内排土场阻水性对非工作帮边坡稳定性的影响研究

孙 江，田 光，韩 流，宋仁忠，韩 兴，闫 石

(1.神华北电胜利能源有限公司，内蒙古 锡林浩特 026000；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

在我国开展煤炭开采活动以来，露天开采因为其成本低、安全性好、采出率高等特点[1-2]得到了快速发展，露天采煤占我国煤炭年产量的比例已经从最初的1%增长到如今的20%[3]。露天矿边坡是由采矿工程开挖地表岩土体所逐渐形成的堆载体，其稳定性是确保工程安全实施的重要基础。边坡高度由于开挖程度不断加深而提高，安全稳定性就会降低。我国大型露天煤矿主要分布在内蒙古、新疆、云南等生态脆弱地区，边坡事故发生后造成经济损失与环境污染，严重制约我国生态文明建设[4-5]。因此针对矿产资源开发而言，就需要充分确保资源回收率，降低生产成本，保证经济效益的同时实时监测和控制边坡稳定性及安全性[6]。

影响边坡稳定性各类因素主要可以划分为内因和外因[7]，内因包括岩体自身组成成分、岩体内部构造应力和地质结构面等自身对边坡产生影响的因素。外因则包括岩石风化、爆破震动、渗流侵蚀及开采活动等一系列外界环境影响。在露天矿边坡滑坡事故中，水对边坡稳定性的影响作用往往会超过其他因素[8-9]。滑坡事故大多发生在雨季、解冻期以及排水方法不当时[10]。不利影响有软化岩石降低强度，静水压力与动水压力作用以及使边坡中亲水性物质遇水膨胀，降低岩体抗剪强度等[11]。岩体中许多构造裂隙互不贯通，分布不规律，使岩体水文条件不易充分掌握，给稳定性分析带来不便。

目前国内外针对渗流活动对边坡稳定性影响已经进行了较多研究，主要有不同降雨条件对内排土场稳定性的影响[12-13]，利用试验模拟和数值模拟方法研究不同孔径、粒径分布下渗透系数变化[14-16]，分析非饱和渗透特性下渗流及边坡稳定性[17-18]。

笔者以胜利露天矿为例进行研究，针对内排土场排弃物阻水性的形成过程进行模拟分析。分析不同内排高度及宽度下非工作帮边坡安全系数变化情况并进行边坡稳定性评价。内排土场稳定性会对采场的排水系统、内排工程正常进行和矿山安全产生影响。因此，对胜利露天矿内排土场边坡稳定性进行研究与分析具有重要的指导意义和现实意义。

1 内排土场阻水性形成原因

排土场是矿物开采过程中剥离出的岩土体排弃形成的巨型人工松散堆载体，是矿山开采活动所产生排弃物集中排放场所,其内部岩土体渗流活动改变会对边坡稳定性产生重要影响。堆载体内部渗流过程较复杂，非饱和渗透系数较难确定。黏土层阻水性质也会推动排土场内渗流场不断变化[19]。

胜利露天矿原始地层中有稳定的含水层和水位线，开挖后形成深凹采场，造成水位线下降，开始内排后，内排物料与原来非工作帮相互衔接，含水层具备了恢复条件。但由于排弃物是混合物料，不符合原始地层分层沉积的规律，因此，含水层无法重构。

内排土场排弃工作不断进行，排弃物回填后，上部排放的软岩排弃物在重力荷载的影响下会对下部沉积物产生压实作用，雨季降水时还会将表层土壤附近的胶结物溶解，随水流渗入到沉积物孔隙中，堵塞土体孔隙通道，如图1b所示，还会将图1c中较小岩土体颗粒带入下方堆载体的孔隙中。

图1 孔隙变化趋势

在露天矿边坡岩层内部渗流活动中，地下水在渗流过程中通常由于摩擦力和黏度的影响，使中心的流速比靠近岩层边缘的流速快，在岩体边缘附近会有一流速快速递增区间，直至平均流速。递增区间厚度受渗流管路摩擦力、黏度等因素影响。管径越大，影响越小。大管的平均流速和中心流速均会大于小管。如图2所示，在截面积相同时，大管流量高于几条小管流量之和。当边坡内岩体孔隙度和渗透率均下降时，通过渗流而经过剖面的地下水随之减少，即在原来非工作帮的邻空面上形成一层较为紧密的具有阻水性质的黏土层[20]。

图2 内排土场边坡剖面图

内排土场岩土随着堆积和压实作用积累孔隙度由上至下逐渐增大，有着类似于图2中所示成层土的渗透特性。受内排阻水效果影响边坡内存在着平行层理渗透方向和垂直层理渗透方向。根据土力学知识，垂直渗透时，各分层渗流量相等，总水头等于各层水头损失之和，垂直方向等效渗透系数计算公式为：

(1)

式中：ky为内排土场垂直方向渗透系数，m/s；H为内排土场高度，m；Hn为第n层土厚度，m；kn为第n层土垂直方向渗透系数，m/s。

平行渗透时各层水力坡降相等，总渗流量等于各分层流量之和。计算公式为

(2)

式中：kx为内排土场平行方向渗透系数，m/s；k′n为第n层土平行方向渗透系数，m/s。

非工作帮地下水向内排土场渗透时较多情况为平行土层渗入，因此模型设计采用内排土场渗透系数为k=kx。分析了内排土场阻水机理形成过程，模拟了不同排土高度与宽度条件下孔隙水压力改变情况以及内排土场边坡安全系数变化规律，为内排土场优化提供建议。

2 岩体力学参数分析

2.1 非工作帮力学参数确定

根据实地调查及露天矿生产岩体基本类型，胜利露天矿周围地质条件较差。边坡稳定性研究中岩体的力学参数参照《胜利露天煤矿滑坡防治技术研究》及《胜利能源有限公司露天煤矿生产补充地质勘探报告》进行选择和确定，见表1。

表1 岩体力学参数

2.2 内排土场力学参数确定

胜利露天煤矿现已全部实现内排，在内排过程中，根据开采方法、排弃方法的不同，排土颗粒组成、密度等均会发生变化，破碎岩体力学性质也随之改变，会对内排土场边坡部分材料力学性质及边坡整体力学性质产生影响。

通过试验探究发现，胜利露天矿岩层中裂隙发育，但6号煤层底板以泥岩、砂岩为主。虽然基底强度不高但未发现明显弱层存在，煤层底板的倾向与工作线推进方向基本垂直，基底岩层的产状对内排土场稳定性影响较小。

经过现场原位试验测定，胜利露天矿内排土场的排弃物在排弃后有较大的黏聚力，尤其是泥岩类排弃物，在台阶的上部，受运输车辆的碾压，密实度很好，黏聚力较大。排土场排弃物料具体参数通过岩土工程试验并参照《胜利一号露天煤矿北帮外排土场增高扩容工程地质勘察报告》中确定，其中：内摩擦角为30.4°，黏聚力为12.8 kPa，容重为18.5 kN/m3。

经计算，确定理论模型排土高度为180 m，角度为26°；内排土场台阶参数为台阶高度20 m，坡面角19°，台阶平台宽度31 m(图3)。

图3 理论计算模型

3 非工作帮边坡渗流模拟

SEEP/W是一种分析岩土体内渗流分布情况，解决非饱和岩体内部渗流问题的有限元软件。用户可以根据现场情况自行定义渗透性系数等各项参数来计算岩土体内渗流路径以及水位线分布情况，分析瞬态渗流或稳态渗流等各项工程问题，再通过与SLOPE/W模块进行耦合来研究边坡、路堤等稳定性随时间的变化关系。由于其应用的广泛性，SEEP/W软件现已成为市场上最主流的用于分析各项工程领域渗流问题的模拟计算软件。

3.1 渗流模拟计算原理

通过利用GeoStudio软件中的SEEP/W模块来模拟分析渗流情况下胜利露天矿内排土场边坡岩体中水位线的分布情况，在得出计算结果后再以SLOPE/W作为子项分析，利用所得的水位线信息进行下一步的边坡稳定性分析评价来研究边坡安全系数的变化规律。SEEP/W稳态模拟分析公式为

(3)

式中:Q为边界流量，m3/s；h为压力水头，m;x为水平方向；y为垂直方向。

3.2 非工作帮边坡稳定性影响分析

现场抽水试验测得内排土场透水性等级为微透水性，渗透系数维持在1.05×10-6～1.76×10-6m/s。设计时，将内排土场渗透系数设置为1.25×10-6m/s，非工作帮内其他土层的渗透系数根据岩性不同设置为4.06×10-6～6.43×10-5m/s。渗透面边界条件根据《中国降水强度国家标准》选取为80 mm/d。

当排土高度在0～180 m时，固定平台宽度为31 m，以每40 m为单位定量增加排土高度，排土高度到达边坡顶部时，再定量增加排土宽度。并通过模拟渗流时的边坡边界条件进行赋值，将地表的边界条件设为渗透面，坡面为潜在渗流面，坡底为零压力面。在进行内排工作前，非工作帮边坡稳定性分析情况以及岩土体内的渗流分布情况如图4、图5所示。

图4 内排前非工作帮稳定性分析

图5 内排前坡体内渗流路径

随着地下水在边坡内渗流程度的不断加深，会对边坡整体的稳定性产生较大影响。通过SEEP/W稳态模拟分析计算可以得到，此时的边坡安全系数为1.386，渗流路径、水位线情况以及各滑移面分布情况如图5所示。

由于内排土场的排弃物是混合物料，经过降水、压实以及内排土场边坡自身重力载荷的影响下，会使排土场内部岩体孔隙度发生变化，随着岩体内部孔隙度不断减小，排弃物就会具有一定的阻水性，即形成了隔水层。隔水层厚度随着排土工程进行不断增加，隔水层所在位置也不断提高。通过SEEP/W和SLOPE/W进行耦合模拟分析。排土高度在40～160 m时边坡安全系数变化情况如图6所示。

图6 排土高度40～160 m边坡安全系数变化

排土高度为120 m时由于内排阻水作用的影响，边坡孔隙水压力分布与初始状态下的孔隙水分布相比浅部地层岩土体饱和度较高，整体地层较为湿润；中间的过渡区域范围增加，孔隙水压力随着渗流深度的增加而增大，其中埋藏较浅地层的孔隙水压力基本都会维持在-10 kPa左右，岩土体接近饱和，局部孔隙水压力状态表现出正值，范围内出现聚集的含水区域即积水现象，如图7所示。而深度较深的地层孔隙水压力较原始地层无太大变化，受渗流作用影响较小。此时，边坡安全系数呈逐渐上升趋势。这是因为隔水层的形成阻塞了非工作帮内部的水源流动。当达到一定高度时，隔水层的物理力学强度会大于一般岩层，使降水在渗流的过程中因为隔水层的阻挡而不能充分下渗。因为距离地表较近，这时一部分降水会从边坡顶部渗出。着隔水层高度和厚度的增加，坡面上方的渗水量不断加大，同时引起坡体内降水渗入量的逐渐减小。从而减小了边坡岩体整体的滑动趋势，边坡安全系数逐渐升高，对内排土场边坡整体的稳定性起到一定的提升作用。

图7 孔隙水压力分布变化

模型中当排土高度达到180 m时，开始定量增加排土宽度。如图8所示，此时的边坡安全系数有逐渐下降并趋于平缓的趋势。这时由于内排土场边坡为混合物料，不符合原始地层分层沉积的规律。

图8 排土宽度增加时边坡安全系数变化

尽管随着堆置时间的延长，在压实，渗流以及自身重力荷载的作用下使岩体内部结构逐渐趋于稳定，但稳定性较原非工作帮边坡仍较差。所以在滑移面从非工作帮边坡转移到内排土场的过程中边坡安全系数会有所下降，并随着转移过程的完成而逐渐趋于平稳。边坡安全系数的整体变化趋势如图9所示。

图9 安全系数变化趋势

4 结 论

1)内排过程中，排弃物因为自身重力荷载的压实作用以及渗流作用的累积影响，随着岩体内部孔隙度和渗透系数的逐渐减小，最终会在原来非工作帮的邻空面形成较为紧密的具有阻水性质的隔水层，阻塞原始地层内部的水流渗出。

2)在排土高度由0增加至180 m的过程中，随着隔水层位置的不断变化，一部分降水会从边坡顶部地表渗出，同时渗入坡体内部的降水量随之减小，孔隙水压力过渡区变化范围增加，局部孔隙水压力为正值，出现积水现象，边坡安全系数由初始状态增长至1.834，稳定性有所提高。

3)当排土高度到达边坡顶部时，随着排土宽度的进一步增加以及原非工作帮边坡滑移面向内排土场逐渐转移，边坡安全系数由最高的1.834回落至1.673，整体呈现出先升高再下降最后趋于平缓的变化趋势。