燒變巖邊坡滲流特征及采動穩定分析研究

李 超，閆 杰，趙錦生，李 偉，郭夏飛

(1.國家能源集團神華國能大南湖二礦，新疆維吾爾自治區哈密市，839000；2.煤炭科學技術研究院有限公司安全分院，北京市朝陽區，100013)

邊坡穩定性的影響因素很多，如邊坡幾何因素、邊坡巖性及巖體結構、地下水等[1-3]。其中，地下水的滲透作用往往是邊坡穩定至關重要的因素[4-6]。地下水在滲透壓力的作用下，可能帶走松散巖層、斷層破碎帶和其他軟弱結構面中的細小顆粒，土體中的滲流作用會促進巖土體結構破壞；地下水滲流還可使粘土質巖石軟化、泥化，降低巖體強度，造成坡體失穩[7-8]。尤其對于一些巖性較為特殊的邊坡，水對邊坡的影響更為突出[9-10]。邊坡失穩的根本原因在于坡體內部某個滑動面上的剪切應力達到抗剪或抗拉強度，穩定平衡受到破壞。而剪應力達到抗剪強度的原因有2個方面：一是由于剪應力的增加，二是因為土體本身抗剪強度的減小[11-12]。

國家能源集團神華國能大南湖二礦(以下簡稱大南湖二礦)首采區南側存在火燒區，火燒區中賦存大量地下水。隨著首采區南端幫不斷推進，火燒區地下水對邊坡穩定性的影響愈加明顯。本文以大南湖二礦首采區南端幫邊坡為研究對象，對地下水滲透特征及邊坡穩定性進行研究。

1 大南湖地質條件及火燒區水文地質特征

大南湖二礦首采區內地層自下而上依次為：侏羅系下統三工河組、侏羅系中統西山窯組、頭屯河組、古近系、新近系、第四系。巖層以泥巖、粉砂巖、細砂巖、炭質泥巖及煤層為主，夾中粒砂巖及砂礫巖。首采區可采煤層為10層(16號、18號、19號、21號、22號、22下號、25號、28號、29號、30號煤層)?；馃齾^位于首采區南端幫外側，地面標高為414.03～454.35 m，火燒區平面呈橢圓形，長軸約為4.5 km，長軸方向與首采區南端幫走向一致，礦坑設計采深約150 m。

火燒區利用磁法、鉆探、測井及二維地震等方法確定火燒面積為4.45 km2，燒變巖底板標高為183.60～393.04 m?；馃齾^初始水位標高為406.61～406.91 m，單位涌水量為3.598 6～9.045 1 L/(s·m)，滲透系數為1.52～4.99 m/d。該礦區地處戈壁荒原，地下水補給能力極微弱，火燒區地下水以儲存量為主，估算含水量達50.0 Mm3，是富水性極強的獨立含水單元。

2 南端幫邊坡地下水位分析

通過南端幫5口水文觀測井數據，分析地層中的滲流水頭與距離關系，從而確定邊坡區域地下水的水力坡度?，F場補充鉆探水井位置如圖1所示，邊坡水力坡降統計情況見表1。

圖1 現場補充鉆探水井位置

表1 邊坡水力坡降統計情況

通過表1可知，SW02水井與SW03水井相距100 m，水位標高相差為14.2 m，2個水井間水力坡降為14.2%，坡降角為8.1°；SW04水井與SW05水井相距100 m，水力坡降為22.7%，坡降角為12.8°；SW03與火燒區相距200 m，區段水力坡降為8.73%，坡降角為5.0°；SW02和SW04井與火燒區間坡降角較小，可忽略。

3 南端幫地下水滲流模擬及邊坡破壞特征

3.1 燒變巖邊坡滲流模型

根據現場水文和地質資料，選取剖面建立地下水滲流模型，模型長為575 m、地面標高為437 m，現場共有6層可采煤層，其中22號～25號煤層之間主要為泥巖層組，25號～28號煤層之間為砂巖層組。模型左邊界水頭邊界為+340 m，右邊界水頭邊界為+400 m，SW02水井水位標高為397.4 m，SW03水井水位標高為383.4 m，+365水平坡面以下為滲水邊界，模擬火燒區地下水對端幫邊坡的滲流規律。現場水文實測線、地質模型及地下水位模擬浸潤線如圖2所示。

3.2 滲流場模擬研究

為了研究燒變巖邊坡地下水滲透特性，建立邊坡滲流計算模型，模型采用自由網格劃分法進行網格劃分。選取邊坡滲流計算材料為各向同性材料，坡體后緣設置標高400 m的定水頭，邊坡前緣設置標高為357 m的定水頭，坑底及一級臺階坡面設置單位流量為3×10-6m/s，模型底部邊界設置為不透水邊界。邊坡滲流計算模型如圖3所示。

圖2 現場水文實測線、地質模型及地下水位模擬浸潤線

圖3 邊坡滲流計算模型

現場測試水位與模擬水位相近，模擬的水力坡降的坡降角為10°，22號煤層以上滲流水力坡降的坡降角變化較緩僅為3°。模擬水位在22號～25號煤層之間厚層泥巖層中形成水位差(圖4中圈定區域)，現場水文實測中SW03水井與邊坡滲水面之間也有較大水位差。在22號～25號煤層之間的地層中，地下水等勢線在邊坡385～404 m間出現匯聚趨勢，此區域地層承受較大滲透力。滲流場水頭等勢線與流速矢量圖如圖4所示，水平方向滲流速度云圖如圖5所示，豎直方向滲流速度云圖如圖6所示。

圖4 滲流場水頭等勢線與流速矢量圖

圖5 水平方向滲流速度云圖

圖6 豎直方向滲流速度云圖

在水平方向滲流速度云圖中，水平方向流速主要集中出現2處區域：第一區域為25號～28號煤層之間的砂巖層組，為地層中主要滲流通道；第二區域為邊坡上部+415水平巖層中。在豎直方向滲流速度云圖中，豎直方向流速變化主要集中3個區域，第一區域為燒變巖區域水位至28號煤層之間，表明燒變巖中地下水通過側向補給28號煤層以上地層；第二區域為采坑下部區域，主要為地下水向礦坑泄排區域；第三區域為21號煤層臺階，地下水水頭在該區域出現下降。

通過滲流場等勢線及滲流流速分析，滲流引起22號～25號煤層邊坡區域等勢線出現集中趨勢，表明該區域泥巖層組承受較大的滲透力。滲流場在邊坡區域形成2處流速變形區域，主要為坡腳區域滲流排泄區和+415 m平盤巖層。

3.3 滲流場與應力場耦合分析

通過耦合滲流場分析可知，在滲流作用下，邊坡位移變形在坡面+415 m水平以上臺階區域，為燒變巖區域沉降形成的變形位移，如圖7(a)所示。剪應力場在邊坡區域形成3個變形區域，第一區域在燒變巖與正常地層界面形成剪應力集中帶；第二區域為+415 m水平臺階區域，形成局部下凹型剪應力變形區域，主要為滲流場集中形成剪應力變化；第三區域為沿坡面形成的剪應力集中變形區域，未在坡腳區域形成剪應力破壞變形區域，如圖7(b)所示。在剪應變場中，如圖7(c)所示，變形發生在燒變巖地下水(+400 m)分界區域，變形主要集中在燒變巖區域，沿+400 m水平影響至局部正常地層。

圖7 剪應力場與滲流場耦合

4 地下水滲流影響下邊坡穩定性分析研究

4.1 滲流動水壓力驅動演化分析

地下水滲流時，作用于巖石固體顆粒上的壓力稱為動水壓力或滲透力。滲流中固體顆粒的阻力，形成地下水的總水頭損失、滲透力大小與地下水的沿程損失，流動水體的體積和水力梯度有關，其表達見式(1)：

J=nrwIVw

(1)

式中:J——動水壓力，MPa；

n——巖體的孔隙率；

rw——水的重度，kN/m3；

I——水力坡降；

Vw——巖體中滲流部分的體積，m。

在分析地下水穩定時，需要考慮滲流對邊坡穩定性影響。南端幫邊坡地層為近水平，燒變巖地下水在邊幫巖體中形成水平方向滲流，使邊坡具備了順層滑移破壞的條件。通過滲流場模擬分析可知，在泥巖層區域形成等勢線集聚趨勢，為滲流場中滲透力主要作用區域；坡體沿主要滲流層及坡腳地下水泄排區域剪切變形。同時地下水沿砂巖層出現流動，將形成沿水平方向的滑動面。通過以上分析，確定了滲流場作用大小、滲流的主要作用區域以及邊坡滑動形式。

4.2 滲流場作用下邊坡穩定性分析

隨著開采深度的增加，坡體體積不斷增加，坡體內部由于地下水滲透產生的動水壓力不斷增加，通過式(1)計算可知，坡體動水壓力與采深近似呈線性關系。監測火燒區與原巖區交界面處流量可知，隨著采深的增加，火燒區地下水向原巖區滲透量不斷增加且增速逐漸下降。采用極限平衡分析可知，邊坡安全系數隨采深增加呈加速下降趨勢。邊坡穩定性影響因素主要為采深、地下水流量與動水壓力，隨著采深的增加，地下水增速逐漸減小，動水壓力呈線性增加，而邊坡安全系數加速下降，因此，采深對邊坡穩定性影響呈增加趨勢。邊坡動水壓力變化、火燒區滲水量變化、邊坡安全系數變化如圖8、圖9、圖10所示。

5 結論

(1)根據現場水文勘查，確定大南湖二礦首采區南端幫水力坡降的坡度角為5.0°～12.8°。數值模擬結果顯示，該區域端幫水力坡降的坡度角為10°，模擬結果與現場測量相近。邊坡地下水水力坡降主要受到巖層滲透率大小影響，滲透率較大區域水力坡降較小，而隔水性較好的泥巖層水力坡降較大。

圖8 邊坡動水壓力變化

圖9 火燒區滲水量變化

圖10 邊坡安全系數變化

(2)通過對南端幫邊坡地下水滲流場模擬和邊坡變形模擬，燒變巖區域地下水直接補給于邊坡砂巖層，在25號～28號煤層之間砂巖層為該區域主滲水通道，最終在礦坑底部形成泄排區；根據等水位線的變化趨勢，確定了邊坡的滲透力主要作用區域為泥巖層段。

(3)在采動影響下，邊坡穩定性呈加速下降趨勢。動水壓力隨采深近似呈線性增加，火燒區地下水向原巖區滲透量隨采深增加增速逐漸下降，采深增加對邊坡穩定性影響呈增加趨勢。