釆動破裂N2紅土滲透性試驗研究

2019-01-31 02:49:02王啟慶李文平裴亞兵呂城成

西南交通大學學報 2019年1期

王啟慶，李文平，裴亞兵，呂城成

（1. 中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇徐州 221116；2. 核工業湖州工程勘察院，浙江湖州 313000）

我國西北地區屬干旱-半干旱區，水資源量總體缺乏，生態環境脆弱，但地下淺部煤炭資源豐富. 隨著我國東部礦區煤炭資源的枯竭，我國煤炭資源開發重點已快速轉移到西北生態環境脆弱區. 2013年西北五省區煤炭產量達到17.9 × 108t，占全國的48%；未來西北地區煤炭產量將占全國煤炭總產量的70%以上[1-3]. 西北煤田覆巖土工程地質條件類型可分為5類[4]，其中砂-土-基型最為普遍，地層由上到下總體次序為：地表被現代風積沙及薩拉烏蘇組沙層所覆蓋，其下分布離石黃土和N2紅土，再下為基巖風化層和基巖組，其中，薩拉烏蘇組及基巖組中含有水，基巖組為含煤地層，巖性主要為泥巖、粉砂巖及砂巖等. 地表水及薩拉烏蘇組（Q3s）水等淺表層水是本地區的重要水源，也是維系沙漠地區脆弱生態環境的主要水源，而該區普遍發育的N2紅土是淺表層水體下的直接隔水層. 近年來，隨著西部煤炭資源的大規模開采，造成對N2紅土隔水層的全部或局部破壞，發生礦井突水和滲漏，并誘發砂層潛水位下降，淺表層水資源大范圍破壞、溝谷斷流，造成工農業用水困難，地表干旱、植被枯萎和荒漠化加劇等一系列次生生態地質災害[5-12]. 要防控或減輕該類地質災害的出現，有必要對N2紅土采動破壞突水進行預報和采取有效的控制措施，而煤層上覆N2紅土采動破壞突水過程內在機理研究，是災害預報和防控的基礎.

目前關于區域性土的研究成果較多，主要集中在土的形成和分布規律，工程地質性質差異，預測不同區域可能產生的相關工程地質環境災害問題[13-19].而針對N2紅土的研究主要集中在紅土的分布、沉積環境、基本工程地質性質及主要工程地質問題等方面[20-25]. 對N2紅土釆動變形破壞特征，特別是水土相互作用滲透性變化特征的研究還是空白. 本文首先對N2紅土的礦物成分及膨脹性進行了分析，并采用自制的水土相互作用突水過程試驗裝置，定量化地研究了釆動破裂N2紅土水土相互作用裂縫閉合規律、突水水量演化特征等，研究結果可為西北礦區淺埋煤層開采松散層潛水水位降幅及井下突水水量預計等提供基礎依據.

1 N2紅土礦物成分及膨脹性分析

1.1 礦物成分分析

影響黏土膨脹性的因素有許多，如黏粒含量、黏土礦物類型、有機質含量及交換性陽離子組成等，其中起主要作用的是黏粒含量及其中的黏土礦物類型. 采用D/Max-3B型X射線衍射儀對所取N2紅土樣進行黏土礦物成分相對定量分析，相關的測定結果見圖1，測試結果顯示蒙脫石含量為36%，伊利石、蒙脫石形成的混層礦物含量為18%，伊利石、高嶺石和綠泥石含量分別為16%、21%和7%，其他含量為2%.

圖1 N2紅土X射線衍射光譜Fig.1 X-ray Diffraction spectrum of N2 laterite

由X衍射試驗測定結果可以看出，N2紅土中含有較多的蒙脫石、高嶺石、伊利石，有部分伊蒙混層、綠泥石等黏土礦物，其中蒙脫石含量達36%，屬于高含量，而蒙脫石對黏土滲透性影響較為明顯，通常蒙脫石的礦物晶體結構決定了其吸水的高膨脹性，蒙脫石遇水膨脹使得黏土孔隙變小，從而可以造成N2紅土滲透性降低.

1.2 膨脹性分析

表征黏土膨脹性的指標主要包括有側限膨脹率、自由膨脹率、膨脹力等. 黏土有側限膨脹率的大小主要與黏土的密實程度、天然含水率及土的結構連結有關系，而自由膨脹率是黏土在無結構力影響下的膨脹性，說明了黏土膨脹的趨勢. 采用膨脹儀對多組N2紅土樣的有側限膨脹率和自由膨脹率進行測定，測定結果顯示N2紅土的有側限膨脹率為16.8%～21.2%，自由膨脹率為70.3%～80.0%. 由測定結果可以看出N2紅土由于密實度高且含有更多的膨脹性礦物在有側限條件下膨脹性較好，膨脹的趨勢也較好.

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗用土為陜北神南礦區紅柳林煤礦鉆孔取出的N2紅土樣（圖2），取樣深度為60～80 m，所取土樣呈紅褐色，N2紅土的塑性指數IP為12.5～13.2，10 ＜ IP＜ 17，屬于粉質黏土，液性指數 IL為0.11～0.20，0 ＜ IL＜ 1/4，處于硬塑狀態，其具體物理性質見表1.

圖2 N2紅土樣照片Fig.2 Samples of N2 laterite

表1 自然條件下N2紅土物理性質Tab.1 Physical properties of natural N2 laterite

2.2 試驗裝置

為了研究釆動破裂N2紅土水土相互作用突水演化過程，采用自制試驗裝置，試驗裝置結構如圖3所示. 裝置以水箱、試驗箱為主體，其中水箱上方通過預留出水孔保持試驗水頭恒定，水箱與試驗箱間設置控制閥，試驗箱內部設置裂縫N2紅土，試樣底部與透水鋼板間墊有濾網，裝置底部通過與漏斗連接的量筒測定試驗過程中的突水水量，另外，為保證突水全部進入漏斗下的量筒，漏斗直徑略大于裝置底對角線長.

2.3 試驗方法

根據現場實際情況設置試驗工況參數，以神南礦區紅柳林礦N2紅土地面采動裂縫現場調查為原型，裂縫寬度一般為5～15 cm，相鄰裂縫最小間距約為60 cm. 按照幾何相似比αl= lp/lm= 10，其中，lp和lm分別為原型長度和模型長度，根據前述測試原狀N2紅土物理性質，控制試樣含水率為15.8%，密度為1.90 g/cm3，進行試樣重塑，在試驗箱內分4層擊實，并在各層結合面刨毛，試樣長為200 mm、寬為200 mm、高為100 mm，對試樣進行預制裂縫，試樣預制裂縫2條（間距約為6 cm，模擬現場最小間距約為60 cm鄰近裂縫的影響）. 共制成帶裂縫的試樣3組，裂縫寬度分別為5.0、10.0 mm和15.0 mm，試驗水頭為700 mm. 試驗中數據采集間隔為1 min，同時采用相機記錄裂縫變化過程圖像.

圖3 試驗裝置Fig.3 Experimental equipment

3 試驗結果分析

3.1 裂縫閉合規律

試驗中對不同裂縫寬度N2紅土水土相互作用裂縫變化進行了監測，圖4、5為裂縫隨時間變化過程，由圖可知，裂縫的變化主要包括3個方面：

（1）松散顆粒堆積. N2紅土及裂縫表面松散土顆粒被水流沖刷帶入裂縫內，并隨時間緩慢堆積；該過程在試驗最初階段十分明顯.

（2）裂縫邊緣潰塌. 裂縫邊緣土體結構較松散甚至存在細小裂隙，在與水的接觸相互作用下逐漸潰塌至裂縫內，該過程主要出現在試驗前期.

（3） N2紅土遇水膨脹. 由前述可知N2紅土具有較強膨脹性，與水發生相互作用產生膨脹，致使裂縫寬度逐漸減小，試驗后期更為明顯.

圖4 N2紅土裂縫隨突水歷時變化過程Fig.4 Change process of N2 laterite fracture with water inrush

圖5 裂縫寬度隨時間變化曲線Fig.5 Relationship between crack width and time

另外，由圖5可知：裂隙寬度10.0 mm組的土樣在突水過程持續100 min后裂隙寬度減小至約3.2 mm，減小約68%；試驗前15 min內裂隙寬度的減小量約占總減小量的60%，主要原因是試驗初期松散顆粒堆積、裂縫邊緣潰塌等較為劇烈；試驗75 min后基本趨于穩定.

3.2 突水水量變化規律

試驗中分別對裂縫寬度為5.0、10.0、15.0 mm的N2紅土試驗模型水土相互作用突水量進行了監測，圖6為模型試驗過程中突水量隨時間變化曲線.由圖可知，釆動破裂不同寬度裂縫的N2紅土發生水土相互作用突水量均隨時間逐漸變小，突水量的變化可分為3個階段：

（1）初期為水量快速下降階段. 這一階段突水量的降幅較大，主要原因為初期松散顆粒堆積、裂縫邊緣潰塌嚴重，且土體膨脹迅速、膨脹量大，裂縫閉合速度快.

（2）中期為水量緩慢下降階段. 這一階段突水量的降幅較小，主要原因為中期N2紅土裂縫的結構基本穩定，裂縫內堆積土顆粒也基本不再增加，N2紅土繼續與水相互作用產生膨脹，但膨脹速率明顯減小，裂縫緩慢閉合.

（3）后期為水量穩定階段. 這一階段突水量基本保持不變，說明釆動裂縫N2紅土水土相互作用使土體基本達到最大膨脹量，裂縫閉合基本穩定.

圖6 突水量與時間的關系Fig.6 Relationship between water inrush volume and time

另外，由圖6可知，裂縫寬度越大，突水量變化的前兩個階段持續時間越長，即突水穩定時間越長.此外，裂縫寬度大的突水量穩定階段時水量仍較大，說明N2紅土釆動裂縫寬度越大，后期恢復越困難.

根據試驗過程中裂縫型N2紅土水土相互作用的突水量數據，采用等效滲透系數，計算3個模型滲透系數，繪制不同裂縫寬度的N2紅土水土相互作用滲透系數變化曲線（圖7）. 由圖可知，3種裂縫寬度的N2紅土滲透系數K隨時間t均逐漸減小，采用指數衰減函數： K =A1e-t/b1+A2e-t/b2+K0的形式進行擬合（圖 7），式中：A1、A2、b1、b2及 K0為待定系數.擬合結果顯示相關系數R2均大于0.96，說明釆動裂縫N2紅土水土相互作用滲透系數與時間呈很好的負指數關系.