露天矿地下水控制技术及对边坡稳定性的影响

王 海 ，王晨光 ，张 雁 ，张宏刚 ，黄选明 ，苗贺朝

（1.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077；2.中国矿业大学 资源与地球科学学院， 江苏 徐州 221116；3.内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司 元宝山露天煤矿，内蒙古 赤峰 024050；4.中煤科工生态环境有限公司，北京 100013）

我国矿产资源丰富，矿山数量众多，截至2019 年，煤矿数量5 268 座，非煤矿山30 000 多座[1-2]。露天开采具备成本低、安全系数高等优势，因此，能够露天开采的矿山优先考虑露天开采工艺[3]。然而露天开采无法避免矿坑涌水和边坡安全问题，据统计，我国现有富水露天矿200 座以上，其中50 座以上的露天矿疏排水量超过30 000 m3/d[4]。富水露天矿地下水控制不当、边坡处治不合理往往引起各种边坡滑塌事故，经济损失巨大，人员伤亡惨重，严重制约露天矿的生产和发展[4]。

为了保障露天矿的边坡稳定和矿坑安全开采，我国露天矿大多采用疏降地下水的方式将地下水位降至合理高度，矿坑疏降水量巨大[5-11]；而露天矿疏降地下水位会引起矿区周边地下水位下降、水资源浪费、水质污染、土地退化和生态环境破坏等一系列问题。截水帷幕可有效减少矿山疏排水量，抑制露天矿地下水位的下降趋势，保护矿区及周边地下水资源[12-15]。

露天矿地下水控制方式由疏排降水发展为水帷幕和截水帷幕等多种形式，不同的地下水控制方式对露天矿端帮边坡稳定性产生何种影响，亟待进一步研究。为此，通过分析露天矿地下水控制技术发展过程及不同地下水控制技术对露天矿边坡稳定性影响，为我国露天矿地下水控制技术选择和端帮边坡稳定性控制提供参考。

1 露天矿地下水控制技术

1.1 抽排地下水

露天矿抽排地下水是通过施工地面垂直钻孔或坑下水平钻孔进行抽水，降低地下水位，满足露天矿安全开采，是露天矿解决开采过程中涌水最常用的方法。露天矿抽排控制地下水方式按疏放位置分为垂直钻孔、水平钻孔；按钻孔口径分为常规口径钻孔、矿坑大口径钻孔；按钻孔数量分为单孔疏水和井群疏水[6-7,9]。基于水力截获原理的地下水疏干技术，能有效地疏干边坡中的地下水，而且疏干设备避开了边坡的不稳定地段，保证了疏干井的安全[10]。

露天矿抽排控制地下水技术施工灵活、应用范围广，可跟随矿山开采条件或水文地质参数的变化而动态施工钻孔，机动性较强[9]。抽排控制地下水方式在强渗松散层中疏降范围和幅度较小，在低渗地层中疏降困难。

1.2 疏放地下水

露天矿疏放地下水方法主要有疏水巷、基坑降水和辐射井疏干等，常应用在矿坑范围内。露天矿山地下水控制技术如图1。

图1 露天矿山地下水控制技术Fig.1 Groundwater control technology in open pit mine

由图1 可知：疏水巷是沿着积水方向施工1条巷道，采用自流方式，将富水区域高处的水疏导和引流到低处，再将低处汇集的水引至集水泵房后排出。基坑降水法是在露天矿坑内不影响生产的位置开挖一定深度的集水坑，逐层环沟形成“回”形的集水基坑，坑底和四周边坡涌水汇集到矿坑集水基坑，经过排水泵排至露天矿地表。辐射井疏干是先施工1 个大口径的竖井，然后在竖井中向四周辐射施工水平孔作为集水管，矿坑地下水通过集水管汇聚到竖井中，通过水泵集中抽至矿坑地表[8-9]。

疏水巷需要根据地形地势和露天矿生产情况布置巷道，在矿坑沿边坡含水层掘进井巷进行预先疏水，疏水巷排水效果较好，可有序、高效、快速地疏降水，但是掘进巷道的工程量大，需耗费大量的人力物力。

1.3 帷幕截流地下水

现有的抽排控制地下水技术和疏降控制地下水技术均需要疏排大量的地下水，将地下水位降至合理范围，导致露天矿周边地下水位急剧下降，疏排水量巨大，地下水资源浪费严重，生态环境恶化。为阻隔露天矿周边松散层水的侧向补给，减少矿坑疏排水量，解决我国露天矿生产过程中遇到的水资源和生态保护难题，先后发展了地面直钻孔注浆帷幕、地面水平定向钻孔注浆帷幕、地下混凝土连续墙帷幕、超高压角域变速射流注浆帷幕、地面钻孔咬合桩帷幕、防渗膜帷幕和水帷幕等技术[11-16]。

钻孔注浆帷幕通过在露天矿地表施工钻孔，根据地层特征进行不同段长的分段注浆，浆液由钻孔进入露天矿过水地层，沿孔隙、裂隙扩散，凝结成帷幕墙体。地下混凝土连续墙帷幕在地面上采用双轮铣或液压抓斗等大型成槽机械，在地下开挖出1 条狭长的深槽，开挖过程中采用泥浆护壁，清槽后，用导管法灌筑水下混凝土形成连续混凝土墙。钻孔咬合桩帷幕是在露天矿山地表采用钻机施工竖向大口径钻孔，然后在钻孔内灌注浆液或浇筑抗渗混凝土，桩与桩之间相互嵌入，形成连续的阻水结构。垂向隐蔽铺设防渗膜帷幕是近年由中煤科工西安研究院（集团）有限公司研发并在扎尼河、元宝山等露天煤矿成功应用的1种新型截水帷幕形式，在泥浆护壁作用下，通过双轮铣或液压抓斗等大型成槽机械开挖出1 条狭长的深槽，在槽段内由上向下铺设防渗膜，形成连续的防渗膜帷幕墙[17]。

注水帷幕是采用地下水回灌形成定水头边界，阻止含水层水位下降，保护水资源的方法。现有研究是通过建立沙槽回灌平台进行物理实验，再利用数值方法对回灌区进行模拟计算，分析疏干-回灌水帷幕的形成和变化规律，得出在矿山降落漏斗适宜的位置布置回灌钻孔形成连续的水帷幕，能够保持矿山周边含水层的水位、缩小降水漏斗的扩展范围、保护地下水资源[11]。目前注水帷幕技术仅开展了物理模拟和数值模拟研究，尚未进行工程应用。

2 抽排或疏放地下水对端帮边坡稳定性的影响

近10 年统计数据显示，我国露天矿滑坡事故接近2 000 起，居露天矿安全生产事故第3 位，占事故总数的15%[4]。露天矿滑坡事故伤亡数量多、经济损失大，给企业和社会带来巨大影响。我国近年矿山滑坡事故数据如下：

1）太原市尖山铁矿。事故时间为2008 年8 月1 日，45 人死亡，1 人受伤，直接经济损失3 080.23万元。

2）重庆市武隆区鸡尾山铁矿。事故时间为2009 年6 月5 日，26 人死亡，61 人失踪，塌方量约200 万m3。

3）广西苍梧县大坡镇盗采稀土矿。事故时间为2011 年11 月26 日，9 人死亡。

4）伊犁新源某铁矿。事故时间为2012 年7 月30 日，2 人死亡，28 人失踪。

5）阳泉市盂县南娄镇。事故时间为2013 年1月19 日，1 辆运输卡车坠入。

6）中国黄金西藏甲玛矿区。事故时间为2013年3 月29 日，83 人被埋，塌方量200 余万m3。

7）河源市金龙畲营瓷土公司。事故时间为2014 年5 月22 日，6 人死亡，1 人受伤。

8）茂名市飞鼠岭矿。事故时间为2015 年1 月18 日，1 人被埋，1 人受伤。

9）赤峰市宝塔油页岩公司露天矿。事故时间为2015 年8 月3 日，6 名工人被埋。

10）乌鲁木齐市柴窝堡某石灰石矿山。事故时间为2015 年12 月31 日，2 人被埋。

11）玉溪市红塔区法冲村采石场。事故时间为2016 年9 月6 日，1 人死亡，1 人受伤，塌方量约5 万m3。

12）晋能集团吕鑫煤业。事故时间为2017 年8 月11 日，8 人死亡，1 人失踪，1 人受伤。

13）大同市浑源百川煤业。事故时间为2018年6 月24 日，2 人死亡。

14）巴中市公山镇某矿山。事故时间为2021年8 月13 日，1 人死亡。

15）甘肃景泰县泓盛煤业。事故时间为2022年7 月23 日，10 人死亡，6 人受伤。

露天矿端帮边坡稳定性影响因素主要有岩土体力学性质、边坡坡角、岩层倾角和地下水，其中地下水是影响边坡稳定性的重要因素，而抽排或疏放地下水可降低边坡坡体地下水位，提高边坡岩土体力学性质。

2.1 岩土体力学性质对边坡稳定性的影响

当滑坡的滑动面给定时，滑坡的稳定性系数Fs可由式（1）表达，即坡体沿边坡滑动面的抗滑力之和与沿滑面向下的下滑力之和的比值[18]。

式中： σn，i为第i单元滑动面上的法向应力；τs，i为第i单元滑动面上的剪应力； Γ 为滑动面；ci为滑动面第i单元的黏聚力； φi为滑动面第i单元的内摩擦角。

由式（1）可知：滑坡的稳定性系数Fs与滑动面上的法向应力 σn，i、黏聚力ci、内摩擦角 φi呈正相关关系。

黏聚力对坡体稳定性影响如图2，内摩擦角对坡体稳定性影响如图3。

图2 黏聚力对坡体稳定性影响Fig.2 Influence of cohesion on slope stability

图3 内摩擦角对坡体稳定性影响Fig.3 Influence of internal friction angle on slope stability

由图2 和图3 可知：当黏聚力从10 kPa 增加到100 kPa 时，滑坡稳定性系数升高了2.396，即黏聚力每增加10 kPa，滑坡稳定性系数升高0.27[18]；当岩土体的内摩擦角由10°增大至19°时，边坡的稳定性系数由1.165 增大至2.022，相当于岩土体的内摩擦角每增加1°，边坡稳定性系数即提高0.095[18]。由图2 和图3 可知，边坡稳定性系数与岩土体的黏聚力、内摩擦角呈正相关关系，边坡岩土体的黏聚力和内摩擦角对边坡稳定性系数的影响较大。

2.2 坡角对边坡稳定性的影响

露天矿在边坡安全的情况下，适当提高边坡坡角可以大量减少剥离废石数量，并大幅增加矿山企业的经济效益。端帮边坡坡角对边坡稳定性的影响如图4。

图4 端帮边坡坡角对边坡稳定性的影响Fig.4 Effect of slope angle on slope stability

以哈尔乌素露天煤矿南端帮边坡为例，分析不同边坡坡角对露天矿山边坡稳定性系数的影响。在露天矿靠帮的过程中，矿山边坡岩土体的位移量与端帮的边坡坡角呈正相关关系，随着边坡坡角的增大，坡体的剪切破坏区域逐渐贯通，形成连贯区域，边坡稳定性系数不断降低，边坡失稳破坏的概率逐渐增大[19]。

2.3 抽排或疏降地下水对边坡稳定性影响

2.3.1 地下水位变化对边坡岩土体性能影响

抽排或疏降露天矿地下水引起地下水位的大幅下降，露天矿边坡岩土体的含水率会有所降低。含水率对露天矿泥岩黏聚力影响如图5，含水率对露天矿山泥岩内摩擦角影响如图6。

图5 含水率对露天矿泥岩黏聚力影响Fig.5 Effect of water content on cohesion of mudstone in open-pit mine

图6 含水率对露天矿山泥岩内摩擦角影响Fig.6 Effect of water content on internal friction angle of mudstone in open-pit mine

由图5 可知：露天矿岩土体抗剪强度随着含水率的变化而变化，当岩土体含水率增加，岩土体的黏聚力表现为下降的趋势，且下降幅度较大；当岩土体含水率减小，岩土体的黏聚力表现为增大的趋势。黏聚力对含水率的变化比较敏感，与含水率呈近线性相关关系[20]。

由图6 可知：随着露天矿地下水位的下降，边坡岩土体含水率减小，而露天矿岩土体内摩擦角与含水率呈近似负相关关系，随着含水率的增加，岩土体内摩擦角呈下降趋势，且内摩擦角对含水率的变化较为敏感[20]；泥岩饱和含水率情况下内摩擦角比天然含水率情况下内摩擦角下降了70%，黏聚力比天然含水率情况下降了78%。岩体含水饱和后抗剪强度下降幅度大的原因是露天矿软质泥岩多属于高液限黏性土，亲水性物质成分含量较高，遇水泥化崩解现象明显，导致强度指标显著弱化。

2.3.2 地下水位变化对边坡坡体应力的影响

当边坡内岩土体不含水时，设作用于边坡剪切面单位体积岩石上的最大主应力为σ1，最小主应力为σ3，剪切破裂面与最大主应力方向的夹角为α，按照应力圆原理，那么剪切面上的法向应力σ和剪应力τ分别为[21-22]：

当露天矿边坡内的岩土体饱水时，坡体中将存在孔隙水压力σw，那么，剪切面上的法向应力σ'则变为式（4），剪应力τ'则变为式（5）[4,21]：

将式（4）、式（5）化简后，可得：

由式（6）和式（7）可知：岩土体饱水时，露天矿边坡岩土体的法向应力减小了孔隙水压力σw值，而边坡岩土体最大剪切面上的剪应力仍为τ，与不含水时的大小一致[21,23]。

受地下水的影响，边坡中的软弱面受到静水压力作用，即地下水在边坡潜在滑动面上产生一定的浮托力[21]。由于滑动面上浮托力U的存在，直接减小了边坡滑动面上的摩擦力。

式中：ρw为边坡坡体中地下水的密度，t/m3；β为露天矿山边坡潜在滑动面的角度，（°）；H为边坡高度，m 。

当边坡中存在裂缝时，地下水对坡体产生水平推力V，水平推力V将边坡坡体向矿坑侧推动，增大了滑动面上的下滑力，边坡的稳定性将进一步降低[21]。

式中：h为边坡中竖直张裂缝的高度，m 。

由此可知：当抽排或疏降露天矿地下水时，露天矿的地下水位会大幅下降；裂缝中水头高度、静水压力和水平推力会减小，法向应力则会增大。

2.3.3 地下水位变化对边坡稳定性的影响

地下水位对边坡稳定性影响如图7。

图7 地下水位对边坡稳定性影响Fig.7 Influence of groundwater level on slope stability

由图7 可知：当地下水位埋深从9 m 增大至29 m 时，边坡的稳定性系数一直在增加；在地下水位埋深在11 ～15 m 和 19～23 m 变化时，稳定系数增加缓慢；地下水位埋深在 9～11 m 时，边坡的稳定性系数呈下降趋势；水位埋深在23 m 及以上时，露天矿边坡的稳定性系数介于1.1～1.25，边坡基本稳定；水位埋深大于23 m 时，露天矿边坡的稳定性系数大于1.25，边坡稳定；当露天矿边坡无地下水时，边坡的稳定性系数最高，此时边坡相对最稳定[23]。

由上述研究结果可知，抽排或疏降露天矿地下水可提高边坡岩土体的强度，避免亲水性强的岩层或软弱夹层浸水后发生崩塌、泥化、溶解等；减轻了边坡坡体的静水压力作用，减小了边坡中的张裂隙充水对边坡的静水压力和水平推力；减弱了地下水从边坡岩土体中渗流排出时的水压力梯度作用[24-28]。国此，通过抽排或疏放露天矿山地下水可提高岩土体的力学性能，进而提高边坡的稳定性。

3 截水帷幕对端帮边坡稳定性影响

3.1 露天矿截水帷幕概况和边坡及帷幕模型

元宝山露天煤矿主要充水水源为第四系含水层，占矿坑疏排水量95%左右。地层主要为圆砾夹砂、卵石层、黄土及风化砂岩、泥岩，圆砾石粒径大小为50～150 mm，渗透系数127～700 m/d。为减少矿坑疏排水量，沿现有矿坑一级平台建造矿坑边界截水帷幕，对来水进行拦截，最大程度减少矿坑疏排水量。

元宝山露天煤矿截水帷幕（Ⅰ期）由南端帮基岩出露点至英金河，长度约3.665 km。截水帷幕外侧松散层水位较原水位升高了约10 m；截水帷幕内侧松散层水位较原水位降低了7 m 左右。

根据元宝山露天煤矿工程地质条件，构建边坡及帷幕计算模型，元宝山露天煤矿边坡剖面图及边坡模型单元网格划分如图8，元宝山露天煤矿边坡稳定性计算岩土体物理力学参数见表1。

表1 元宝山露天煤矿边坡稳定性计算岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass calculated for slope stability of Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

图8 元宝山露天煤矿边坡剖面图及边坡模型单元网格划分Fig.8 Slope profile and cell grid division of slope model in Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

由图8 可知：边坡自上而下依次为第四系砂砾层、新近系砂岩、侏罗系5 煤、砂岩、6 煤、泥岩和砂岩，截水帷幕位于一级平台。

根据表1，利用Midas GTS 岩土与隧道仿真分析软件建立露天矿边坡数值计算模型，结合计算精度等要求，边坡整体几何模型网格尺寸按1 m划分，帷幕墙按0.4 m 划分，采用四边形单元网格模式，共划分单元数38 203 个。

3.2 截水帷幕对边坡稳定性影响

3.2.1 极限平衡法

元宝山露天煤矿边坡岩土体主要为软岩、第四系砂砾层，具有散体介质结构特点，采用基于极限平衡理论摩根斯坦-普瑞斯法（Morgenstern-Price）计算，考虑全部平衡条件与边界条件，消除计算方法上的误差。

为系统计算、分析截水帷幕实施后边坡稳定性系数，除了考虑截水帷幕自身厚度（0.8 m）外，重点考虑了截水帷幕内外水位差与帷幕墙位置对边坡稳定性系数的影响。

考虑了2 种工况条件，元宝山露天煤矿截水帷幕及水位对边坡稳定性影响如下：

1）工况1。截水帷幕施工前，边坡稳定性系数为1.474。

2）工况2。墙内水位线均位于第四系地层底板：①帷幕外水位抬升至448 m，边坡稳定性系数为1.428；②帷幕外水位抬升至452 m，边坡稳定性系数为1.426；③帷幕外水位抬升至462 m，边坡稳定性系数为1.279。

元宝山露天煤矿截水帷幕及水位对边坡稳定性影响如图9。

图9 元宝山露天煤矿截水帷幕及水位对边坡稳定性影响Fig.9 Influence of water cut-off curtain and water level on slope stability in Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

由图9 可知：随着帷幕外侧水位由448 m 抬升至462 m，边坡稳定性系数整体呈下降趋势，稳定系数满足现行《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》中相关要求，边坡稳定系数＞1.25，边坡整体稳定[29]。

3.2.2 数值模拟

模型计算过程采用Mohr-Coulomb 强度准则，最大迭代次数设定为15 次，采用位移收敛准则。计算时通过强度折减法，计算至边坡破坏标准，此时折减系数为边坡稳定系数。模拟计算过程中利用强度折减法逐级对边坡岩土体的黏聚力和内摩擦角进行折减，直到数值解出现不收敛或者形成塑性贯通区域为止，分别计算得到截水帷幕外侧水位为448、452、462 m 时的边坡稳定性系数为1.250、1.169、1.025。随着截水帷幕外侧水位由448 m 升高至452 m 和462 m，边坡稳定性系数不断降低，由1.250 降至1.169 和1.025。

由此可见，在截水帷幕作用下露天矿截水帷幕外侧水位大幅度抬升，边坡岩土体力学性能降低；而截水帷幕内侧松散层水位大幅度下降，内侧岩土体力学性质提高。帷幕内外侧水位形成明显落差，截水帷幕受到外侧水压力作用，露天矿边坡的下滑力增大而抗滑力减小，导致露天矿边坡稳定性系数降低。通过控制截水帷幕外侧水位在适宜的高度，保证露天矿截水帷幕和边坡稳定性系数满足《煤炭工业露天矿边坡工程设计标准》的相关要求[29]，实现截水帷幕在减少露天矿疏排水量、抬升地下水位、保护地表生态环境的同时，维护露天矿端帮边坡的安全。

4 结 语

1）我国露天矿地下水控制技术已由疏水孔抽排方式和坑底疏放方式发展为钻孔注浆帷幕、地下混凝土连续墙帷幕、钻孔咬合桩帷幕、防渗膜帷幕等截水帷幕和注水帷幕等多种方式。

2）抽排或疏放地下水的方式可降低露天矿山边坡坡体地下水位，减少边坡岩土体含水率，进而提高边坡岩土体黏聚力和内摩擦角，减小坡体的静水压力和水平推力，提高边坡稳定性系数；同时，抽排或疏放地下水又造成露天矿疏排水量巨大、地下水资源浪费。

3）截水帷幕能够有效抬升露天矿截水帷幕外侧地下水位、减少矿坑疏排水量、保护地下水资源，截水帷幕外侧水位的抬升将引起边坡岩土体含水率增加、黏聚力和内摩擦角减小、坡体的静水压力和水平推力增大，边坡的下滑力增大而抗滑力减小，导致露天煤矿边坡稳定性系数降低。4）露天矿在应用截水帷幕工程时需维持帷幕外侧水位在合适位置，维持边坡稳定性系数在安全区间内，保障矿山边坡的稳定，才能实现露天矿地下水资源保护与边坡安全的平衡。