王建國，白 宇，劉明明

(國能新疆托克遜能源有限責(zé)任公司，新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市，830002)

0 引言

我國煤炭資源儲(chǔ)量豐富，隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，許多露天煤礦轉(zhuǎn)入深凹開采階段，邊坡穩(wěn)定性問題逐漸突出[1-3]。地下水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素之一。地下水滲透對(duì)邊坡的影響主要為：地下水入滲增加坡體自重，坡體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變，潛在滑動(dòng)面剪應(yīng)力增加；地下水入滲降低巖體的承載能力，軟化巖體形成潛在滑移面。在工程領(lǐng)域，關(guān)于流體與應(yīng)力耦合相互作用已有較多研究[4-8]，其主要模型有等效連續(xù)介質(zhì)模型、裂隙網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)模型及雙重介質(zhì)模型，許多學(xué)者將其應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性方面的研究[9-11]。

在我國西部地區(qū)，由于煤層賦存較淺，煤層自燃形成大面積的火燒區(qū)。目前關(guān)于礦區(qū)燒變巖的研究較多集中在地質(zhì)特征和富水特性方面[12-14]。范立民等[15-16]研究了燒變巖的垂向分帶和水平分布，指出燒變巖裂隙發(fā)育不均一性是富水不均一的基本因素；孫云博等[17]總結(jié)燒變巖的類別和基本特征，以陜北燒變巖為例，分析了燒變巖水文與工程地質(zhì)特征；韓冬梅等[18]利用群井大涌量抽水試驗(yàn)計(jì)算燒變巖導(dǎo)水系數(shù)和給水度分布，認(rèn)為導(dǎo)水系數(shù)計(jì)算值與抽水歷時(shí)有關(guān)。

火燒區(qū)中燒變巖孔洞、裂隙發(fā)育，強(qiáng)度低、富水性強(qiáng)，對(duì)周邊煤炭資源開采產(chǎn)生較大威脅[19-20]。對(duì)于露天煤礦開采而言，邊坡不僅受到火燒區(qū)地下水滲透影響，同時(shí)開采活動(dòng)也會(huì)降低邊坡穩(wěn)定性。王振偉等[21]分析了新疆別斯庫都克露天煤礦地質(zhì)條件，通過數(shù)值計(jì)算對(duì)燒變巖邊坡進(jìn)行了變形失穩(wěn)研究；田軍等[22]通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)得到燒變巖物理力學(xué)參數(shù)，通過修正RMR值得到合理可靠的燒變巖巖體強(qiáng)度參數(shù)，并計(jì)算了白礫灘露天礦燒變巖邊坡穩(wěn)定性；孫玉亮[23]分析了燒變巖的力學(xué)特征及積水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；曹博等[24]以黑山露天煤礦為例，構(gòu)建模擬開采境界，揭示了境界剝采比與平均剝采比隨分區(qū)境界外擴(kuò)的變化規(guī)律，確定了燒變巖侵蝕露天礦分區(qū)境界確定的原則及使用條件；徐曉天等[25]通過對(duì)大南湖煤田大量鉆孔資料的整理和分析，參考分析前人對(duì)火燒區(qū)的研究成果，結(jié)合自身在本區(qū)的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大南湖煤田火燒區(qū)的分布、特征及形成原因等進(jìn)行了較為客觀的歸納和總結(jié)。目前關(guān)于燒變巖邊坡穩(wěn)定性的研究對(duì)地下水因素考慮的較少，而地下水滲流是影響此類邊坡穩(wěn)定性的重要因素。筆者以某露天煤礦南端幫為工程背景，深入研究采動(dòng)影響下燒變巖邊坡地下水滲透特性及邊坡穩(wěn)定性。

1 工程地質(zhì)概況

某露天煤礦首采區(qū)南端幫外側(cè)為Ⅲ火燒區(qū)，Ⅲ火燒區(qū)平面呈橢圓形，其長(zhǎng)軸方向長(zhǎng)4.5 km，深度238 m。長(zhǎng)軸方向與首采區(qū)推進(jìn)方向一致，直至最深可采煤層29號(hào)煤層，厚度5.85～205.10 m，含水量5×107m3，為富水性極強(qiáng)的獨(dú)立含水單元。Ⅲ火燒區(qū)地下水水位標(biāo)高+400 m左右，局部隱伏區(qū)域具有承壓水特性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，露天煤礦邊坡+425、+415、+405、+395 m水平臺(tái)階地下水位保持在+400.5、+397.6、+377.8、+383.4 m，火燒區(qū)水位標(biāo)高+400.8 m。邊坡區(qū)域水位在剝離臺(tái)階區(qū)域出現(xiàn)下降。邊坡區(qū)域現(xiàn)有4個(gè)水井，水位沿坡向出現(xiàn)降低趨勢(shì)。礦坑最下臺(tái)階+345 m臺(tái)階冬季有積水，在+365 m臺(tái)階上部有零散的出水點(diǎn)，+348 m臺(tái)階為礦坑端幫滲水標(biāo)高。

2 燒變巖邊坡采動(dòng)影響地下水滲透特性分析

2.1 參數(shù)選取

針對(duì)邊坡傾角和采深變化對(duì)邊坡滲透特性的影響進(jìn)行分析，主要以地下水滲透路徑、浸潤(rùn)面變化、滲透速度、流量等特性為研究重點(diǎn)，研究不同因素變化過程中，邊坡內(nèi)地下水在不同含水層的滲透特征。結(jié)合礦區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料，砂泥巖互層、煤、泥巖、細(xì)砂巖、砂巖、類熔巖、燒結(jié)巖、烘烤巖的滲透系數(shù)分別為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。巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)見表1，工程地質(zhì)模型如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)模型

表1 巖體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)指標(biāo)

2.2 不同采深邊坡滲透特性分析

采深變化對(duì)燒變巖邊坡地下水滲透特性的影響實(shí)質(zhì)是由于采深變化過程中對(duì)邊坡巖體剝離，導(dǎo)致原巖區(qū)巖體含水層尺寸發(fā)生變化，從而引起地下水滲透路徑、速度及流量等參數(shù)發(fā)生變化。針對(duì)不同采深工況下邊坡地下水滲透特性進(jìn)行分析，保持邊坡傾角12°不變，設(shè)置采深80、90、100、110 m，不同采深邊坡地下水滲透特性模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同采深地下水坡體滲透特性

2.2.1 地下水滲透路徑變化特征

采深80 m時(shí)，坑底剝離至細(xì)砂巖層上部，浸潤(rùn)線從細(xì)砂巖層上部+348 m標(biāo)高滲出，地下水主要沿細(xì)砂巖層和砂巖層滲透至坡體前緣；采深90 m時(shí)，坑底剝離至砂巖層中部，浸潤(rùn)線從+391 m標(biāo)高滲出，地下水沿細(xì)砂巖層和砂巖層向前緣滲透，坡體前緣400～520 m位置，兩透水層地下水開始逐漸向上部滲透，從+365 m標(biāo)高煤巖層臺(tái)階和+355 m標(biāo)高細(xì)砂巖層臺(tái)階滲出；采深100 m時(shí)，浸潤(rùn)線從上部泥巖層+398 m標(biāo)高滲出，地下水沿細(xì)砂巖層和砂巖層向前緣滲透，坡體前緣340～440 m位置，兩透水層地下水開始逐漸向上部滲透，從+365 m標(biāo)高煤巖層臺(tái)階和+355 m標(biāo)高細(xì)砂巖層臺(tái)階滲出；采深110 m時(shí)，浸潤(rùn)線從上部泥巖層+399 m標(biāo)高滲出，地下水沿細(xì)砂巖層和砂巖層向前緣滲透，坡體前緣300～380 m位置，兩透水層地下水開始逐漸向上部滲透，從+365 m標(biāo)高煤巖層臺(tái)階、+355 m標(biāo)高細(xì)砂巖層臺(tái)階和+345 m標(biāo)高砂巖層臺(tái)階滲出。

隨著采深的增加，坡面向后緣推進(jìn)，坡面出水點(diǎn)逐漸升高。地下水沿細(xì)砂巖層和砂巖層向前緣滲透，至坡體臨空面附近逐漸向上部煤層臺(tái)階和細(xì)砂巖層臺(tái)階滲出，少量從砂巖層臺(tái)階滲出。

2.2.2 地下水滲透速度躍變特性研究

監(jiān)測(cè)細(xì)砂巖層和砂巖層在+260～+625 m標(biāo)高地下水滲透速度，如圖3所示。由圖3可知，隨采深增加坡面向火燒區(qū)推進(jìn)，細(xì)砂巖層和砂巖層滲透速度不斷增加。受巖層剝離的影響，地下水滲透路徑發(fā)生變化，細(xì)砂巖層和砂巖層地下水在接近臨空面時(shí)向上部滲透，從上部臺(tái)階滲出，因此，采深90、100、110 m 工況下滲透速度存在躍變現(xiàn)象，即接近臨空面時(shí)兩滲透速度迅速下降并接近于0。地下水滲透速度的躍變現(xiàn)象是由于含水層地下水滲透路徑發(fā)生變化，即部分地下水接近臨空面位置向上滲透，提前滲出巖體導(dǎo)致，因此砂巖層滲透速度躍變位置滯后于細(xì)砂巖層。

圖3 不同采深地下水滲透速度變化

2.2.3 地下水流量變化特性研究

監(jiān)測(cè)火燒區(qū)和原巖區(qū)交界面處細(xì)砂巖層和砂巖層的地下水流量，不同采深工況下地下水流量變化如圖4所示。由圖4可知，火燒區(qū)地下水向兩透水層滲透流量隨采深增加近似呈線性增加。由于采深增加，坡體巖層被剝離，坡面向后緣推進(jìn)，兩透水層尺寸逐漸減小，兩透水層中地下水滲出位置距離火燒區(qū)越來越近，地下水從火燒區(qū)至坡面滲出，在坡體中滲透的路徑越來越短，阻力越來越小，因此流量越來越大。

圖4 不同采深地下水流量變化特征

2.3 不同傾角邊坡滲透特性分析

保持開采深度80 m不變，使整體邊坡角分別為12°、14°、16°、18°。針對(duì)不同傾角工況下邊坡地下水滲透特性進(jìn)行分析，不同傾角地下水滲透特性模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 邊坡不同傾角地下水滲流特性

2.3.1 地下水滲透路徑變化特征

隨煤巖層的剝離整體邊坡角度增加，坡面出水點(diǎn)高度變化不大。浸潤(rùn)線近似為一條傾斜的直線。邊坡傾角12°時(shí)，兩透水層未被剝離出來，地下水沿水平方向前緣滲透；邊坡傾角14°時(shí)，細(xì)砂巖層被剝離出一半，細(xì)砂巖層中的地下水沿斜坡面滲出，下部砂巖層中地下水向上穿過煤層和細(xì)砂巖層，從坡腳處滲出；邊坡傾角16°時(shí)，細(xì)砂巖層被完全剝離出來，細(xì)砂巖層中的地下水沿斜坡面滲出，下部砂巖層中地下水向上穿過煤層，從坡腳處滲出；邊坡傾角18°時(shí)，26號(hào)煤層被完全剝離，上部臺(tái)階細(xì)砂巖層少量被剝離，細(xì)砂巖層中的水從上部臺(tái)階滲出，砂巖層中的水部分穿過煤層及細(xì)砂巖層從上部臺(tái)階滲出，部分從坡腳滲出。

隨邊坡傾角逐漸增加，細(xì)砂巖層中的水從細(xì)砂巖臺(tái)階或坡面滲出，砂巖層中的地下水從坡腳滲出或向上穿過煤層和細(xì)砂巖層從臺(tái)階滲出。

2.3.2 砂巖層地下水滲透速度躍變特征

由于邊坡角變化過程中，臨空面位置變化相對(duì)較小，同時(shí)考慮含水層中地下水接近臨空面時(shí)滲透狀態(tài)發(fā)生變化影響流速，細(xì)砂巖層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置設(shè)置在400 m處。監(jiān)測(cè)坡體前緣砂巖層400～625 m段滲透速度變化如圖6所示。隨邊坡角度增加，地下水在砂巖層的流速遞增，4種工況下坡腳處流速都有躍變現(xiàn)象。邊坡傾角14°、16°、18°時(shí)，砂巖層地下水在坡腳處流速迅速下降，流速趨近于0并保持穩(wěn)定。砂巖層地下水向前緣滲透，至坡腳附近向上滲出，不沿砂巖層向前滲透，因此滲透速度迅速下降。

圖6 砂巖層滲透速度變化特征

2.3.3 透水層地下水流量變化特征

監(jiān)測(cè)坡體前緣細(xì)砂巖層流量和砂巖層625 m處地下水流量變化特征如圖7所示。隨著坡體傾角增加，細(xì)砂巖層在坡體前緣地下水滲透量逐漸增加，砂巖層前緣地下水滲透量逐漸減小。隨邊坡傾角增加，細(xì)砂巖層尺寸逐漸減小，前緣地下水滲流量增加。砂巖層地下水主要從坡腳處向上滲出。邊坡傾角增加，坡腳逐漸前移，監(jiān)測(cè)位置距離地下水滲出位置逐漸增大，因此地下水流量逐漸下降。

圖7 透水層流量變化特征

3 燒變巖邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 不同采深對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

不同采深工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算如圖8所示。當(dāng)采深分別為80、90、100、110 m時(shí)，隨著采深增加，邊坡穩(wěn)定性逐漸下降，邊坡安全系數(shù)分別為1.752、1.621、1.488、1.378。

圖8 不同采深工況邊坡穩(wěn)定性

無水條件下計(jì)算不同采深工況下邊坡穩(wěn)定性結(jié)果如圖9所示。當(dāng)采深分別為80、90、100、110 m時(shí)，坡體均為多臺(tái)階滑動(dòng)。隨采深增加臨界滑動(dòng)面位置發(fā)生變化，邊坡安全系數(shù)Fs逐漸減小，分別為1.903、1.876、1.747、1.630。

圖9 無水條件不同采深工況下燒變巖邊坡穩(wěn)定性

邊坡穩(wěn)定性隨采深變化趨勢(shì)如圖10所示。由圖10可知，無地下水工況下，隨采深增加邊坡安全系數(shù)近似呈線性減小，邊坡穩(wěn)定性隨采深增加持續(xù)穩(wěn)定下降；邊坡受地下水影響時(shí)，隨采深逐漸增加，邊坡安全系數(shù)分別下降0.131、0.133、0.110。邊坡在采深與地下水共同作用下，安全系數(shù)持續(xù)穩(wěn)定下降。采深增加，透水層尺寸減小，地下水滲透量增加，砂巖層地下水沿坡腳向上滲透，導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)下降。

圖10 不同采深邊坡安全系數(shù)變化

無水條件下，采深110 m較80 m安全系數(shù)下降了0.374。采深80、90、100、110 m，含水邊坡安全系數(shù)較無水時(shí)分別下降了0.151、0.255、0.259、0.252。從2種工況安全系數(shù)的差值可知，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響大于采深對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，隨采深增加，有無地下水邊坡安全系數(shù)差值基本不變，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響基本保持穩(wěn)定。

3.2 邊坡傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究

不同傾角工況下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖11所示。邊傾角為12°、14°、16°、18°時(shí)，隨邊坡傾角增加，邊坡安全系數(shù)Fs逐漸減小，分別為1.752、1.650、1.542、1.432。

圖11 不同傾角工況下燒變巖邊坡穩(wěn)定性

無水條件下邊坡安全系數(shù)如圖12所示。邊傾角為12°、14°、16°、18°時(shí)，邊坡安全系數(shù)隨傾角增加逐漸下降，邊坡安全系數(shù)分別為1.903、1.846、1.755、1.669。

圖12 無水條件不同傾角工況下燒變巖邊坡穩(wěn)定性

安全系數(shù)隨邊坡傾角變化如圖13所示。受地下水影響的邊坡安全系數(shù)均小于無水條件下安全系數(shù)，有無地下水影響的邊坡安全系數(shù)隨傾角增加均近似呈線性下降。有水條件下，安全系數(shù)下降速率大于無水條件下安全系數(shù)下降速率。

圖13 不同邊坡傾角安全系數(shù)變化

安全系數(shù)差值與坡體前緣細(xì)砂巖層流量變化如圖14所示。當(dāng)邊傾角為12°、14°、16°、18°時(shí)，有無地下水影響邊坡安全系數(shù)差值分別為0.151、0.196、0.213、0.247。2種工況下邊坡安全系數(shù)差值逐漸增加，即地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響隨邊坡傾角增加而增加。無水條件下，隨著邊坡傾角的增大，邊坡安全系數(shù)的差值分別為0.057、0.091、0.086，因此，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響大于傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。細(xì)砂巖層尺寸隨著邊坡傾角增加逐漸減小，流量逐漸增加，且下部砂巖層地下水由坡腳處向上滲透，導(dǎo)致地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響逐漸增加。由圖14可知，2種工況安全系數(shù)差值隨于邊坡地下水滲透量變化趨勢(shì)相同，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響隨地下水滲透量增加而增大。

圖14 安全系數(shù)差值與流量變化

4 結(jié)論

(1)隨采深增加地下水沿細(xì)砂巖層和砂巖層向前緣滲透，至坡體臨空面附近逐漸向上部煤層臺(tái)階和細(xì)砂巖層臺(tái)階滲出，少量從砂巖層臺(tái)階滲出。邊坡傾角逐漸增加，細(xì)砂巖層中的水從細(xì)砂巖臺(tái)階或坡面滲出，砂巖層中的地下水從坡腳滲出或向上穿過煤層和細(xì)砂巖層從臺(tái)階滲出。

(2)隨采深增加，兩透水層滲透速度增加，坡體前緣流量增加，地下水接近臨空面附近滲透速度迅速下降，砂巖層滲透速度躍變位置滯后于細(xì)砂巖層。傾角增加，砂巖層滲透速度增加，細(xì)砂巖層流量增加。由于砂巖層地下水從坡腳處向上滲出，坡體前緣624 m處流量隨傾角增加流量逐漸減小。

(3)受采動(dòng)和地下水雙重影響，下邊坡穩(wěn)定性持續(xù)下降。地下水對(duì)邊坡的影響大于采動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。隨采深增加，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響保持穩(wěn)定；傾角增加，地下水對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響增加。