泥巖及泥巖弱層含水率對順傾軟巖基底內(nèi)排土場穩(wěn)定性影響研究

趙貴彬 封海洋 韓 猛 李金典3

（1.內(nèi)蒙古大雁礦業(yè)集團有限責(zé)任公司扎尼河露天礦；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室）

露天煤礦邊坡失穩(wěn)的原因多種多樣，但其中水對露天煤礦邊坡的影響不可輕視。其主要作用是地表水及地下水的滲入，使土體吸水飽和后容重增加，整體強度降低，從而增大邊坡下滑力、降低抗滑力，以至于邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)降低。含水率是影響露天煤礦邊坡穩(wěn)定性的重要因素，對露天煤礦的安全生產(chǎn)極為重要［1-2］。而內(nèi)排土場作為露天煤礦的重要排土場地，其邊坡的穩(wěn)定性尤為重要。但隨著水的滲入，會對泥巖及泥巖弱層產(chǎn)生浸泡，使其處于充水狀態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)排土場穩(wěn)定性降低，因此很有必要對泥巖及泥巖弱層含水率與順傾軟巖基底內(nèi)排土場穩(wěn)定性的關(guān)系進行研究。

本研究以內(nèi)蒙古某露天煤礦為例，針對泥巖及泥巖弱層含水率與順傾軟巖基底內(nèi)排土場穩(wěn)定性的關(guān)系展開研究，進一步揭示泥巖及泥巖弱層含水率對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性的影響機理，并提出合理的防治水措施，對類似露天煤礦地表水及地下水的防治具有一定的參考價值［3-4］。

1 工程概況

1.1 自然地理

研究區(qū)域?qū)儆谔焐健d蒙地槽系中的興安地槽東北段北帶邊緣的一部分，區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)屬于侵蝕、堆積與低緩丘陵地形的過渡地帶［5］。地勢總體是南高北低，海拔標(biāo)高為626～687 m，地貌單元屬沖積平原類型，地勢相對平緩。

由東向西流經(jīng)本區(qū)北部的老年期河流海拉爾河為地表主要河流，存在較多分叉合并現(xiàn)象，牛軛湖較發(fā)育，最小流量為0 m3/s，最大流量為1 590 m3/s，平均流量為65.4 m3/s；另有分布于西區(qū)煤田東部、中部和西部的布洛莫也溝、順河、扎尼河3條季節(jié)性河流，由南向北流經(jīng)本區(qū)注入海拉爾河，平均流量為0.014～0.125 m3/s［6-7］。

1.2 工程地質(zhì)條件

該區(qū)域位于大雁煤田西區(qū)，存在一組向斜構(gòu)造，構(gòu)造形態(tài)為橢圓形盆地，該礦受向斜構(gòu)造影響，采場邊幫多為順傾邊坡，易發(fā)生邊坡問題。地層自下而上分別為泥盆系上統(tǒng)大民山組（D3d）、白堊系下統(tǒng)龍江組（K1l）、白堊系下統(tǒng)九峰山組（K1j）、白堊系下統(tǒng)甘河組（K1g）、白堊系下統(tǒng)大磨拐河組（K1d）、白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1y）及第四系（Q），其中含煤地層為中生界白堊系下統(tǒng)伊敏組（K1ym）及大磨拐河組（K1d）地層。

9#煤層和10#煤層為該礦可采煤層，煤層頂?shù)装鍘r性為泥巖、碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖。礦區(qū)地下水充沛且降雨較多，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件較差，巖土物理力學(xué)指標(biāo)低，屬于軟巖邊坡。其中第四系黏土層、9#煤層及10#煤層頂?shù)装迥鄮r均存在潛在弱層。該礦內(nèi)排土場地質(zhì)模型如圖1所示。

1.3 水文地質(zhì)條件

該礦含水層主要為第四系孔隙潛水含水層及煤巖層裂隙含水巖組，其中第四系孔隙潛水以砂礫含水層為主。穩(wěn)定水位標(biāo)高在623.56～630.95 m，涌水量為0.030～0.518 L（/s·m），滲透系數(shù)為33.42～205 m/d，平均滲透系數(shù)為75.1 m/d，平均水力坡度為0.8%。9#煤層和10#煤層中的裂隙水為煤巖層裂隙承壓水，在該區(qū)普遍發(fā)育，含水巖組厚度以9#煤層、10#煤層厚度為主，9#煤層為強富水性地層，局部屬弱富水性地層，含水層底板標(biāo)高為393.03～579.97 m，平均水力坡度為1.6%，滲透系數(shù)為0.434～2.61 m/d。平均滲透系數(shù)為1.52 m/d，平均厚度為33.63 m，涌水量為0.184～1.232 L（/s·m），滲透性好。10#煤層含水層富水性較9#煤層差，厚度較薄。

2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)研究

巖土體物理力學(xué)性質(zhì)是項目研究的主要基礎(chǔ)資料，要搞清巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)需要進行大量的試驗研究，因此需要大量的鉆探取樣與試驗。該礦自建礦以來，開展了大量的巖土體物理力學(xué)參數(shù)測試與實驗研究工作，積累了豐富的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)和研究成果，通過對已有巖土物理力學(xué)性質(zhì)資料的分析發(fā)現(xiàn)，該礦泥巖及泥巖弱層平均含水率為28.12%左右，根據(jù)不同含水率剪切試驗成果，建立泥巖及泥巖弱層含水率與黏聚力及內(nèi)摩擦角之間的相關(guān)關(guān)系圖，并進行多項式擬合（虛線為擬合曲線），見圖2～圖5。

根據(jù)泥巖及泥巖弱層含水率與黏聚力及內(nèi)摩擦角相關(guān)關(guān)系圖可知，含水率與黏聚力及內(nèi)摩擦角均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率的增高，泥巖及泥巖弱層的黏聚力及內(nèi)摩擦角均減小。

3 泥巖及泥巖弱層含水率對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性影響

極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性評價的常用方法，又稱條分法，主要思想為假設(shè)存在潛在的滑動破壞面，并將滑體劃分為若干條塊，通過對每個條塊的靜力平衡方程來建立整個滑體的平衡方程，并將潛在滑面上的抗剪力與剪切力之比作為潛在滑體的穩(wěn)定性系數(shù)。隨著極限平衡法的發(fā)展，出現(xiàn)了很多更為簡化的方法，例如Bishop法、Ordinary法、Janbu法、Spencer法、Morgenstern-price法、Sarma法、不平衡推力法及傳遞系數(shù)法等［8-9］。針對本次研究，選擇用Morgenstern-price法來計算泥巖及泥巖弱層不同含水率下對應(yīng)的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)［10］，該方法考慮了全部平衡條件與邊界條件，來消除計算方法的誤差，使得計算結(jié)果更加精確。

該礦在2021年隨著內(nèi)排量的增加，內(nèi)排土場設(shè)計排棄至674 m水平，2022年隨著采場的持續(xù)向西推進，內(nèi)排土場也逐步向前跟進，內(nèi)排土場邊坡角逐步增大，現(xiàn)就2021年及2022年內(nèi)排土場設(shè)計邊坡進行穩(wěn)定性分析。通過對設(shè)計邊坡的穩(wěn)定性驗算可知（圖6、圖7），現(xiàn)狀條件下邊坡沿基底滑動的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs分別為1.083和1.087，均小于內(nèi)排土場安全儲備系數(shù)1.1的要求［11］，邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。但現(xiàn)狀條件下泥巖及弱層的含水率均在28.12%左右，水的存在使泥巖及弱層的容重增大，強度降低，從而使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)下降，若對內(nèi)排土場進行疏干排水，可降低泥巖及弱層的含水率，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

根據(jù)泥巖及泥巖弱層與黏聚力及內(nèi)摩擦角的擬合曲線求出擬合方程，并根據(jù)擬合方程計算各含水率下的黏聚力及內(nèi)摩擦角。經(jīng)計算當(dāng)含水率降至27.3%時，泥巖黏聚力提升至15.17 kPa，內(nèi)摩擦角提升至10.25°，泥巖弱層黏聚力提升至7.17 kPa，內(nèi)摩擦角提升至11.25°，此時2種設(shè)計邊坡沿基底滑動邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs分別為1.115和1.110，內(nèi)排土場邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 內(nèi)排土場防排水措施

（1）在內(nèi)排土場上部650 m水平靠近地下連續(xù)墻端頭的位置，以間隔50 m的距離設(shè)置5口疏干降水孔［12］，截住部分第四系及煤層露頭區(qū)域的地下水。

（2）在內(nèi)排土場中部590～600 m水平靠近10#煤層的平盤挖掘溝槽，至10#煤層底板以下至少1 m，設(shè)置管狀疏水溝，截流10#煤層含水層向下游徑流。通過對地質(zhì)剖面的研究，東幫的管狀疏水溝需分2段來設(shè)置，靠近北側(cè)一段長193 m，水流流向北，在北側(cè)修建一條排水明溝，將管狀疏水溝收集的地下水排至坑底，同時排水明溝設(shè)支溝與東幫出水點相接，排干出水點處的積水；南側(cè)一段429 m，水流流向南，在南側(cè)盡頭設(shè)置集水井［13］，收集地下水后排出（圖8）。

（3）在內(nèi)排土場下部開采出其下部的煤柱，再在東側(cè)終端坡面煤壁上設(shè)置水平鉆孔，在煤層底板上設(shè)置層狀疏干盲溝［14］。

5 結(jié)論

（1）對泥巖及泥巖弱層含水率與黏聚力及內(nèi)摩擦角的關(guān)系進行了研究，得出含水率與黏聚力及內(nèi)摩擦角均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著含水率的增高，泥巖及泥巖弱層的黏聚力及內(nèi)摩擦角均減小。

（2）對含水率對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了研究，得出含水率降至27.3%時，泥巖黏聚力提升至15.17 kPa，內(nèi)摩擦角提升至10.25°，泥巖弱層黏聚力提升至7.17 kPa，內(nèi)摩擦角提升至11.25°，2021年及2022年內(nèi)排土場設(shè)計邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）對內(nèi)排土場防排水措施進行了研究，分別為在內(nèi)排土場上部650 m水平附近靠近地下連續(xù)墻端頭的位置以間隔50 m的距離設(shè)置5口疏干降水孔；中部590～600 m水平10#煤層底板下設(shè)置管狀輸水溝；下部開采出煤柱后，在東側(cè)終端坡面煤壁上設(shè)置水平鉆孔，在煤層底板上設(shè)置層狀疏干盲溝。