燒變巖邊坡滲流特征及采動穩(wěn)定分析研究

李 超，閆 杰，趙錦生，李 偉，郭夏飛

(1.國家能源集團神華國能大南湖二礦，新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，839000；2.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區(qū)，100013)

邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多，如邊坡幾何因素、邊坡巖性及巖體結(jié)構(gòu)、地下水等[1-3]。其中，地下水的滲透作用往往是邊坡穩(wěn)定至關重要的因素[4-6]。地下水在滲透壓力的作用下，可能帶走松散巖層、斷層破碎帶和其他軟弱結(jié)構(gòu)面中的細小顆粒，土體中的滲流作用會促進巖土體結(jié)構(gòu)破壞；地下水滲流還可使粘土質(zhì)巖石軟化、泥化，降低巖體強度，造成坡體失穩(wěn)[7-8]。尤其對于一些巖性較為特殊的邊坡，水對邊坡的影響更為突出[9-10]。邊坡失穩(wěn)的根本原因在于坡體內(nèi)部某個滑動面上的剪切應力達到抗剪或抗拉強度，穩(wěn)定平衡受到破壞。而剪應力達到抗剪強度的原因有2個方面：一是由于剪應力的增加，二是因為土體本身抗剪強度的減小[11-12]。

國家能源集團神華國能大南湖二礦(以下簡稱大南湖二礦)首采區(qū)南側(cè)存在火燒區(qū)，火燒區(qū)中賦存大量地下水。隨著首采區(qū)南端幫不斷推進，火燒區(qū)地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響愈加明顯。本文以大南湖二礦首采區(qū)南端幫邊坡為研究對象，對地下水滲透特征及邊坡穩(wěn)定性進行研究。

1 大南湖地質(zhì)條件及火燒區(qū)水文地質(zhì)特征

大南湖二礦首采區(qū)內(nèi)地層自下而上依次為：侏羅系下統(tǒng)三工河組、侏羅系中統(tǒng)西山窯組、頭屯河組、古近系、新近系、第四系。巖層以泥巖、粉砂巖、細砂巖、炭質(zhì)泥巖及煤層為主，夾中粒砂巖及砂礫巖。首采區(qū)可采煤層為10層(16號、18號、19號、21號、22號、22下號、25號、28號、29號、30號煤層)。火燒區(qū)位于首采區(qū)南端幫外側(cè)，地面標高為414.03～454.35 m，火燒區(qū)平面呈橢圓形，長軸約為4.5 km，長軸方向與首采區(qū)南端幫走向一致，礦坑設計采深約150 m。

火燒區(qū)利用磁法、鉆探、測井及二維地震等方法確定火燒面積為4.45 km2，燒變巖底板標高為183.60～393.04 m?；馃齾^(qū)初始水位標高為406.61～406.91 m，單位涌水量為3.598 6～9.045 1 L/(s·m)，滲透系數(shù)為1.52～4.99 m/d。該礦區(qū)地處戈壁荒原，地下水補給能力極微弱，火燒區(qū)地下水以儲存量為主，估算含水量達50.0 Mm3，是富水性極強的獨立含水單元。

2 南端幫邊坡地下水位分析

通過南端幫5口水文觀測井數(shù)據(jù)，分析地層中的滲流水頭與距離關系，從而確定邊坡區(qū)域地下水的水力坡度。現(xiàn)場補充鉆探水井位置如圖1所示，邊坡水力坡降統(tǒng)計情況見表1。

圖1 現(xiàn)場補充鉆探水井位置

表1 邊坡水力坡降統(tǒng)計情況

通過表1可知，SW02水井與SW03水井相距100 m，水位標高相差為14.2 m，2個水井間水力坡降為14.2%，坡降角為8.1°；SW04水井與SW05水井相距100 m，水力坡降為22.7%，坡降角為12.8°；SW03與火燒區(qū)相距200 m，區(qū)段水力坡降為8.73%，坡降角為5.0°；SW02和SW04井與火燒區(qū)間坡降角較小，可忽略。

3 南端幫地下水滲流模擬及邊坡破壞特征

3.1 燒變巖邊坡滲流模型

根據(jù)現(xiàn)場水文和地質(zhì)資料，選取剖面建立地下水滲流模型，模型長為575 m、地面標高為437 m，現(xiàn)場共有6層可采煤層，其中22號～25號煤層之間主要為泥巖層組，25號～28號煤層之間為砂巖層組。模型左邊界水頭邊界為+340 m，右邊界水頭邊界為+400 m，SW02水井水位標高為397.4 m，SW03水井水位標高為383.4 m，+365水平坡面以下為滲水邊界，模擬火燒區(qū)地下水對端幫邊坡的滲流規(guī)律。現(xiàn)場水文實測線、地質(zhì)模型及地下水位模擬浸潤線如圖2所示。

3.2 滲流場模擬研究

為了研究燒變巖邊坡地下水滲透特性，建立邊坡滲流計算模型，模型采用自由網(wǎng)格劃分法進行網(wǎng)格劃分。選取邊坡滲流計算材料為各向同性材料，坡體后緣設置標高400 m的定水頭，邊坡前緣設置標高為357 m的定水頭，坑底及一級臺階坡面設置單位流量為3×10-6m/s，模型底部邊界設置為不透水邊界。邊坡滲流計算模型如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場水文實測線、地質(zhì)模型及地下水位模擬浸潤線

圖3 邊坡滲流計算模型

現(xiàn)場測試水位與模擬水位相近，模擬的水力坡降的坡降角為10°，22號煤層以上滲流水力坡降的坡降角變化較緩僅為3°。模擬水位在22號～25號煤層之間厚層泥巖層中形成水位差(圖4中圈定區(qū)域)，現(xiàn)場水文實測中SW03水井與邊坡滲水面之間也有較大水位差。在22號～25號煤層之間的地層中，地下水等勢線在邊坡385～404 m間出現(xiàn)匯聚趨勢，此區(qū)域地層承受較大滲透力。滲流場水頭等勢線與流速矢量圖如圖4所示，水平方向滲流速度云圖如圖5所示，豎直方向滲流速度云圖如圖6所示。

圖4 滲流場水頭等勢線與流速矢量圖

圖5 水平方向滲流速度云圖

圖6 豎直方向滲流速度云圖

在水平方向滲流速度云圖中，水平方向流速主要集中出現(xiàn)2處區(qū)域：第一區(qū)域為25號～28號煤層之間的砂巖層組，為地層中主要滲流通道；第二區(qū)域為邊坡上部+415水平巖層中。在豎直方向滲流速度云圖中，豎直方向流速變化主要集中3個區(qū)域，第一區(qū)域為燒變巖區(qū)域水位至28號煤層之間，表明燒變巖中地下水通過側(cè)向補給28號煤層以上地層；第二區(qū)域為采坑下部區(qū)域，主要為地下水向礦坑泄排區(qū)域；第三區(qū)域為21號煤層臺階，地下水水頭在該區(qū)域出現(xiàn)下降。

通過滲流場等勢線及滲流流速分析，滲流引起22號～25號煤層邊坡區(qū)域等勢線出現(xiàn)集中趨勢，表明該區(qū)域泥巖層組承受較大的滲透力。滲流場在邊坡區(qū)域形成2處流速變形區(qū)域，主要為坡腳區(qū)域滲流排泄區(qū)和+415 m平盤巖層。

3.3 滲流場與應力場耦合分析

通過耦合滲流場分析可知，在滲流作用下，邊坡位移變形在坡面+415 m水平以上臺階區(qū)域，為燒變巖區(qū)域沉降形成的變形位移，如圖7(a)所示。剪應力場在邊坡區(qū)域形成3個變形區(qū)域，第一區(qū)域在燒變巖與正常地層界面形成剪應力集中帶；第二區(qū)域為+415 m水平臺階區(qū)域，形成局部下凹型剪應力變形區(qū)域，主要為滲流場集中形成剪應力變化；第三區(qū)域為沿坡面形成的剪應力集中變形區(qū)域，未在坡腳區(qū)域形成剪應力破壞變形區(qū)域，如圖7(b)所示。在剪應變場中，如圖7(c)所示，變形發(fā)生在燒變巖地下水(+400 m)分界區(qū)域，變形主要集中在燒變巖區(qū)域，沿+400 m水平影響至局部正常地層。

圖7 剪應力場與滲流場耦合

4 地下水滲流影響下邊坡穩(wěn)定性分析研究

4.1 滲流動水壓力驅(qū)動演化分析

地下水滲流時，作用于巖石固體顆粒上的壓力稱為動水壓力或滲透力。滲流中固體顆粒的阻力，形成地下水的總水頭損失、滲透力大小與地下水的沿程損失，流動水體的體積和水力梯度有關，其表達見式(1)：

J=nrwIVw

(1)

式中:J——動水壓力，MPa；

n——巖體的孔隙率；

rw——水的重度，kN/m3；

I——水力坡降；

Vw——巖體中滲流部分的體積，m。

在分析地下水穩(wěn)定時，需要考慮滲流對邊坡穩(wěn)定性影響。南端幫邊坡地層為近水平，燒變巖地下水在邊幫巖體中形成水平方向滲流，使邊坡具備了順層滑移破壞的條件。通過滲流場模擬分析可知，在泥巖層區(qū)域形成等勢線集聚趨勢，為滲流場中滲透力主要作用區(qū)域；坡體沿主要滲流層及坡腳地下水泄排區(qū)域剪切變形。同時地下水沿砂巖層出現(xiàn)流動，將形成沿水平方向的滑動面。通過以上分析，確定了滲流場作用大小、滲流的主要作用區(qū)域以及邊坡滑動形式。

4.2 滲流場作用下邊坡穩(wěn)定性分析

隨著開采深度的增加，坡體體積不斷增加，坡體內(nèi)部由于地下水滲透產(chǎn)生的動水壓力不斷增加，通過式(1)計算可知，坡體動水壓力與采深近似呈線性關系。監(jiān)測火燒區(qū)與原巖區(qū)交界面處流量可知，隨著采深的增加，火燒區(qū)地下水向原巖區(qū)滲透量不斷增加且增速逐漸下降。采用極限平衡分析可知，邊坡安全系數(shù)隨采深增加呈加速下降趨勢。邊坡穩(wěn)定性影響因素主要為采深、地下水流量與動水壓力，隨著采深的增加，地下水增速逐漸減小，動水壓力呈線性增加，而邊坡安全系數(shù)加速下降，因此，采深對邊坡穩(wěn)定性影響呈增加趨勢。邊坡動水壓力變化、火燒區(qū)滲水量變化、邊坡安全系數(shù)變化如圖8、圖9、圖10所示。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)現(xiàn)場水文勘查，確定大南湖二礦首采區(qū)南端幫水力坡降的坡度角為5.0°～12.8°。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，該區(qū)域端幫水力坡降的坡度角為10°，模擬結(jié)果與現(xiàn)場測量相近。邊坡地下水水力坡降主要受到巖層滲透率大小影響，滲透率較大區(qū)域水力坡降較小，而隔水性較好的泥巖層水力坡降較大。

圖8 邊坡動水壓力變化

圖9 火燒區(qū)滲水量變化

圖10 邊坡安全系數(shù)變化

(2)通過對南端幫邊坡地下水滲流場模擬和邊坡變形模擬，燒變巖區(qū)域地下水直接補給于邊坡砂巖層，在25號～28號煤層之間砂巖層為該區(qū)域主滲水通道，最終在礦坑底部形成泄排區(qū)；根據(jù)等水位線的變化趨勢，確定了邊坡的滲透力主要作用區(qū)域為泥巖層段。

(3)在采動影響下，邊坡穩(wěn)定性呈加速下降趨勢。動水壓力隨采深近似呈線性增加，火燒區(qū)地下水向原巖區(qū)滲透量隨采深增加增速逐漸下降，采深增加對邊坡穩(wěn)定性影響呈增加趨勢。