露天矿含断层边坡地下水渗透特性研究

闫 杰，李福平，李 伟

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司，安全分院，北京 100013；3.国能准能集团有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017100)

地下水是重要的地质营力，同时是造成边坡滑坡的重要影响因素。它与岩土体的相互作用，引起岩土体应力及强度发生变化。露天采空区对端帮地下水位进行疏干，疏干影响半径范围内地下水渗流场发生改变，形成了一个降水漏斗，漏斗形态大小受露天开采深度及地下水位变化影响。

目前，大量学者研究了渗流边坡安全问题，唐红梅等[1]通过分析大量资料将边坡渗流现状概括为渗流分析模型、渗流计算、应力场和渗流场耦合、渗流自由面以及渗透系数分析5个方面，并分别论述了每个方面的核心内容及基本思路；曾胜等[2]建立了顺层边坡模型，研究降雨渗流、结构面强度弱化及干湿循环作用下边坡衰减规律；刘才华等[3]研究了顺层边坡水力驱动型滑移破坏机制，边坡后缘张裂隙充水高度决定了3种水压力大小，确定了顺层边坡水力驱动型滑移稳定判据；姜海西等[4]、王福刚等[5]、陈卓立等[6]、刘福明等[7]、包小华等[8]建立了相似模型，分别研究了地下水和降雨作用下边坡地层岩体的变形、渗流、试验参数测量等特征规律；王博等[9]建立了地下水系统模型，考虑断层倾向、走向、渗透系数等因素，模拟了渗流场水头分布的影响特征；韩洋等[10]研究了边坡渗流中水力梯度在渗端区域呈现非线性变化的边界效应问题；师文豪等[11]应用多物理场耦合方法研究了层状各向异性岩体边坡的渗流-应力耦合模型，该模型可以反映各向异性变形及地下水渗流场的非均匀性和各向异性特征；何忠明等[12]应用饱和-非饱和渗流计算原理，采用有限元模拟方法，研究降雨入渗过程中主要影响孔隙水压力、含水率、暂态饱和区深度等方面；何如许等[13]以饱和-非饱和渗流理论为基础，分别对5个库水位升降工况进行模拟，研究了水位升降对边坡地下水渗流特征，渗透系数与升降速率决定了岸坡内的水位变化；盛建龙等[14]、王明等[15]应用有限元软件研究了渗流边坡的应力场、位移及边坡稳定性等变化规律。以往研究主要集中于降雨对边坡的安全影响、地下水驱动下滑移破坏机制以及水对岩体结构面强度参数的劣化、渗流场与盈利场的耦合研究，而关于断层对地下水渗流场考虑了断层倾向、走向及渗透系数对正体渗流场中的水头分布影响，但针对于含断层边坡地下水渗透特征问题，采用大比例渗流相似模型、数值模拟相关研究较少。

因此，本文利用固液耦合相似模拟试验方法和数值模拟方法，研究了地下水在断层区域的渗透特性及露天矿采矿对地下水渗透影响规律，分析了含断层边坡对渗流场的影响特性、断层隔水特性、地下水渗流特征规律与水力坡降变化规律；并提取了水力坡降的关键参数，确定坡体内地下水位合理标高位置，为满足矿区安全高效开采要求提供理论依据。

1 矿区地质条件及模型设计

伊敏露天矿位于伊敏断陷中伊敏向斜东南翼，属径流区。地质构造将伊敏露天矿区水文地质分为3个独立水文地质分区，由南向北分别为：F10断层与F9断层之间的Ⅰ水文地质分区；F5断层与F9断层之间的Ⅱ水文地质分区；F5断层以北的Ⅲ水文地质分区。伊敏露天煤矿三采区端帮位于Ⅱ水文地质分区、Ⅲ水文地质分区的分界区域，模拟露天开采过程中地下水由Ⅲ水文地质分区向端帮边坡渗流。

边坡地质模型地层倾角为7°，可采煤层为15煤层和16煤层，厚约分别为16.0 m和46.5 m；15煤层上覆岩层为强含水层砂砾岩层，水头位于地表下60 m(标高约为580 m)，坑底设计标高约450 m。在模型中存在F1断层和F5断层这2个透水性较差的正断层，矿区典型地质剖面如图1所示，矿区各岩层物理力学参数指标见表1。

表1 岩土体物理力学指标推荐值Table 1 Recommended values of physical and mechanical index of rock and soil mass

图1 工程地质简化模型Fig.1 Simplified engineering geological model

1.1 相似模型设计

相似理论基础是相似定理，是模型设计的基础，并且是实验数据处理和推广的依据。本次试验模型架子尺寸为2.0 m×0.3 m×1.6 m。根据相似模拟试验台尺寸及矿井地质资料，确定模型的几何相似比Cj=1∶500，容重相似比Cr=1∶1.5，根据相似定理及相关相似准则，可推导得出模型其他参数的相似比：①几何相似比Cj，原型3个相互垂直方向的尺寸为Xp、Yp、Zp，模型3个相互垂直方向的尺寸为Xm、Ym、Zm；②时间相似比Ct，原型中采矿时间为Tm，模型中采矿时间为Tp；③容重相似比Cr，Rpi为原型第i层岩层的容重，Rmi为模型第i层岩层的容重；④弹性模量相似比Cε，Epi为原型第i层岩层的弹性模量，Emi为模型第i层岩层的弹性模量;⑤渗透系数相似比Ck，既Cp=1，则以上渗透系数相似比见式(1)～式(5)。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

1.2 边坡开采及监测方案

参照边坡工程地质模型建立相似模型(图2)，设计模型实际长1 460 m，高470 m，设计边坡区域高度约为225 m，三采区端帮边坡初始水位标高为580 m，该剖面位置区域设计坡率为1∶2.5。

模型材料选择以河砂为骨料，石膏、腻子粉作为胶结物，云母片作为分层材料模拟岩层层理，在含水层和隔水层的材料配比中分别加入了小石子和凡士林作为含水层与隔水层材料。在断层导水两侧采用泡沫胶进行了封堵，模型含水层两侧用石蜡进行密封。地下水由模型左侧注入，沿砂砾岩层渗流至断层区域，导水断层将地下水向采空区或下部地层形成补给。

模型开采过程为由地面呈斜坡状揭露煤层，共设计剥离5个阶段至最终设计边坡(图2)；在剥离开采的第三阶段，对断层破碎带充填材料进行更换，研究断层的渗透性对渗流量的影响规律；在模型左侧面预留注水孔，实现对砂砾岩层的补给模拟，对水压、水量及渗流时间进行监测。

图2 相似模型图Fig.2 Similar model

2 边坡地下水渗流相似模型研究

1) 初始状态。断层破碎带充填为导水材料(疏松砾石)(图3(a))，Ⅲ水文单元向端帮边坡渗流，地下水由左侧沿砂砾岩层(上下隔水)渗流至断层区域，通过导水断层实现对三采区补给。

2) 第一阶段剥离开采，模型右侧地表开始剥离，至16煤层底板，坡率为1∶2.5开采(图3(b))。左侧地下水通过砂砾岩渗流至断层，经过断层后向补给至三采区岩层，地下水渗流路径为砂砾岩层至断层向三采区深部和水平方向渗流。砂砾岩层上下隔水，而地下水通过断层后水位降低，表明断层将地下水向导入三采区深度，第一阶段开采后未在断层露头处未形成渗水。

3) 第二阶段剥离开采，到16煤层底板从右向左170 mm处(图3(c))。地下水在三采区岩层渗流影响区进一步扩大，揭露的断层露头未出现涌水，表明地下水沿砂砾岩及断层发生渗流水头损失。

4) 第三阶段剥离开采，16煤层底板从右向左310 mm处(图3(d))。地下水在三采区渗流影响逐渐扩大，影响至Ⅲ水文单元深部地层；在揭露的断层带出现涌水，在断层水头标高与左侧水位相差为86 mm，左侧边界至断层涌水距离630 mm，水力坡降为0.137。该阶段将断层材料分别更换为砾岩、砂砾混合物和细砂，断层材料孔隙度逐渐减小，揭露区域3种材料的涌水量分别为174.26 mL/min、64.35 mL/min和36.31 mL/min；3种材料的涌水量最大差为137.95 mL/min，随孔隙结构减少渗水量减小。

5) 第四阶段剥离开采，开采至从右向左444 mm处(图3(e))。上盘砂砾含水层局部被揭露，砂砾岩含水层在揭露处涌水量为116.19 mL/min，采空区16煤层底帮出现大面积渗水区域；断层材料更换后，在相同时间段，地层深部渗水影响区域扩大速度大于第一阶段、第二阶段和第三阶段的扩张速度。

6) 第五阶段剥离开采，16煤层底板从右向左600 mm处(图3(f))。 上盘砂砾含水层被全部揭露，地下水渗流稳定后揭露区域涌水量为203.37 mL/min。

3 地下水边坡渗流模拟研究

三采区边坡渗流计算模型，材料为弹塑性、各向同性材料。采用GeoStudio软件中SEEP/W模块模拟岩土体稳态渗流问题。模型左侧水力边界分别设置在580 m、560 m、540 m、520 m、500 m、480 m、470 m和460 m等8种工况下，模拟地下水降深过程，右侧水力边界为445 m，边坡底部为不透水边界，在580 m以下坡面为自有渗流面。

按设计开挖形成边坡后，将地下水位从初始水头的580 m降至560 m标高时，坡面出水位置由540 m降至520 m水平，浸润线在边坡第三系砂砾岩中，在坡面砂砾岩顶板出现明显涌水。地下水位分别降至540 m和520 m标高时，在边坡面分别降至约510 m和505 m水平，地下水渗流主要发生在15煤层顶板砂砾岩孔隙含水层，浸润线在砂砾岩层中。地下水位分别降至500 m、480 m、460 m标高时，边坡面无水，浸润线在15煤层顶板砂砾岩层中。

左侧水头分别为580 m、560 m、540 m、520 m和500 m时，在F1断层和F5断层两侧水位出现台阶式跃变，跃变幅度为20～35 m。480 m标高时F1断层处跃变降低至11 m，F5断层处跃变为23 m。460 m时水位线呈近似水平直线，在F1断层跃变消失，F5断层处跃变降至7 m。

由表2可知，坡内水位标高为580～500 m时，两断层地下水位处于等降深阶段，且坡面涌水位标高呈下降趋势，出水量呈线性下降，水位线形态沿一定坡度逐渐下降。坡内水位标高在480 m以下时，浸润线接近水平，地下水呈层流状态；水位标高在470 m以下时，坡面无水，断层处跃变逐渐减小。生产要求中需要达到坡面无水，则地下水位需控制在480 m以下，能保证矿坑无水开采状态。

图4 渗流计算模型图Fig.4 Calculation model of seepage

图5 地下水渗流模拟结果Fig.5 Simulation results of groundwater seepage

表2 降深过程中地下水位变化统计表Table 2 Statistical table of groundwater level changes in the process of drawdown

4 边坡地下水力坡降分析

通过表2计算结果对水位线转折点与出水点位置进行分析，坡内水位标高为580～520 m时，水位线拐点A(水位线转折点)距坡顶B水平距离X由392.84 m减小至119.57 m，垂直距离Y1由21.05 m增加至152.20 m(图6)，表明随水位的降低，浸润线拐点位置逐渐向坡面偏移，距坡顶距离Y1逐渐增大。 坡面出水点C距水位拐点A水平距离由615.44 m减小至530.89 m，坡面出水点C与浸润线拐点A的水平相对距离L逐渐减小；C点距离地表B的垂直距离Y2由93.93 m增加至169.24 m，而与拐点A的垂直标高距离逐渐减小，因此，随地下水位降低边坡区域水力坡降逐渐减小，地下水形成的驱动力越小，对于边坡稳定性越有利；水位降至标高520 m以下时，浸润线形态基本趋于水平。

图6 水力坡降计算示意图Fig.6 Calculation diagram of hydraulic gradient

由图7水力坡降变化曲线可知，在水位标高为580～560 m时，水力坡降(Δh/L)变化较大，降水中水力坡降变化较大；而水位标高为560～520 m时，水力坡降呈现为近水平变化，地下水降水主要抽取F1断层左侧静态储水。水位标高为520～500 m时，水力坡降值出现陡变，在该阶段降水为F1断层与F5断层间地质单元体的储水。 当水位标高为500 m时，在F5断层揭露区域存在小范围涌水；水位在480 m以下时，坡面无水，浸润线近似直线型，水头损失较小，坡内水位将能够处于静态稳定平衡状态。

图7 水力坡降变化曲线Fig.7 Change curve of hydraulic gradient

因此，通过降水过程中模拟研究，在520 m标高以上主要疏干F1断层左侧地层储水量，在该阶段断层F1断层处水位跌落变小；左侧地下水位从580 m降低至520 m过程中，剖面断面过水量在由739.30 m3/d降低至136.05 m3/d，因此，F1断层左侧水位控制在520 m标高。通过疏干F1断层和F5断层之间地质单元体的水位，控制露天矿坡面出水位置。

5 结 论

1) 通过相似模拟研究了地下水位渗流特征，地下水通过左侧边坡砂砾岩层渗流至断层带，断层将地下水导向至深部地层，砂砾岩地层中地下水位明显高于三采区水位，在断层两侧呈现明显的水位跃变特性。最先渗流至三采区深部岩层及隔水层以下地层，随渗流时间增加，渗流影响区域逐渐向三采区上部地层扩展。随含水砂砾岩地层揭露，边坡渗水量主要为砂砾岩的直接补给。断层的导水性决定了地下水流动方向，在断层为大渗透材料砂砾材料时，渗流方向为露天矿坑；断层为隔水性较好的细粒材料时，渗透方向转向为深部地层。

2) 通过数值模拟边坡降水过程，得到了渗流过程中边坡出水点位置、水力坡降变化、断层台阶式跃阶特征等关键信息。其中，水位降深是引起水力坡降与坡面出水点下降关键因素。浸润线在两个断层处形成台阶式跃变，首先影响F1断层处的水位跌落幅度，随后是F5断层处。

3) 相似模拟及数值模拟中，相似模型水力坡降为0.137，而数值模拟出水水位的水力坡降为0.118，模型试验和数值模拟试验中地下水通过断层后水位均出现跃变特性。地下水位为初始标高580 m时，两种研究方式中边坡出水点水位误差为11.7 m(矿坑采深为190 m)，通过概化提取的水力坡降分布变化，可为理论计算边坡稳定性提供基础。

4) 根据断层两侧地下水的跃变特性，地下水控制在500 m标高以下时，水力坡降减低至0.023以下，地下水位变化趋于近水平，渗透力为水平方向。所以，露天矿降水设计方案，可以充分利用断层两侧的水位跃变特征，将F1断层左侧地下水位控制到520 m标高，在F1断层和F5断层之间地质体内设置降水井，实现露天矿坑坡面无水开采。