高密度電法在露天礦含水邊坡探測中的應(yīng)用研究

謝世英，張永貴，裴桂淼，劉國興，韓 流

(1.內(nèi)蒙古煤炭地質(zhì)勘查(集團)一五一有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000； 2.北方魏家峁煤電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000； 3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

水是誘發(fā)邊坡變形失穩(wěn)的主要因素之一，據(jù)統(tǒng)計，露天礦90%以上的滑坡破壞與水有關(guān)。富水邊坡對露天礦生產(chǎn)、安全影響極大，開采過程中不斷滲水會影響爆破、采掘和運輸效率；水在邊坡中滲流會對巖體產(chǎn)生物理、力學(xué)方面的綜合影響，一旦誘發(fā)邊坡變形、失穩(wěn)將嚴(yán)重威脅人員和設(shè)備安全。因此，治理此類邊坡的重點是準(zhǔn)確查找邊坡內(nèi)的水源分布，而后采取有效的疏排措施，使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)達到安全范圍。

地下水源分布探測是一項專業(yè)性強且十分復(fù)雜的工作，常采用瞬變電磁法、高密度電法、電阻率法等專業(yè)的地球物理勘探方法[1]進行探測。方志雄[2]應(yīng)用可控源音頻大地電磁法獲取了煤層氣井排采過程中煤儲層水系統(tǒng)動態(tài)變化和煤層氣開發(fā)過程波及的范圍；劉子卿[3]在對隧道含水層的水量進行預(yù)測時，成功使用了激發(fā)極化法；張來福[4]應(yīng)用瞬變電磁法對接收到的信號進行分析處理，重建接地網(wǎng)及周圍介質(zhì)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)地下超淺層接地網(wǎng)反演成像；謝偉[5]將高密度電阻率法應(yīng)用于煤礦含水層突變構(gòu)造探測，準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)了異常的含水構(gòu)造，規(guī)避了礦井透水隱患，創(chuàng)造了顯著的安全效益。房浩等[6]應(yīng)用電阻率測深方法精準(zhǔn)高效探測其殘坡積層厚度，并為東南沿海地區(qū)開展類似探測工作提供技術(shù)參考與借鑒。由于高密度電法對于探測采空區(qū)范圍、小煤窯巷道、主采煤層及其邊坡富水性等方面響應(yīng)良好[7]，且在野外作業(yè)時可智能采集數(shù)據(jù)，能在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集，具有生產(chǎn)效率高、數(shù)據(jù)采集量大、觀測精度高、地質(zhì)信息豐富等特點[8]。本文嘗試將高密度電法遷移應(yīng)用于露天礦含水邊坡探測中，以期實現(xiàn)對邊坡內(nèi)部水源賦存情況的準(zhǔn)確探測，為后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性評價和疏干防治方案提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

魏家峁露天煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田東南部，主采6號煤層，為單一近水平厚煤層，煤層平均厚度18m。剝離生產(chǎn)工藝為單斗卡車間斷工藝，采煤生產(chǎn)工藝為半連續(xù)工藝，設(shè)計生產(chǎn)能力6Mt/a。礦區(qū)大部分被第四系黃土和風(fēng)積沙覆蓋，局部梁頂或者沖溝處有基巖出露。魏家峁露天煤礦2009年開工建設(shè)，目前已形成工作幫、非工作幫、內(nèi)排土場等邊坡。其中，工作幫邊坡上部黃土臺階高度為8m，臺階坡面角為65°，下部巖石臺階、煤層臺階高度均為16m，臺階坡面角為70°。

隨著露天煤礦工作幫的不斷推進，工作幫邊坡逐漸發(fā)生后緣下沉、前緣底鼓等現(xiàn)象，2020年的雨季過后，工作幫1112—1120臺階坡面有大量水與稀泥涌出，各臺階出現(xiàn)裂縫，并伴隨臺階沉降，后期最大沉降量達2.5m，沉降范圍不斷擴大，且下部臺階錯落式沉降加劇。經(jīng)實地勘察，該區(qū)域位于古河床，有豐富的地下水，因溝壑發(fā)育匯聚了大量地表水。

魏家峁露天礦工作幫滑坡變形主要受地表水、地下水影響[9]，地表水主要來自于大氣降水和地表徑流，地表水入滲會造成邊坡巖土體內(nèi)部孔隙水壓力增加[10]、容重增大，并導(dǎo)致飽和土的抗剪強度降低[11]。地下水滲流會持續(xù)產(chǎn)生水壓力和滲透力，改變巖體內(nèi)部的應(yīng)力結(jié)構(gòu)，并且水位線以下的巖體長期處于飽和狀態(tài)。水滲入不透水巖體的裂隙、結(jié)構(gòu)面會產(chǎn)生擴張力，并對上部滑體產(chǎn)生浮托力，同時起到潤滑作用，降低滑面的摩擦系數(shù)，增大巖土體失穩(wěn)的幾率。

本文針對魏家峁露天煤礦邊坡出水誘發(fā)的邊坡滑坡、失穩(wěn)問題進行研究，通過對地層內(nèi)部含水層的準(zhǔn)確探測，建立邊坡模型，分析水影響下的邊坡穩(wěn)定性，并結(jié)合分析結(jié)果提出地下水防治措施[12-16]。通過上述研究工作，降低水對魏家峁露天礦邊坡的影響，提高生產(chǎn)作業(yè)安全性。

2 高密度電法探測水源分布

2.1 高密度電法原理

高密度電法通過測定電流在地層中的傳導(dǎo)分布規(guī)律，并根據(jù)其分布情況反演各區(qū)域的電阻率差異，結(jié)合水對電流傳導(dǎo)的影響，進行地下水位置的預(yù)測。高密度電法測試的效率、精度與電極管數(shù)量有關(guān)，電極管布置間距與精度需要有關(guān)，此次含水邊坡探測中一次性布置60根電極管，測點在斷面上呈倒梯形分布，待接通電源后，通過周期性調(diào)整電源的正負(fù)極或電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)電流的雙向流動，電極管在供電的同時進行測量，獲取不同時刻、不同位置的電流數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理

利用WGMD-4測量系統(tǒng)物探，采用溫納裝置進行觀測，將兩個測量電極分別布置在兩個供電電極連線的1/3和2/3位置處，此時，電極之間的距離是相等的。逐漸增大電極之間的間距，可以使得測量區(qū)域的深度更大，即實現(xiàn)對更深位置的電阻率測定，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生突變時，在對應(yīng)的層位電阻率會相應(yīng)的發(fā)生變化，利用巖層與水層的電阻率差異，即可判定含水層的深度。

2.2 測網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)魏家峁露天礦工作幫邊坡變形范圍及邊坡出水情況，共設(shè)計了8條高密度電法剖面，每條測線長300m，每條測線60個測點，分別位于工作幫1144平盤、1152平盤、1160平盤，測線號分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6、 P7、P8。測線所在位置在未建礦前有低洼水塘存在，該區(qū)域的地表和地下水匯集豐富，且縱向補給良好，露天煤礦正向西南推進到該位置，非常有必要對該區(qū)域的地下水賦存情況進行勘察，為邊坡穩(wěn)定性的準(zhǔn)確評價和安全防治提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.3 反演計算及判釋含水地層

2.3.1 反演計算

利用RES2DINV軟件對電極采集的數(shù)據(jù)進行反演計算，將電極采集到的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序，對數(shù)據(jù)進行編輯與合成，剔除數(shù)據(jù)曲線中的噪點等異常數(shù)據(jù)，再進行電阻率的反演計算，并展示成漸變圖譜。魏家峁露天礦變形失穩(wěn)邊坡均為已剝離水平地形，邊坡由黃土與紅土兩層組成，反演計算中受地形影響小。

2.3.2 判釋含水地層

含水地層判釋的依據(jù)主要為反演電阻率斷面圖，將斷面圖的色譜分布與地層結(jié)構(gòu)相對照，綜合判斷地層分界線和含水層的位置，根據(jù)剖面電性特征對各個剖面解釋如下：

1)P1、P4剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P1和P4剖面都在1144平盤上，極距5m，線長300m，方位27°。P1剖面供電時間為500ms，P4剖面為200ms。P1和P4剖面的測線曲線形態(tài)基本一致，P4剖面的反演結(jié)果更具有代表性，P4剖面第5次迭代反演電阻率斷面圖如圖2所示，由圖2可見，視電阻率幅值特征在縱向上可將剖面大致分為三個區(qū)域。其中，第Ⅰ區(qū)域在橫向185～300m，視電阻率在50～150Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電性特征，該層反映的是地表黃沙土的物性特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在150～900Ω·m之間，推測該層為下部紅泥及粗砂基巖隔水地層反應(yīng)所致；第Ⅲ區(qū)域視電阻率呈低電阻特征，范圍在10～40Ω·m之間，第Ⅲ區(qū)域與第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域視電阻率特征高低區(qū)分明顯，結(jié)合實地勘查，推測該區(qū)域為含水層。

圖2 P4剖面反演電阻率斷面圖

2)P2、P5剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P2、P5剖面都在1152平盤上，剖面線長300m，極距5m，P2方位24°，P5方位27°。P2剖面供電時間為500ms，P5剖面為200ms。對比P2和P5兩條測線的反演圖譜的電阻率分布形態(tài)較為相似，P2剖面反演電阻率斷面圖如圖3所示，P2測線所在剖面的反演電阻率圖像可以分為三個典型的區(qū)域，其中，第Ⅰ區(qū)域在縱向0～20m，視電阻率在30～600Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電阻特征，是地表黃土電性的主要特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在60～900Ω·m之間，推測該層為隔水地層反應(yīng)所致；第Ⅲ區(qū)域視電阻率呈低電阻特征，范圍在10～30Ω·m之間，第Ⅲ區(qū)域與第Ⅰ、第Ⅱ區(qū)域視電阻率特征高低區(qū)分明顯，結(jié)合實地勘查，推測該區(qū)域為含水層。

圖3 P2剖面反演電阻率斷面圖

3)P3、P6剖面相關(guān)地質(zhì)情況判釋。P3、P6剖面都在1160平盤上，剖面線長300m，極距5m，P3方位24°，P6方位27°。P3剖面供電時間為500ms，P6剖面為200ms。P3和P6測線的剖面形態(tài)較為相似，P6剖面反演電阻率斷面圖如圖4所示，由P6測線的反演圖譜可知，電阻率呈現(xiàn)典型的三帶區(qū)域劃分。其中，第Ⅰ區(qū)域在縱向0～24m，視電阻率在30～150Ω·m之間，呈現(xiàn)中高電阻特征，該層是地表黃土物性特征；第Ⅱ區(qū)域電阻率呈高電阻特征，視電阻率在100～300Ω·m之間，按照電阻率特征推測該位置為隔水地層；第Ⅲ區(qū)域視電阻率特征在10～30Ω·m之間，屬于低電阻，結(jié)合實地勘查，推測該區(qū)域為含水層。

圖4 P6剖面反演電阻率斷面圖

3 地下水對于魏家露天礦邊坡的影響評價

3.1 地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響評價

通過采用高密度電法勘探了魏家峁露天礦南幫邊坡的地下水深度，并結(jié)合實地勘察進行校核，確定了該露天煤礦首采區(qū)內(nèi)地下含水地層的流向和深度，結(jié)合各剖面的地下水位深度，可以大致確定地下水的流向為自西向東方向，而且西部水頭高、東部水頭低，這個方向?qū)ξ鲙瓦吰路€(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。西幫邊坡是排土場與采場端幫形成的復(fù)合邊坡，其成分復(fù)雜，邊坡高度大、角度陡，而且對于采場下部的作業(yè)安全產(chǎn)生直接影響。根據(jù)魏家峁露天礦的巖土力學(xué)試驗及以往研究穩(wěn)定性評價報告中的各力學(xué)強度參數(shù)，綜合分析巖石抗剪強度試驗成果和節(jié)理巖體綜合抗剪強度評價，推薦使用的邊坡穩(wěn)定性分析的綜合巖石力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)推薦值

采用GEO-slope軟件建立邊坡數(shù)值模擬，整個模型的尺寸為高度260m，長度620m，包括5個排土場臺階和9個采場臺階；排土場臺階高度為20m，采場臺階高度為16m；模型中的地層按照鉆孔柱狀圖中的地層分布依次賦上對應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)。水位線以上的煤巖體采用天然強度，水位線以下則采用飽和強度。

對于西幫復(fù)合邊坡的分析采用極限平衡原理中的Morgenstein-Price法，該方法對相鄰條間作用力的假定，給出了條間合力的作用位置，但改變條間合力的作用方向以求得最佳解和滿足滑動面法向和滑動面方向力的平衡及對底滑面中點的力矩平衡，相比于瑞典條分法、Bhishop法等方法考慮的因素更全面、合理。

對西幫邊坡進行穩(wěn)定性分析，得到了不考慮地下水影響下的現(xiàn)狀穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.373，如圖5(a)所示，滿足長期穩(wěn)定要求。按照高密度電法測定的地下水位高度，將水位線加入到邊坡穩(wěn)定分析中，地下水位在露天采坑附近會形成降水漏斗，因此，水位線分布呈現(xiàn)與邊坡形態(tài)貼合的連續(xù)變化趨勢。對于水位線以下的巖體，采用飽和強度參數(shù)，通過分析得到考慮地下水影響下的邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.062，如圖5(b)所示，接近于極限平衡狀態(tài)，如果該區(qū)域受到爆破震動、設(shè)備荷載等外部因素的影響，極易發(fā)生失穩(wěn)滑坡。因此，有必要進行地下水防治措施的研究。

圖5 西幫邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果

3.2 地下水防治措施

在露天礦西幫邊坡采用疏干井進行地下水位的疏降，可以有效降低邊坡地下水位高度，現(xiàn)場布置了G1和G2兩個疏干孔，具體坐標(biāo)分別為(X：525054，Y：4377130)、(X：525158，Y：4377031)。在1144平盤上，綜合P1、P4剖面工作成果可以看出含水層在中心點深度40m見底板，因此布設(shè)一個抽水輸干降水孔，孔深設(shè)計45m，有效解決了該區(qū)域出水的問題。在1160平盤上，綜合P3、P6剖面成果顯示中心點位置視電阻率最低，由于高密度探測深度影響沒有測到含水層底板，經(jīng)過現(xiàn)場勘查并結(jié)合地質(zhì)資料分析布設(shè)一個抽水輸干降水孔，孔深設(shè)計65m，有效解決了該區(qū)域出水的問題。通過連續(xù)抽水輸干使得降水孔內(nèi)部的水頭高度下降10～15m。根據(jù)下降后的水位高度將邊坡內(nèi)部的水位線下降10m，修正邊坡分析模型并再次進行穩(wěn)定性分析，得到邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.207，如圖6所示。按照露天礦邊坡設(shè)計規(guī)范，該穩(wěn)定系數(shù)可以保持中長期內(nèi)的安全穩(wěn)定，滿足魏家峁西幫邊坡在服務(wù)周期內(nèi)的安全需求。由此說明，通過抽水輸干降水孔可以很大程度上消除魏家峁露天煤礦首采區(qū)由于邊坡出水導(dǎo)致的滑坡、塌陷等安全隱患。

圖6 地下水疏降之后的穩(wěn)定性

4 結(jié) 論

1)分析了魏家峁露天礦的水文地質(zhì)條件，選擇采用高密度電法進行地下水勘探，在魏家峁露天煤礦地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計并施工了8條高密度電法剖面，選取了WGMD-4型高密度電阻率測量系統(tǒng)進行物探工作并使用溫納裝置進行觀測，利用高密度二維反演軟件RES2DINV處理數(shù)據(jù)，繪制了反演電阻率斷面圖。

2)根據(jù)圖中電阻率，對地層分界線及巖體的破碎、軟弱或含水情況進行判釋。確定了測線上的隔水層位置。在西幫選擇一個典型剖面，剖畫出復(fù)合邊坡模型，并進行邊坡穩(wěn)定性評價，得到現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性為1.373，滿足長期穩(wěn)定性要求；考慮地下水影響的邊坡穩(wěn)定性為1.062，接近于極限平衡狀態(tài)。

3)在現(xiàn)場布置了G1和G2兩個疏干孔，并進行疏干排水作業(yè)，有效降低了該位置的地下水高度達到10～15m，邊坡穩(wěn)定系數(shù)提高至1.207，有效解決了該區(qū)域出水和邊坡潛在滑塌失穩(wěn)的問題。