哈尔乌素露天煤矿内排土场高台阶渗流稳定性分析

2024-03-13柴茂庭刘东珲刘籽钰

露天采矿技术 2024年1期

柴茂庭，刘东珲，齐翔，刘籽钰

（1.国能准能集团有限责任公司哈尔乌素露天煤矿，内蒙古鄂尔多斯 010300；2.准格尔旗工信和科技局，内蒙古鄂尔多斯 010300；3.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

我国每年发生新老滑坡事故约30 万起，其中降雨型滑坡占总滑坡次数的90%以上[1-2]。许多研究表明，降雨是诱发滑坡的重要直接因素，降雨型滑坡也成为众多地质灾害的防治重点[3]。内排土场是人工堆积的松散土石体，强降雨会使排土场土体含水率增大、基质吸力减小，降雨入渗也会使孔隙压力增大，在降低入渗速率的同时，增加了排土场边坡冲刷度，极易导致排土场滑坡[4-6]。因此，为了保证露天煤矿的安全生产，探究降雨影响下的排土场渗流对边坡稳定性具有重要意义[7]。

在降雨对边坡稳定性的影响规律方面许多学者已经有了不少研究成果，但对于露天煤矿排土场的研究较少。王悦等[8]以安太堡露天煤矿南排土场为例，采用描述性统计分析和方差分析法，讨论了降雨强度和微地形塑造方式对土壤水分的变化影响；陈飞宇[9]根据石圪图露天煤矿实际条件，模拟降雨条件，并采用多种计算方法对孔隙水压和边坡稳定性系数进行严密计算，得到孔隙水压随降雨时间增加而明显变化的结论；陈光木[10]考虑露天矿软弱基底条件，采用物种极限平衡条分法进行自然工况和降雨工况的模拟研究，得到了李屋排土场边坡稳定性安全系数随雨量增加而减小的成果；郭雁斌等[11]通过对东部某露天矿近自然修复模式下的渗流和孔隙水压力分析，得到了内排土场边坡形态重塑后抗侵蚀特性明显提升的结论；刘胤等[12]针对废石堆场在降雨作用下可能失稳滑坡的问题，对比分析了多种工况下的边坡稳定性，验证了降雨会明显增加边坡失稳风险的结论，并给出了考虑降雨条件下的安全设计方案。为此，在总结了其他学者研究的基础上，以哈尔乌素露天煤矿内排土场为研究对象，收集现实地质信息和历年降雨情况，通过多种工况模拟真实降雨条件下内排土场松散体边坡的孔隙压力变化和边坡稳定性变化，探讨降雨量对露天煤矿排土场边坡渗流稳定性的影响。

1 矿区概况

1）水文条件。哈尔乌素矿田位于准格尔煤田中部，与黑岱沟露天煤矿毗邻，该地区属于典型大陆性气候，四季气温分明，昼夜温差比较大，冬季寒冷多风，夏季炎热多雨，雨量集中主要在7—9 月份。近50 年以来年最高降水量为518.5 mm，年最低降水量为273.7 mm，平均年降水量为396.1 mm，月最大降水量为401.6 mm，日最大降水量为86.5 mm，小时最大降水量为44 mm，最长连续降水日数为7 d 和8 d的降水量分别为74 mm 和37.1 mm。最冷月平均相对湿度54.5%，最热月平均相对湿度60.4%。

2）内排土场现状。哈尔乌素露天煤矿降雨主要集中在夏季，雨后矿区地表受到很大影响：①地表形态发生了破坏；②大雨过后矿坑多处地点产生了大量积水，③内排土场坡顶、矿区坑底以及内排土场道路表面出现多个水坑，缓慢向下渗流，影响内排土场的边坡稳定性。

2 边坡模型及数值模拟

2.1 模拟模型和物理力学参数

通过对边坡稳定性影响因素的分析，参考内蒙古自治区哈尔乌素露天煤矿计划补充勘探报告钻孔布置情况和哈尔乌素露天煤矿2023 年生产推进计划，在保证资料齐全、地表典型的原则下，于首采区内排土场北侧选取了1 个典型剖面，查阅勘探钻孔得到计算模型的地层信息，建立剖面模型，典型剖面地层信息示意图如图1。该边坡体长约1 500 m，最高台阶为1 120 m 水平，整体边坡角度为11°，台阶高度自上而下依次为20、45、30、30、30、30 m，其中单台阶最大边坡角度为38°。

图1 典型剖面地层信息示意图

由于该剖面整体边坡角度较为平缓，总体上较为稳定，但单台阶角度较大，因此选取最下部台阶局部构建边坡体模型。网格划分及监测点位置如图2。

图2 网格划分及监测点位置

该模型全局单元尺寸约为3 m，上部排弃物料部分及黏土部分单元尺寸为1 m，初始水位线沿黏土层底板贯穿整个边坡体。为实时监测滑坡竖直方向和沿地表方向不同部位孔压变化，在滑坡体不同位置设置5 个监测点：监测点1、监测点2、监测点3可监测边坡体竖直方向特定降雨条件下不同时间的孔隙水压力变化；监测点1、监测点4、监测点5 可监测降雨影响下不同时间的近地表孔隙水压力变化。

参照已有地质资料岩土体力学参数并结合现场实际情况，本次边坡稳定性验算的岩土体力学参数具体取值情况见表1。

其中，降雨主要影响的部分为上部堆积压实的排弃物料。非饱和土中的渗透系数与基质吸力有关，该部分参数参考了GeoStudio 中的SEEP/W 模块自带的样本函数[13]。

2.2 降雨条件

主要研究不同降雨时长条件下，降雨入渗对露天矿山排土场边坡稳定性的影响，为排除降雨总量对边坡稳定性的影响，建立了1 d 降雨、3 d 降雨、5 d降雨、7 d 降雨4 种情况，其总降水量均为105 mm。其中，降雨时长7 d 是考虑到当地近50 年最长持续降雨时间为7 d（74 mm）和8 d（37.1 mm），总降水量是考虑到近50 年单日最大降水量86.5mm，认为这4 种情况基本能模拟当地常见降雨类型和极限情况。4 种条件对应的降雨强度为105、35、21、15 mm/d，根据中国气象局颁布的降水强度等级划分标准[14]，对应的降雨强度分别为暴雨、大雨-暴雨、中雨-大雨、中雨。

在GeoStudio 模拟软件中的SEEP/W 模块中，采用瞬态渗流的分析方法，将总监测时长设定为15 d，每隔0.5 d 监测1 次孔隙压力和边坡稳定性变化，边坡稳定性分析采用为Morgenstern-Price 法。

3 模拟结果

3.1 孔隙压力

边坡内孔隙水压力分布及变化可以很好地展示降雨及本身地层含水对边坡稳定性的影响，由降雨时孔隙水压力变化集中的区域，可以初步推断潜在滑移面的范围。

边坡初始孔隙水压力分布如图3。

图3 边坡初始孔隙水压力分布

由图3 可知：在降雨之前边坡孔隙水压力呈现均匀层状分布，水位线位于黏土层底板位置，边坡初始孔隙水压力分布上部排弃物料总体孔隙水压力位于-80～-100 kPa，下部受水位线影响呈现-40～-80 kPa 的均匀层状分布，水位线之上的孔隙水压力区，对边坡稳定性有着积极作用，而水位线之下的正孔隙水压力区，对边坡稳定性有着消极作用[15]。

使用模拟软件分别分析了持续降雨时长为1、3、5、7 d 条件下的孔隙水压力变化，通过预设的5个监测点研究相同雨量条件下持续不同降雨时间对孔隙水压力变化的影响。不同降雨持续时间下孔隙水压力变化如图4～图7。

图4 降雨1 d 孔隙水压力变化

由图4～图7 可知：监测点3 和监测点5 位置的负隙水压力在降雨持续期间及停雨期间变化波动不大；而监测点1、监测点2、监测点4 的孔隙水压力变化呈现一定的规律。如图4，在降雨强度105 mm/d的1 d 暴雨影响下，监测点1、监测点2、监测点4 的孔隙水压力迅速上升达到峰值-40 kPa，停雨之后以不同速率逐渐下降，在总模拟时间15 d 结束时，仍处于下降趋势。图5、图6、图7 呈现的规律与图4 相似，监测点1、监测点2、监测点4 均在降雨期间孔隙水压力增大，停雨之后以不同速率降低，最终孔隙水压力分布较初始孔隙水压力降低了许多。值得注意的是降雨时长为3 d 的孔隙水压力峰值为-50 kPa，降雨时长5 d 和7 d 的峰值均为-60 kPa 左右。其中，监测点2 的孔隙水压力上升与下降速率均最慢，监测点1 和监测点4 孔隙水压力上升速率接近，孔隙压力下降速率监测点1 较快。

图5 降雨3 d 孔隙水压力变化

图7 降雨7 d 孔隙水压力变化

4 种降雨时长下监测点3 与监测点5 位置孔隙水压力变化不大的原因，是因为上部堆积的排弃物料渗透系数较大，而黏土层与泥岩层渗透系数较小，降雨主要改变排弃物料层的含水量，而对水位线及黏土层含水量的改变较小，因此位于黏土层的2 个监测点孔隙水压力变化微乎其微。4 种降雨时长下监测点1、监测点2、监测点4 的峰值孔隙水压力的不同是由于降雨强度的不同，相同时间内降雨强度越高，降雨量越大，雨水向边坡体内入渗速度越快，非饱和土吸收的雨水越多。在达到峰值之后降雨强度与入渗速度达到平衡，将维持稳定直至停雨。最终孔隙水压力分布无法恢复甚至降低许多，是因为停雨后边坡体内含水量无法在短时间内恢复，因此受此影响边坡稳定性也会在短时间内无法恢复。

3.2 边坡稳定性

1）初始边坡稳定性。排土场台阶高度30 m，该边坡角度为38°，边坡体由上部堆积的排弃物料、中部粉质黏土层和下部强度较高的泥岩层构成。潜在滑坡模式为圆弧式滑动，沿结构面平行被拉长滑动，根据GB/T 37573—2019《露天煤矿边坡稳定性年度评价技术规范》对于边坡稳定安全系数的限值，内排土场对于服务年限小于10 年的边坡稳定安全系数限值应大于1.2。该边坡稳定性系数大于1.2，符合安全生产需求。

2）降雨后边坡稳定性。对于4 种降雨时长条件，将SEEP/W 模块得出的降雨模拟孔隙水变化导入SLOPE/W 模块，可以得到边坡稳定性系数的变化，将4 种条件各30 次的安全稳定系数汇总，各条件下边坡稳定性对比图如图8。从图8 可以看出：受降雨持续时间及强度影响，边坡安全稳定性系数均呈现快速降低后渐渐平稳的趋势，最终边坡稳定性系数也十分接近，处于1.326 6～1.327 2 区间内。在误差允许范围内，认为最终边坡稳定系数一致。这与边坡孔隙水压力变化的最终结果十分接近。根据图像得知，相同雨量条件下，受4 种降雨时间影响的哈尔乌素露天煤矿内排土场台阶边坡体边坡稳定性系数变化较小。

图8 各条件下边坡稳定性对比图

降雨前后稳定性系数变化见表2。

表2 稳定性系数变化表

由模拟结果推断对于该露天煤矿内排土场最下部台阶而言，短时间内降雨渗流对最终边坡稳定性的影响仅与降雨总量有关，即影响短时间内最终边坡稳定性的因素为降雨总量。

为印证该猜想，额外补充验算了2 种工况下的渗流边坡：以52.5 mm/d 降雨强度分别在0～1 d 与7～8 d 各降雨1 d，最终边坡安全稳定性系数为1.327 0；以10.5 mm/d 的条件持续降雨10 d，最终边坡安全稳定性系数为1.327 7。由此认为对于该排土场台阶短时内渗流边坡稳定性影响的主要因素为降雨总量。