富水烧变岩边坡地下水渗透特性及稳定性分析研究

2024-01-04王建国刘明明

中国煤炭 2023年12期

王建国，白宇，刘明明

(国能新疆托克逊能源有限责任公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830002)

0 引言

我国煤炭资源储量丰富，随着煤炭资源的不断开发，许多露天煤矿转入深凹开采阶段，边坡稳定性问题逐渐突出[1-3]。地下水是影响边坡稳定的重要因素之一。地下水渗透对边坡的影响主要为：地下水入渗增加坡体自重，坡体内部应力状态改变，潜在滑动面剪应力增加；地下水入渗降低岩体的承载能力，软化岩体形成潜在滑移面。在工程领域，关于流体与应力耦合相互作用已有较多研究[4-8]，其主要模型有等效连续介质模型、裂隙网络介质模型及双重介质模型，许多学者将其应用于边坡稳定性方面的研究[9-11]。

在我国西部地区，由于煤层赋存较浅，煤层自燃形成大面积的火烧区。目前关于矿区烧变岩的研究较多集中在地质特征和富水特性方面[12-14]。范立民等[15-16]研究了烧变岩的垂向分带和水平分布，指出烧变岩裂隙发育不均一性是富水不均一的基本因素；孙云博等[17]总结烧变岩的类别和基本特征，以陕北烧变岩为例，分析了烧变岩水文与工程地质特征；韩冬梅等[18]利用群井大涌量抽水试验计算烧变岩导水系数和给水度分布，认为导水系数计算值与抽水历时有关。

火烧区中烧变岩孔洞、裂隙发育，强度低、富水性强，对周边煤炭资源开采产生较大威胁[19-20]。对于露天煤矿开采而言，边坡不仅受到火烧区地下水渗透影响，同时开采活动也会降低边坡稳定性。王振伟等[21]分析了新疆别斯库都克露天煤矿地质条件，通过数值计算对烧变岩边坡进行了变形失稳研究；田军等[22]通过室内岩石力学试验得到烧变岩物理力学参数，通过修正RMR值得到合理可靠的烧变岩岩体强度参数，并计算了白砾滩露天矿烧变岩边坡稳定性；孙玉亮[23]分析了烧变岩的力学特征及积水对边坡稳定性的影响；曹博等[24]以黑山露天煤矿为例，构建模拟开采境界，揭示了境界剥采比与平均剥采比随分区境界外扩的变化规律，确定了烧变岩侵蚀露天矿分区境界确定的原则及使用条件；徐晓天等[25]通过对大南湖煤田大量钻孔资料的整理和分析，参考分析前人对火烧区的研究成果，结合自身在本区的实际工作经验，对大南湖煤田火烧区的分布、特征及形成原因等进行了较为客观的归纳和总结。目前关于烧变岩边坡稳定性的研究对地下水因素考虑的较少，而地下水渗流是影响此类边坡稳定性的重要因素。笔者以某露天煤矿南端帮为工程背景，深入研究采动影响下烧变岩边坡地下水渗透特性及边坡稳定性。

1 工程地质概况

某露天煤矿首采区南端帮外侧为Ⅲ火烧区，Ⅲ火烧区平面呈椭圆形，其长轴方向长4.5 km，深度238 m。长轴方向与首采区推进方向一致，直至最深可采煤层29号煤层，厚度5.85～205.10 m，含水量5×107m3，为富水性极强的独立含水单元。Ⅲ火烧区地下水水位标高+400 m左右，局部隐伏区域具有承压水特性。

根据现场数据统计，露天煤矿边坡+425、+415、+405、+395 m水平台阶地下水位保持在+400.5、+397.6、+377.8、+383.4 m，火烧区水位标高+400.8 m。边坡区域水位在剥离台阶区域出现下降。边坡区域现有4个水井，水位沿坡向出现降低趋势。矿坑最下台阶+345 m台阶冬季有积水，在+365 m台阶上部有零散的出水点，+348 m台阶为矿坑端帮渗水标高。

2 烧变岩边坡采动影响地下水渗透特性分析

2.1 参数选取

针对边坡倾角和采深变化对边坡渗透特性的影响进行分析，主要以地下水渗透路径、浸润面变化、渗透速度、流量等特性为研究重点，研究不同因素变化过程中，边坡内地下水在不同含水层的渗透特征。结合矿区相关地质资料，砂泥岩互层、煤、泥岩、细砂岩、砂岩、类熔岩、烧结岩、烘烤岩的渗透系数分别为1.65×10-9、3.64×10-8、4.56×10-10、2.73×10-7、5.69×10-7、1.76×10-5、2.13×10-5、3.47×10-5。岩体物理力学性质参数指标见表1，工程地质模型如图1所示。

图1 工程地质模型

表1 岩体物理力学性质参数指标

2.2 不同采深边坡渗透特性分析

采深变化对烧变岩边坡地下水渗透特性的影响实质是由于采深变化过程中对边坡岩体剥离，导致原岩区岩体含水层尺寸发生变化，从而引起地下水渗透路径、速度及流量等参数发生变化。针对不同采深工况下边坡地下水渗透特性进行分析，保持边坡倾角12°不变，设置采深80、90、100、110 m，不同采深边坡地下水渗透特性模拟结果如图2所示。

图2 不同采深地下水坡体渗透特性

2.2.1 地下水渗透路径变化特征

采深80 m时，坑底剥离至细砂岩层上部，浸润线从细砂岩层上部+348 m标高渗出，地下水主要沿细砂岩层和砂岩层渗透至坡体前缘；采深90 m时，坑底剥离至砂岩层中部，浸润线从+391 m标高渗出，地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透，坡体前缘400～520 m位置，两透水层地下水开始逐渐向上部渗透，从+365 m标高煤岩层台阶和+355 m标高细砂岩层台阶渗出；采深100 m时，浸润线从上部泥岩层+398 m标高渗出，地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透，坡体前缘340～440 m位置，两透水层地下水开始逐渐向上部渗透，从+365 m标高煤岩层台阶和+355 m标高细砂岩层台阶渗出；采深110 m时，浸润线从上部泥岩层+399 m标高渗出，地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透，坡体前缘300～380 m位置，两透水层地下水开始逐渐向上部渗透，从+365 m标高煤岩层台阶、+355 m标高细砂岩层台阶和+345 m标高砂岩层台阶渗出。

随着采深的增加，坡面向后缘推进，坡面出水点逐渐升高。地下水沿细砂岩层和砂岩层向前缘渗透，至坡体临空面附近逐渐向上部煤层台阶和细砂岩层台阶渗出，少量从砂岩层台阶渗出。

2.2.2 地下水渗透速度跃变特性研究

监测细砂岩层和砂岩层在+260～+625 m标高地下水渗透速度，如图3所示。由图3可知，随采深增加坡面向火烧区推进，细砂岩层和砂岩层渗透速度不断增加。受岩层剥离的影响，地下水渗透路径发生变化，细砂岩层和砂岩层地下水在接近临空面时向上部渗透，从上部台阶渗出，因此，采深90、100、110 m 工况下渗透速度存在跃变现象，即接近临空面时两渗透速度迅速下降并接近于0。地下水渗透速度的跃变现象是由于含水层地下水渗透路径发生变化，即部分地下水接近临空面位置向上渗透，提前渗出岩体导致，因此砂岩层渗透速度跃变位置滞后于细砂岩层。

图3 不同采深地下水渗透速度变化

2.2.3 地下水流量变化特性研究

监测火烧区和原岩区交界面处细砂岩层和砂岩层的地下水流量，不同采深工况下地下水流量变化如图4所示。由图4可知，火烧区地下水向两透水层渗透流量随采深增加近似呈线性增加。由于采深增加，坡体岩层被剥离，坡面向后缘推进，两透水层尺寸逐渐减小，两透水层中地下水渗出位置距离火烧区越来越近，地下水从火烧区至坡面渗出，在坡体中渗透的路径越来越短，阻力越来越小，因此流量越来越大。

图4 不同采深地下水流量变化特征

2.3 不同倾角边坡渗透特性分析

保持开采深度80 m不变，使整体边坡角分别为12°、14°、16°、18°。针对不同倾角工况下边坡地下水渗透特性进行分析，不同倾角地下水渗透特性模拟结果如图5所示。

图5 边坡不同倾角地下水渗流特性

2.3.1 地下水渗透路径变化特征

随煤岩层的剥离整体边坡角度增加，坡面出水点高度变化不大。浸润线近似为一条倾斜的直线。边坡倾角12°时，两透水层未被剥离出来，地下水沿水平方向前缘渗透；边坡倾角14°时，细砂岩层被剥离出一半，细砂岩层中的地下水沿斜坡面渗出，下部砂岩层中地下水向上穿过煤层和细砂岩层，从坡脚处渗出；边坡倾角16°时，细砂岩层被完全剥离出来，细砂岩层中的地下水沿斜坡面渗出，下部砂岩层中地下水向上穿过煤层，从坡脚处渗出；边坡倾角18°时，26号煤层被完全剥离，上部台阶细砂岩层少量被剥离，细砂岩层中的水从上部台阶渗出，砂岩层中的水部分穿过煤层及细砂岩层从上部台阶渗出，部分从坡脚渗出。

随边坡倾角逐渐增加，细砂岩层中的水从细砂岩台阶或坡面渗出，砂岩层中的地下水从坡脚渗出或向上穿过煤层和细砂岩层从台阶渗出。

2.3.2 砂岩层地下水渗透速度跃变特征

由于边坡角变化过程中，临空面位置变化相对较小，同时考虑含水层中地下水接近临空面时渗透状态发生变化影响流速，细砂岩层监测点位置设置在400 m处。监测坡体前缘砂岩层400～625 m段渗透速度变化如图6所示。随边坡角度增加，地下水在砂岩层的流速递增，4种工况下坡脚处流速都有跃变现象。边坡倾角14°、16°、18°时，砂岩层地下水在坡脚处流速迅速下降，流速趋近于0并保持稳定。砂岩层地下水向前缘渗透，至坡脚附近向上渗出，不沿砂岩层向前渗透，因此渗透速度迅速下降。

图6 砂岩层渗透速度变化特征

2.3.3 透水层地下水流量变化特征

监测坡体前缘细砂岩层流量和砂岩层625 m处地下水流量变化特征如图7所示。随着坡体倾角增加，细砂岩层在坡体前缘地下水渗透量逐渐增加，砂岩层前缘地下水渗透量逐渐减小。随边坡倾角增加，细砂岩层尺寸逐渐减小，前缘地下水渗流量增加。砂岩层地下水主要从坡脚处向上渗出。边坡倾角增加，坡脚逐渐前移，监测位置距离地下水渗出位置逐渐增大，因此地下水流量逐渐下降。

图7 透水层流量变化特征

3 烧变岩边坡稳定性分析

3.1 不同采深对边坡稳定性的影响

不同采深工况下边坡稳定性计算如图8所示。当采深分别为80、90、100、110 m时，随着采深增加，边坡稳定性逐渐下降，边坡安全系数分别为1.752、1.621、1.488、1.378。

图8 不同采深工况边坡稳定性

无水条件下计算不同采深工况下边坡稳定性结果如图9所示。当采深分别为80、90、100、110 m时，坡体均为多台阶滑动。随采深增加临界滑动面位置发生变化，边坡安全系数Fs逐渐减小，分别为1.903、1.876、1.747、1.630。

图9 无水条件不同采深工况下烧变岩边坡稳定性

边坡稳定性随采深变化趋势如图10所示。由图10可知，无地下水工况下，随采深增加边坡安全系数近似呈线性减小，边坡稳定性随采深增加持续稳定下降；边坡受地下水影响时，随采深逐渐增加，边坡安全系数分别下降0.131、0.133、0.110。边坡在采深与地下水共同作用下，安全系数持续稳定下降。采深增加，透水层尺寸减小，地下水渗透量增加，砂岩层地下水沿坡脚向上渗透，导致边坡安全系数下降。

图10 不同采深边坡安全系数变化

无水条件下，采深110 m较80 m安全系数下降了0.374。采深80、90、100、110 m，含水边坡安全系数较无水时分别下降了0.151、0.255、0.259、0.252。从2种工况安全系数的差值可知，地下水对边坡稳定性影响大于采深对边坡稳定性的影响，随采深增加，有无地下水边坡安全系数差值基本不变，地下水对边坡稳定性影响基本保持稳定。

3.2 边坡倾角对边坡稳定性的影响研究

不同倾角工况下边坡稳定性计算结果如图11所示。边倾角为12°、14°、16°、18°时，随边坡倾角增加，边坡安全系数Fs逐渐减小，分别为1.752、1.650、1.542、1.432。

图11 不同倾角工况下烧变岩边坡稳定性

无水条件下边坡安全系数如图12所示。边倾角为12°、14°、16°、18°时，边坡安全系数随倾角增加逐渐下降，边坡安全系数分别为1.903、1.846、1.755、1.669。

图12 无水条件不同倾角工况下烧变岩边坡稳定性

安全系数随边坡倾角变化如图13所示。受地下水影响的边坡安全系数均小于无水条件下安全系数，有无地下水影响的边坡安全系数随倾角增加均近似呈线性下降。有水条件下，安全系数下降速率大于无水条件下安全系数下降速率。

图13 不同边坡倾角安全系数变化

安全系数差值与坡体前缘细砂岩层流量变化如图14所示。当边倾角为12°、14°、16°、18°时，有无地下水影响边坡安全系数差值分别为0.151、0.196、0.213、0.247。2种工况下边坡安全系数差值逐渐增加，即地下水对边坡稳定性影响随边坡倾角增加而增加。无水条件下，随着边坡倾角的增大，边坡安全系数的差值分别为0.057、0.091、0.086，因此，地下水对边坡稳定性的影响大于倾角对边坡稳定性的影响。细砂岩层尺寸随着边坡倾角增加逐渐减小，流量逐渐增加，且下部砂岩层地下水由坡脚处向上渗透，导致地下水对边坡稳定性的影响逐渐增加。由图14可知，2种工况安全系数差值随于边坡地下水渗透量变化趋势相同，地下水对边坡稳定性影响随地下水渗透量增加而增大。