避了矿井透水隐患，创造了显著的安全效益。房浩等[6]应用电阻率测深方法精准高效探测其残坡积层厚度，并为东南沿海地区开展类似探测工作提供技术参考与借鉴。由于高密度电法对于探测采空区范围、小煤窑巷道、主采煤层及其边坡富水性等方面响应良好[7]，且在野外作业时可智能采集数据，能在短时间内完成数据采集，具有生产效率高、数据采集量大、观测精度高、地质信息丰富等特点[8]。本文尝试将高密度电法迁移应用于露天矿含水边坡探测中，以期实现对边坡内部水源赋存情况的准确探测，为后续的边坡稳定性评价和疏干防治方案提供技术支撑。

1 工程概况

魏家峁露天煤矿位于准格尔煤田东南部，主采6号煤层，为单一近水平厚煤层，煤层平均厚度18m。剥离生产工艺为单斗卡车间断工艺，采煤生产工艺为半连续工艺，设计生产能力6Mt/a。矿区大部分被第四系黄土和风积沙覆盖，局部梁顶或者冲沟处有基岩出露。魏家峁露天煤矿2009年开工建设，目前已形成工作帮、非工作帮、内排土场等边坡。其中，工作帮边坡上部黄土台阶高度为8m，台阶坡面角为65°，下部岩石台阶、煤层台阶高度均为16m，台阶坡面角为70°。

随着露天煤矿工作帮的不断推进，工作帮边坡逐渐发生后缘下沉、前缘底鼓等现象，2020年的雨季过后，工作帮1112—1120台阶坡面有大量水与稀泥涌出，各台阶出现裂缝，并伴随台阶沉降，后期最大沉降量达2.5m，沉降范围不断扩大，且下部台阶错落式沉降加剧。经实地勘察，该区域位于古河床，有丰富的地下水，因沟壑发育汇聚了大量地表水。

魏家峁露天矿工作帮滑坡变形主要受地表水、地下水影响[9]，地表水主要来自于大气降水和地表径流，地表水入渗会造成边坡岩土体内部孔隙水压力增加[10]、容重增大，并导致饱和土的抗剪强度降低[11]。地下水渗流会持续产生水压力和渗透力，改变岩体内部的应力结构，并且水位线以下的岩体长期处于饱和状态。水渗入不透水岩体的裂隙、结构面会产生扩张力，并对上部滑体产生浮托力，同时起到润滑作用，降低滑面的摩擦系数，增大岩土体失稳的几率。

本文针对魏家峁露天煤矿边坡出水诱发的边坡滑坡、失稳问题进行研究，通过对地层内部含水层的准确探测，建立边坡模型，分析水影响下的边坡稳定性，并结合分析结果提出地下水防治措施[12-16]。通过上述研究工作，降低水对魏家峁露天矿边坡的影响，提高生产作业安全性。

2 高密度电法探测水源分布

2.1 高密度电法原理

高密度电法通过测定电流在地层中的传导分布规律，并根据其分布情况反演各区域的电阻率差异，结合水对电流传导的影响，进行地下水位置的预测。高密度电法测试的效率、精度与电极管数量有关，电极管布置间距与精度需要有关，此次含水边坡探测中一次性布置60根电极管，测点在断面上呈倒梯形分布，待接通电源后，通过周期性调整电源的正负极或电极转换开关，实现电流的双向流动，电极管在供电的同时进行测量，获取不同时刻、不同位置的电流数据，如图1所示。

图1 高密度电法工作原理

利用WGMD-4测量系统物探，采用温纳装置进行观测，将两个测量电极分别布置在两个供电电极连线的1/3和2/3位置处，此时，电极之间的距离是相等的。逐渐增大电极之间的间距，可以使得测量区域的深度更大，即实现对更深位置的电阻率测定，当地层发生突变时，在对应的层位电阻率会相应的发生变化，利用岩层与水层的电阻率差异，即可判定含水层的深度。

2.2 测网布设

根据魏家峁露天矿工作帮边坡变形范围及边坡出水情况，共设计了8条高密度电法剖面，每条测线长300m，每条测线60个测点，分别位于工作帮1144平盘、1152平盘、1160平盘，测线号分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6、 P7、P8。测线所在位置在未建矿前有低洼水塘存在，该区域的地表和地下水汇集丰富，且纵向补给良好，露天煤矿正向西南推进到该位置，非常有必要对该区域的地下水赋存情况进行勘察，为边坡稳定性的准确评价和安全防治提供有力的基础数据支持。

2.3 反演计算及判释含水地层

2.3.1 反演计算

利用RES2DINV软件对电极采集的数据进行反演计算，将电极采集到的原始数据导入程序，对数据进行编辑与合成，剔除数据曲线中的噪点等异常数据，再进行电阻率的反演计算，并展示成渐变图谱。魏家峁露天矿变形失稳边坡均为已剥离水平地形，边坡由黄土与红土两层组成，反演计算中受地形影响小。

2.3.2 判释含水地层

含水地层判释的依据主要为反演电阻率断面图，将断面图的色谱分布与地层结构相对照，综合判断地层分界线和含水层的位置，根据剖面电性特征对各个剖面解释如下：

1)P1、P4剖面相关地质情况判释。P1和P4剖面都在1144平盘上，极距5m，线长300m，方位27°。P1剖面供电时间为500ms，P4剖面为200ms。P1和P4剖面的测线曲线形态基本一致，P4剖面的反演结果更具有代表性，P4剖面第5次迭代反演电阻率断面图如图2所示，由图2可见，视电阻率幅值特征在纵向上可将剖面大致分为三个区域。其中，第Ⅰ区域在横向185～300m，视电阻率在50～150Ω·m之间，呈现中高电性特征，该层反映的是地表黄沙土的物性特征；第Ⅱ区域电阻率呈高电阻特征，视电阻率在150～900Ω·m之间，推测该层为下部红泥及粗砂基岩隔水地层反应所致；第Ⅲ区域视电阻率呈低电阻特征，范围在10～40Ω·m之间，第Ⅲ区域与第Ⅰ、第Ⅱ区域视电阻率特征高低区分明显，结合实地勘查，推测该区域为含水层。

图2 P4剖面反演电阻率断面图

2)P2、P5剖面相关地质情况判释。P2、P5剖面都在1152平盘上，剖面线长300m，极距5m，P2方位24°，P5方位27°。P2剖面供电时间为500ms，P5剖面为200ms。对比P2和P5两条测线的反演图谱的电阻率分布形态较为相似，P2剖面反演电阻率断面图如图3所示，P2测线所在剖面的反演电阻率图像可以分为三个典型的区域，其中，第Ⅰ区域在纵向0～20m，视电阻率在30～600Ω·m之间，呈现中高电阻特征，是地表黄土电性的主要特征；第Ⅱ区域电阻率呈高电阻特征，视电阻率在60～900Ω·m之间，推测该层为隔水地层反应所致；第Ⅲ区域视电阻率呈低电阻特征，范围在10～30Ω·m之间，第Ⅲ区域与第Ⅰ、第Ⅱ区域视电阻率特征高低区分明显，结合实地勘查，推测该区域为含水层。

图3 P2剖面反演电阻率断面图

3)P3、P6剖面相关地质情况判释。P3、P6剖面都在1160平盘上，剖面线长300m，极距5m，P3方位24°，P6方位27°。P3剖面供电时间为500ms，P6剖面为200ms。P3和P6测线的剖面形态较为相似，P6剖面反演电阻率断面图如图4所示，由P6测线的反演图谱可知，电阻率呈现典型的三带区域划分。其中，第Ⅰ区域在纵向0～24m，视电阻率在30～150Ω·m之间，呈现中高电阻特征，该层是地表黄土物性特征；第Ⅱ区域电阻率呈高电阻特征，视电阻率在100～300Ω·m之间，按照电阻率特征推测该位置为隔水地层；第Ⅲ区域视电阻率特征在10～30Ω·m之间，属于低电阻，结合实地勘查，推测该区域为含水层。

图4 P6剖面反演电阻率断面图

3 地下水对于魏家露天矿边坡的影响评价

3.1 地下水对边坡稳定性的影响评价

通过采用高密度电法勘探了魏家峁露天矿南帮边坡的地下水深度，并结合实地勘察进行校核，确定了该露天煤矿首采区内地下含水地层的流向和深度，结合各剖面的地下水位深度，可以大致确定地下水的流向为自西向东方向，而且西部水头高、东部水头低，这个方向将会对西帮边坡稳定性产生较大的影响。西帮边坡是排土场与采场端帮形成的复合边坡，其成分复杂，边坡高度大、角度陡，而且对于采场下部的作业安全产生直接影响。根据魏家峁露天矿的岩土力学试验及以往研究稳定性评价报告中的各力学强度参数，综合分析岩石抗剪强度试验成果和节理岩体综合抗剪强度评价，推荐使用的边坡稳定性分析的综合岩石力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数推荐值

采用GEO-slope软件建立边坡数值模拟，整个模型的尺寸为高度260m，长度620m，包括5个排土场台阶和9个采场台阶；排土场台阶高度为20m，采场台阶高度为16m；模型中的地层按照钻孔柱状图中的地层分布依次赋上对应的物理力学参数。水位线以上的煤岩体采用天然强度，水位线以下则采用饱和强度。

对于西帮复合边坡的分析采用极限平衡原理中的Morgenstein-Price法，该方法对相邻条间作用力的假定，给出了条间合力的作用位置，但改变条间合力的作用方向以求得最佳解和满足滑动面法向和滑动面方向力的平衡及对底滑面中点的力矩平衡，相比于瑞典条分法、Bhishop法等方法考虑的因素更全面、合理。

对西帮边坡进行稳定性分析，得到了不考虑地下水影响下的现状稳定系数Fs=1.373，如图5(a)所示，满足长期稳定要求。按照高密度电法测定的地下水位高度，将水位线加入到边坡稳定分析中，地下水位在露天采坑附近会形成降水漏斗，因此，水位线分布呈现与边坡形态贴合的连续变化趋势。对于水位线以下的岩体，采用饱和强度参数，通过分析得到考虑地下水影响下的边坡稳定系数Fs=1.062，如图5(b)所示，接近于极限平衡状态，如果该区域受到爆破震动、设备荷载等外部因素的影响，极易发生失稳滑坡。因此，有必要进行地下水防治措施的研究。

图5 西帮边坡稳定性评价结果

3.2 地下水防治措施

在露天矿西帮边坡采用疏干井进行地下水位的疏降，可以有效降低边坡地下水位高度，现场布置了G1和G2两个疏干孔，具体坐标分别为(X：525054，Y：4377130)、(X：525158，Y：4377031)。在1144平盘上，综合P1、P4剖面工作成果可以看出含水层在中心点深度40m见底板，因此布设一个抽水输干降水孔，孔深设计45m，有效解决了该区域出水的问题。在1160平盘上，综合P3、P6剖面成果显示中心点位置视电阻率最低，由于高密度探测深度影响没有测到含水层底板，经过现场勘查并结合地质资料分析布设一个抽水输干降水孔，孔深设计65m，有效解决了该区域出水的问题。通过连续抽水输干使得降水孔内部的水头高度下降10～15m。根据下降后的水位高度将边坡内部的水位线下降10m，修正边坡分析模型并再次进行稳定性分析，得到边坡稳定系数Fs=1.207，如图6所示。按照露天矿边坡设计规范，该稳定系数可以保持中长期内的安全稳定，满足魏家峁西帮边坡在服务周期内的安全需求。由此说明，通过抽水输干降水孔可以很大程度上消除魏家峁露天煤矿首采区由于边坡出水导致的滑坡、塌陷等安全隐患。

图6 地下水疏降之后的稳定性

4 结 论

1)分析了魏家峁露天矿的水文地质条件，选择采用高密度电法进行地下水勘探，在魏家峁露天煤矿地质模型的基础上，设计并施工了8条高密度电法剖面，选取了WGMD-4型高密度电阻率测量系统进行物探工作并使用温纳装置进行观测，利用高密度二维反演软件RES2DINV处理数据，绘制了反演电阻率断面图。

2)根据图中电阻率，对地层分界线及岩体的破碎、软弱或含水情况进行判释。确定了测线上的隔水层位置。在西帮选择一个典型剖面，剖画出复合边坡模型，并进行边坡稳定性评价，得到现状边坡稳定性为1.373，满足长期稳定性要求；考虑地下水影响的边坡稳定性为1.062，接近于极限平衡状态。

3)在现场布置了G1和G2两个疏干孔，并进行疏干排水作业，有效降低了该位置的地下水高度达到10～15m，边坡稳定系数提高至1.207，有效解决了该区域出水和边坡潜在滑塌失稳的问题。