滲流作用下含斷層邊坡穩定性模擬分析

郭夏飛，張 彬，李 偉，王志鵬，李正勝

（1.煤炭科學研究總院，北京100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室（煤炭科學研究總院），北京100013；4.應急管理部信息研究院，北京100029）

我國是資源需求大國，露天煤礦在我國分布廣泛，進入21 世紀以后，我國露天煤礦產量已居世界第二。邊坡穩定問題一直是我國露天礦工程中的重要研究問題。露天礦邊坡顯著特點之一就是對地質條件無可選擇，造成一些邊坡由于受斷層、地下水、軟巖等因素的影響而使得其變形破壞機制及穩定性問題變得極為復雜[1-3]。我國草原地區大型露天煤礦10 余座，普遍受地下水豐富、多斷層構造、軟巖等共性難題困擾，嚴重影響了礦區的安全生產。

和大釗等[4]研究了斷層的幾何參數和力學參數對邊坡破壞模式和穩定性的影響，結果表明斷層的幾何參數對邊坡的影響程度大于力學參數。侯林[5]采用數值模擬的方法，研究了斷層對露天礦邊坡變形破壞、穩定性的影響，揭示邊坡變形破壞機理。陳鳳陽等[6]對比分析了不同斷層傾角條件下順傾層狀邊坡滑移破壞模式及穩定性，揭示了順傾斷層傾角對露天礦順傾層狀邊坡穩定性的影響規律。王東等[7]研究了斷層處于不同位置時順傾層狀邊坡的滑移破壞模式及穩定性變化規律。常來山等[8]對弓長嶺露天礦獨木采區北幫含斷層邊坡進行了可靠性分析，探討了順傾斷層的影響及邊坡的破壞風險。梁冰[9-10]等對邊坡在流固耦合作用下的穩定性進行了研究。

已有的研究較多的集中在僅考慮斷層因素與邊坡穩定的關系，在實際工程中情況往往更加復雜。地下水也是影響邊坡穩定性的重要因素之一。一般情況下，水對邊坡巖體物理力學性質起到弱化效果，特別是對斷層地質構造影響下破碎巖體的弱化效果更為明顯。掌握地下水對含斷層邊坡的影響機理，將直接影響邊坡參數的設計和疏干排水方案的制定，同時對于實現煤炭資源的最大化回收和水資源的保護利用，具有極其重要的經濟效益和生態效益。因此，露天礦邊坡在地下水、斷層等因素耦合作用下的滑坡變形、滲流特性及工程控制等問題的深入研究，具有極其重要的現實意義。

以伊敏露天礦三采區端幫邊坡為研究對象，通過對邊坡工程地質條件分析，利用相似材料模擬和數值模擬的方法，研究地下水與走向正斷層耦合作用下邊坡穩定性，用以指導礦山邊坡設計及治理，實現安全生產，同時為類似礦山提供借鑒。

1 工程地質狀況

華能伊敏露天礦主要開采15 號、16 號煤層，煤炭年產量達2 000 萬t/a。隨著露天礦采礦推進，礦山目前正處在由二采區向三采區有序過渡階段，屆時在三采區西北向形成的端幫位于斷層構造發育帶，發育的主要斷層有F1、F3、F53 條正斷層，斷層走向基本和邊坡走向一致，傾向相對邊坡反傾。

根據研究區域斷層參數及相對邊坡的位置，影響邊坡的主要為F1斷層，斷層附近巖石破壞嚴重，力學強度降低，尤其處于邊坡抗滑段，對邊坡的穩定不利。F1斷層特征：傾向NW，傾角50°～69°，落差10～152 m。主要可采煤層15 號、16 號煤層的直接充水含水層的單位涌水量為2.39 mL/min，含水層補給條件不好。

2 模型試驗方案

2.1 試驗模型和模型設計具體要求

本次相似模擬試驗為伊敏礦標高200～680 m 水平之間區域，斷層簡化為1 條正斷層，傾角53°，斷層右側地層水平，左側地層傾角7°。15 號煤厚度為44 m，16 號煤厚度72 m，煤層間為73 m 砂礫巖和154 m 砂泥互層。

根據相似定理確定相似比為1/500，相似材料模擬實驗擬試驗臺尺寸為：長×寬×高＝2 000 mm×300 mm×1 600 mm。在相似模擬邊坡試驗中骨料選用直徑為0.12～0.21 mm 的純凈砂，膠結材料選用水泥和熟石膏。邊坡模型模擬類巖石斜坡，相似材料由砂子，水泥，石膏，水按照配比制作，加工完成后室溫下風干2～3 d，使其達到試驗需要的強度，巖層主要力學性能參數及分層厚度見表1。在試驗中選取云母粉作為制作弱面材料，在制作模型時，在需要制作弱面處均勻撒上云母粉。位移監測采用三維位移動態監測系統。

2.2 開挖方案

剝離開采設計如圖1。

圖1 剝離開采設計圖Fig.1 Stripping design

模型開挖前先進行原始底層地下水滲流模擬。模型中煤層的開采根據現場工作面開采進度進行模擬開采。由地面呈斜坡狀揭露煤層，共計剝離5 次，逐層剝離、從上到下，每次實際剝離15 m，折算剝離高度為4.2 cm，煤層剝離時間間隔0.5 h。圖1 點175 為應力監測點。

3 試驗過程與分析

3.1 開挖過程模擬

模型開挖各階段如圖2。

圖2 各階段開挖模擬圖Fig.2 Excavation simulation diagram of each stage

初始階段，斷層破碎帶充填物為疏松礫石，為防止斷層導水時向兩側逸散，采用發泡膠對斷層兩側進行封堵。地下水沿透水砂礫層滲流至斷層區域，在斷層區域向采空區一側形成滲流補給，其在采空區滲流路徑分為2 個方向：一是在重力作用下向下滲透；二是沿水平方向擴散。滲流路徑在斷層帶導水作用下形成向下部巖層的補給。

剝離第1 階段向下至16 煤層底板呈斜坡狀開挖。模型開挖后，斷層上盤砂礫層含水層地下水導通，向下盤巖層滲流，滲流方向與初始階段滲流方向一致。在采空區16 號煤底板下部形成滲流影響區域，部分地下水滲透至16 號煤內部，由于滲流過程的水頭損失，第1 階段剝離結束后斷層露頭處未形成滲水；剝離第2 階段斷層露頭處仍未出現涌水；剝離第3 階段斷層露頭出現涌水，斷層充填物為礫石，涌水量為64.35 mL/min；剝離第4 階段16 號煤底幫出現大面積滲水區域，上盤砂礫含水層局部被揭露，含水層涌水量為116.19 mL/min；剝離第5 階段地下水穩定滲流，上盤砂礫含水層全部被揭露，含水層揭露處涌水量為203.37 mL/min。

3.2 位移變化過程

監測點175 處在相似試驗各階段位移變化及斷層涌水量變化如圖3。

圖3 監測點位移與斷層涌水量圖Fig.3 Displacement of monitoring point and water inflow from fault

監測點處在第1 次開挖后水平和豎直方向位移迅速增加至大于0.7 mm；第2 次和第3 次開挖后2個方向位移都有緩慢增加, 前2 次開挖斷層沒有水涌出;第3 次開挖后斷層出現涌水，涌水量為64.35 mL/min; 第4 次和第5 次開挖位移增加速度較前2次有所增加，水平和數值方向位移最大值分別為0.935 mm 和1.135 mm。斷層涌水量不斷增加，至第5 次開挖結束涌水量達到最大值203.37 mL/min。

由于開挖卸荷導致邊坡產生水平和豎直方向的位移。開挖前期，斷層未出現涌水，邊坡變形增加較為緩慢；從第3 階段開始斷層出現涌水，且涌水量逐步增加，斷層應力增加，邊坡變形速度也隨之增加，邊坡穩定性下降。

4 邊坡穩定性分析

采用FLAC3D對邊坡進行模擬，分析斷層對邊坡穩定性的影響。邊坡受斷層影響水平位移模擬結果如圖4。邊坡受斷層影響垂直位移模擬結果如圖5。邊坡受斷層影響剪應力變化規律模擬結果如圖6。

圖4 斷層影響邊坡水平方向位移變化規律模擬圖Fig.4 Simulation map of horizontal displacement variation law of slope affected by faults

圖5 斷層影響邊坡垂直方向位移變化規律模擬圖Fig.5 Simulation map of vertical displacement variation law of slope affected by faults

由圖4 可知，第1 次開挖后，斷層交于坡體中部，斷層上盤坡體內部產生較大變形，坡體斷層附近也產生較大變形；第2 次開挖后，斷層相對于坡面位置下移，上盤坡體內部位移區域有所增加，坡體斷層處變形有所減小；第3、第4、第5 次開挖，斷層相對坡體位置逐漸下移，斷層上盤坡體內部變形區域變化不大，斷層處變形逐漸減小；至第5 次開挖，斷層處僅產生微小變形。

由圖5 可知，開挖后坡體表面產生較大變形，深部變形較小，變形呈圓弧狀向坡體內部遞減。斷層上盤變形區域大于下盤。隨著開挖的進行，斷層相對位置下移，對邊坡垂直方向變形影響趨于減小。

由圖6 可知，第1 次開挖后坡體深部斷層處剪應力較大，逐次開挖后斷層相對坡體位置下移，剪應力區域及大小逐漸減小，邊坡穩定性受斷層影響逐漸減小。

從數值模擬結果看出，第1 次開挖后斷層位于坡體中部，此時坡體斷層處變形最大，剪應力值及分布區域最大，斷層對邊坡穩定性影響最明顯；隨著開挖進行坡體向前推進，斷層相對坡體位置逐漸向下移動，斷層附近變形逐漸減小，剪應力值及其分布區域減小。

無滲流作用下，斷層在坡體中的相對位置對邊坡穩定性影響變化顯著。斷層位于坡體中部時，邊坡變形及其剪應力較大，此時對邊坡穩定性影響最大。隨開挖推進坡體逐漸前移，斷層附近變形及應力值逐漸減小，斷層對邊坡影響逐漸減小。

相似模擬邊坡失穩圖如圖7。

圖7 相似模擬邊坡失穩圖Fig.7 Similar simulated slope instability map

相似模擬試驗結果顯示邊坡沿弱層出現滑移失穩。經數值模擬計算分析結果對比相似模擬試驗看出，該邊坡穩定性主要受斷層和滲流影響。開挖前期，斷層處于坡體中部，斷層中未出現涌水，斷層附近剪應力和變形較大，斷層為影響邊坡穩定性的主要因素。開挖后期，斷層相對坡體位置下移，斷層對邊坡穩定性影響趨于減小。在滲流作用下，地下水帶走松散巖層、斷層破碎帶和其他軟弱巖層結構面中的細小顆粒。同時水的作用使斷層中的充填物軟化，斷層上盤應力狀態發生變化，軟弱夾層強度進一步降低。開挖后期，斷層對邊坡穩定性影響減小，滲流作用對邊坡穩定性增強，在第5 次開挖后邊坡在斷層和滲流耦合作用下沿弱層滑移失穩。

5 結 語

1）無滲流作用下，斷層在坡體中的相對位置對邊坡穩定性影響變化顯著。斷層位于坡體中部時，邊坡變形及其剪應力較大，此時斷層對邊坡穩定性影響最大。隨開挖推進坡體逐漸前移，斷層附近變形及應力值逐漸減小，斷層對邊坡影響逐漸減小。

2）開挖不同階段邊坡穩定性主要影響因素不同。開挖前期影響邊坡穩定性的主要因素為斷層，開挖后期影響邊坡穩定性的主要因素為滲流作用。邊坡第5 次開挖后在斷層和滲流的耦合作用下沿弱面滑移失穩。