烧变岩边坡渗流特征及采动稳定分析研究

2021-08-31赵锦生郭夏飞

中国煤炭 2021年8期

李超，闫杰，赵锦生，李伟，郭夏飞

(1.国家能源集团神华国能大南湖二矿，新疆维吾尔自治区哈密市，839000；2.煤炭科学技术研究院有限公司安全分院，北京市朝阳区，100013)

边坡稳定性的影响因素很多，如边坡几何因素、边坡岩性及岩体结构、地下水等[1-3]。其中，地下水的渗透作用往往是边坡稳定至关重要的因素[4-6]。地下水在渗透压力的作用下，可能带走松散岩层、断层破碎带和其他软弱结构面中的细小颗粒，土体中的渗流作用会促进岩土体结构破坏；地下水渗流还可使粘土质岩石软化、泥化，降低岩体强度，造成坡体失稳[7-8]。尤其对于一些岩性较为特殊的边坡，水对边坡的影响更为突出[9-10]。边坡失稳的根本原因在于坡体内部某个滑动面上的剪切应力达到抗剪或抗拉强度，稳定平衡受到破坏。而剪应力达到抗剪强度的原因有2个方面：一是由于剪应力的增加，二是因为土体本身抗剪强度的减小[11-12]。

国家能源集团神华国能大南湖二矿(以下简称大南湖二矿)首采区南侧存在火烧区，火烧区中赋存大量地下水。随着首采区南端帮不断推进，火烧区地下水对边坡稳定性的影响愈加明显。本文以大南湖二矿首采区南端帮边坡为研究对象，对地下水渗透特征及边坡稳定性进行研究。

1 大南湖地质条件及火烧区水文地质特征

大南湖二矿首采区内地层自下而上依次为：侏罗系下统三工河组、侏罗系中统西山窑组、头屯河组、古近系、新近系、第四系。岩层以泥岩、粉砂岩、细砂岩、炭质泥岩及煤层为主，夹中粒砂岩及砂砾岩。首采区可采煤层为10层(16号、18号、19号、21号、22号、22下号、25号、28号、29号、30号煤层)。火烧区位于首采区南端帮外侧，地面标高为414.03～454.35 m，火烧区平面呈椭圆形，长轴约为4.5 km，长轴方向与首采区南端帮走向一致，矿坑设计采深约150 m。

火烧区利用磁法、钻探、测井及二维地震等方法确定火烧面积为4.45 km2，烧变岩底板标高为183.60～393.04 m。火烧区初始水位标高为406.61～406.91 m，单位涌水量为3.598 6～9.045 1 L/(s·m)，渗透系数为1.52～4.99 m/d。该矿区地处戈壁荒原，地下水补给能力极微弱，火烧区地下水以储存量为主，估算含水量达50.0 Mm3，是富水性极强的独立含水单元。

2 南端帮边坡地下水位分析

通过南端帮5口水文观测井数据，分析地层中的渗流水头与距离关系，从而确定边坡区域地下水的水力坡度。现场补充钻探水井位置如图1所示，边坡水力坡降统计情况见表1。

图1 现场补充钻探水井位置

表1 边坡水力坡降统计情况

通过表1可知，SW02水井与SW03水井相距100 m，水位标高相差为14.2 m，2个水井间水力坡降为14.2%，坡降角为8.1°；SW04水井与SW05水井相距100 m，水力坡降为22.7%，坡降角为12.8°；SW03与火烧区相距200 m，区段水力坡降为8.73%，坡降角为5.0°；SW02和SW04井与火烧区间坡降角较小，可忽略。

3 南端帮地下水渗流模拟及边坡破坏特征

3.1 烧变岩边坡渗流模型

根据现场水文和地质资料，选取剖面建立地下水渗流模型，模型长为575 m、地面标高为437 m，现场共有6层可采煤层，其中22号～25号煤层之间主要为泥岩层组，25号～28号煤层之间为砂岩层组。模型左边界水头边界为+340 m，右边界水头边界为+400 m，SW02水井水位标高为397.4 m，SW03水井水位标高为383.4 m，+365水平坡面以下为渗水边界，模拟火烧区地下水对端帮边坡的渗流规律。现场水文实测线、地质模型及地下水位模拟浸润线如图2所示。

3.2 渗流场模拟研究

为了研究烧变岩边坡地下水渗透特性，建立边坡渗流计算模型，模型采用自由网格划分法进行网格划分。选取边坡渗流计算材料为各向同性材料，坡体后缘设置标高400 m的定水头，边坡前缘设置标高为357 m的定水头，坑底及一级台阶坡面设置单位流量为3×10-6m/s，模型底部边界设置为不透水边界。边坡渗流计算模型如图3所示。

图2 现场水文实测线、地质模型及地下水位模拟浸润线

图3 边坡渗流计算模型

现场测试水位与模拟水位相近，模拟的水力坡降的坡降角为10°，22号煤层以上渗流水力坡降的坡降角变化较缓仅为3°。模拟水位在22号～25号煤层之间厚层泥岩层中形成水位差(图4中圈定区域)，现场水文实测中SW03水井与边坡渗水面之间也有较大水位差。在22号～25号煤层之间的地层中，地下水等势线在边坡385～404 m间出现汇聚趋势，此区域地层承受较大渗透力。渗流场水头等势线与流速矢量图如图4所示，水平方向渗流速度云图如图5所示，竖直方向渗流速度云图如图6所示。

图4 渗流场水头等势线与流速矢量图

图5 水平方向渗流速度云图

图6 竖直方向渗流速度云图

在水平方向渗流速度云图中，水平方向流速主要集中出现2处区域：第一区域为25号～28号煤层之间的砂岩层组，为地层中主要渗流通道；第二区域为边坡上部+415水平岩层中。在竖直方向渗流速度云图中，竖直方向流速变化主要集中3个区域，第一区域为烧变岩区域水位至28号煤层之间，表明烧变岩中地下水通过侧向补给28号煤层以上地层；第二区域为采坑下部区域，主要为地下水向矿坑泄排区域；第三区域为21号煤层台阶，地下水水头在该区域出现下降。

通过渗流场等势线及渗流流速分析，渗流引起22号～25号煤层边坡区域等势线出现集中趋势，表明该区域泥岩层组承受较大的渗透力。渗流场在边坡区域形成2处流速变形区域，主要为坡脚区域渗流排泄区和+415 m平盘岩层。

3.3 渗流场与应力场耦合分析

通过耦合渗流场分析可知，在渗流作用下，边坡位移变形在坡面+415 m水平以上台阶区域，为烧变岩区域沉降形成的变形位移，如图7(a)所示。剪应力场在边坡区域形成3个变形区域，第一区域在烧变岩与正常地层界面形成剪应力集中带；第二区域为+415 m水平台阶区域，形成局部下凹型剪应力变形区域，主要为渗流场集中形成剪应力变化；第三区域为沿坡面形成的剪应力集中变形区域，未在坡脚区域形成剪应力破坏变形区域，如图7(b)所示。在剪应变场中，如图7(c)所示，变形发生在烧变岩地下水(+400 m)分界区域，变形主要集中在烧变岩区域，沿+400 m水平影响至局部正常地层。

图7 剪应力场与渗流场耦合

4 地下水渗流影响下边坡稳定性分析研究

4.1 渗流动水压力驱动演化分析

地下水渗流时，作用于岩石固体颗粒上的压力称为动水压力或渗透力。渗流中固体颗粒的阻力，形成地下水的总水头损失、渗透力大小与地下水的沿程损失，流动水体的体积和水力梯度有关，其表达见式(1)：

J=nrwIVw

(1)

式中:J——动水压力，MPa；

n——岩体的孔隙率；

rw——水的重度，kN/m3；

I——水力坡降；

Vw——岩体中渗流部分的体积，m。

在分析地下水稳定时，需要考虑渗流对边坡稳定性影响。南端帮边坡地层为近水平，烧变岩地下水在边帮岩体中形成水平方向渗流，使边坡具备了顺层滑移破坏的条件。通过渗流场模拟分析可知，在泥岩层区域形成等势线集聚趋势，为渗流场中渗透力主要作用区域；坡体沿主要渗流层及坡脚地下水泄排区域剪切变形。同时地下水沿砂岩层出现流动，将形成沿水平方向的滑动面。通过以上分析，确定了渗流场作用大小、渗流的主要作用区域以及边坡滑动形式。

4.2 渗流场作用下边坡稳定性分析

随着开采深度的增加，坡体体积不断增加，坡体内部由于地下水渗透产生的动水压力不断增加，通过式(1)计算可知，坡体动水压力与采深近似呈线性关系。监测火烧区与原岩区交界面处流量可知，随着采深的增加，火烧区地下水向原岩区渗透量不断增加且增速逐渐下降。采用极限平衡分析可知，边坡安全系数随采深增加呈加速下降趋势。边坡稳定性影响因素主要为采深、地下水流量与动水压力，随着采深的增加，地下水增速逐渐减小，动水压力呈线性增加，而边坡安全系数加速下降，因此，采深对边坡稳定性影响呈增加趋势。边坡动水压力变化、火烧区渗水量变化、边坡安全系数变化如图8、图9、图10所示。