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露天煤矿边坡岩体渗流特性及水压控制方案的研究
2011-07-25
本文从裂隙岩体渗流理论出发, 以某露天煤矿边坡岩体现场节理裂隙调 查及水压动态资料为基础, 建立边坡岩体渗流模型, 分析评价水压动态与疏干工程 施工过程及边坡稳定性的关系, 并提出了有实际意义的水压控制方案。
  1999 年 第 2 期 工程勘察 29 露 天 煤 矿 边 坡 岩 体 渗 流 特 性 及 水 压 控 制 方 案 的 研 究 杨 天 鸿芮 勇 勤江 智 明 (煤 炭 科 学 研 究 总 院 抚 顺 分 院辽 宁 方 抚 顺 113001) 【 提 要 】 本 文 从 裂 隙 岩 体 渗 流 理 论 出 发 , 以 某 露 天 煤 矿 边 坡 岩 体 现 场 节 理 裂 隙 调 查 及 水 压 动 态 资 料 为 基 础 , 建 立 边 坡 岩 体 渗 流 模 型 , 分 析 评 价 水 压 动 态 与 疏 干 工 程 施 工 过 程 及 边 坡 稳 定 性 的 关 系 , 并 提 出 了 有 实 际 意 义 的 水 压 控 制 方 案 。 【 关 键 词 】渗 流 模 型水 压 动 态水 压 控 制 【 Abstract】Slope rock seepage flow model is established based on the survey of field joint fracture of slope rock in certain open p it coal m ine and data of w ater p ressure regim e w ith the aid of seepage theory of fractured rock m ass. The relationship among w ater p ressure regim e, construction p rocess of dew atering and slope stability are analyzed and significant w ater p ressure controlling schem e is p roposed. 【 Key words】 seepage flow model  w ater p ressure regim e  w ater p ressure controlling   某 矿 是 我 国 大 型 露 天 煤 矿 , 随 着 矿 坑 采 深 的 日 益 增 加 , 边 坡 高 达 380m , 坡 角 25案~ 0案, 矿 区 北 帮 边 坡 由 于 受 浑 河 水 头 补 给 , 水 坡 水 压 动 态 分 析 及 疏 干 减 压 工 程 效 果 评 价 显 得 十 分 重 要 。 3 1矿 区 北 帮 边 坡 水 文 地 质 模 型 文 地 质 条 件 十 分 恶 劣 。 近 几 年 每 年 汛 期 , 由 于 水 压 影 响 至 使 边 坡 倾 倒 滑 移 变 形 十 分 严 重 , 不 但 影 响 矿 山 运 输 生 产 , 而 且 严 重 威 胁 紧 临 北 帮 地 面 工 业 建 筑 设 施 的 安 全 , 引 起 有 关 部 门 高 度 重 视 。 1996 年 该 露 天 煤 矿 北 帮 西 区 边 坡 综 合 治 理 工 程 得 到 国 家 审 批 并 开 始 实 施 , 治 理 区 间 为 W 200~ W 600。 其 中 该 区 边 1 北 帮 基 岩 受 F 1A 、 F 断 层 切 割 , 形 成 三 大 水 文 地 质 单 元 : 一 含 水 单 元 — — F 1A 断 层 以 北 的 太 古 界 片 麻 岩 构 造 裂 隙 含 水 单 元 ; 二 含 水 单 元 — — F 1A 至 F 1 断 层 之 间 的 白 垩 系 砂 岩 构 造 裂 隙 含 水 单 元 ; 三 含 水 单 元 — — F 断 层 以 南 的 第 三 系 构 造 裂 隙 含 水 单 元 (图 1)。 1 图 1  露 天 煤 矿 W 600 水 文 地 质 剖 面   一 含 水 单 元 、 二 含 水 单 元 通 过 第 四 系 冲 积 层 接 受 浑 河 定 水 头 补 给 , F 断 层 作 为 弱 透 水 边 界 建 立 起 二 含 水 单 元 和 三 含 水 单 元 的 水 断 层 之 间 的 二 含 水 单 元 为 一 饱 水 岩 体 , 地 下 水 位 较 高 , 埋 深 2~ 5m , 且 季 节 性 波 动 不 大 。 1 三 含 水 单 元 位 于 F 1 断 层 下 盘 , 是 构 成 北 力 联 系 。 处 于 F 1A 和 F 1 帮 边 坡 的 主 要 岩 体 , 是 边 坡 水 压 研 究 的 主 要   3 0 工程勘察 1999 年 第 2 期 区 域 。 对 三 含 水 单 元 的 岩 体 , 为 了 查 清 其 渗 透 特 性 及 建 立 合 适 的 渗 流 介 质 模 型 , 选 取 典 型 岩 体 进 行 节 理 裂 隙 调 查 , 确 定 了 三 组 优 势 产 状 的 节 理 , 按 Long 理 论 计 算 岩 体 各 方 向 的 渗 透 系 数 , 从 图 2 可 知 , 该 区 岩 体 渗 透 系 计 采 厚 30~ 60m , 开 采 方 式 为 高 落 法 无 充 填 或 水 砂 废 页 岩 充 填 。 经 井 采 区 上 覆 岩 层 钻 孔 冲 洗 液 的 漏 失 量 统 计 , 确 定 导 水 裂 隙 带 高 度 为 采 厚 的 6~ 8 倍 , 这 样 , 覆 于 煤 层 之 上 的 油 母 页 岩 完 全 处 于 井 采 导 水 裂 隙 带 的 范 围 内 。 鉴 于 主 要 疏 干 对 象 — — 三 含 水 单 元 水 文 特 征 的 复 杂 性 , 认 为 随 着 采 掘 工 程 的 推 进 , 露 采 引 起 井 采 岩 移 活 化 、 卸 荷 、 边 坡 变 形 及 风 化 作 用 等 综 合 影 响 , 岩 体 中 的 裂 隙 会 进 一 步 的 张 开 和 扩 展 。 数 张 量 不 明 显 , 最 大 渗 透 系 数 K 1 和 最 小 渗 透 系 数 K 的 比 值 11182。 该 结 果 是 选 择 各 向 2 同 性 连 续 渗 流 介 质 模 型 的 依 据 。 所 以 , 为 了 便 于 渗 流 计 算 和 疏 干 工 程 设 计 , 从 宏 观 上 将 三 含 水 单 元 看 做 具 有 统 一 水 力 联 系 的 等 效 连 续 介 质 仍 是 必 要 的 。 据 达 西 定 理 和 渗 透 连 续 方 程 , 可 得 如 下 方 程 : 5 X K 5H 5 K 5H = S S 5H + 5X Z 5Z 5t ( 1) H (x , z , t) û# 1 = Z K 方 5H ö5nû# 2 = V (x , z , t) , # — — 水 头 边 界 和 流 量 边 界 ; — — 单 位 贮 (释 ) 水 率 , m ; X , Z — — - 式 中 # 1 2 图 2  裂 隙 岩 体 各 方 向 渗 透 系 数 椭 圆 - 1 S S 2 边 坡 水 压 监 测 及 渗 流 分 析 990 年 4 月 , 在 北 帮 W 200~ W 600 区 间 的 - 140m 水 平 施 工 5 组 水 平 放 水 孔 (孔 深 水 平 和 垂 直 方 向 座 标 ; K — — 渗 流 系 数 , m ö d; V — — 渗 流 速 度 , m öd。 依 据 公 式 (1) 可 分 别 建 立 二 含 水 单 元 和 1 2 1 50~ 200m ) , 主 要 疏 干 降 低 三 含 水 单 元 边 坡 3 三 含 水 单 元 的 地 下 水 渗 流 方 程 。 两 者 通 过 F 断 层 (弱 透 水 边 界 ) 建 立 垂 向 水 力 联 系 。 其 1 体 内 的 水 压 。 每 孔 实 测 平 均 涌 水 量 0102m ö m in。 89 观 3 孔 4 月 初 水 压 迅 速 下 降 , 至 7、 中 F 1 断 层 的 边 界 条 件 为 (5H ö5n) = K (5H ö5n) Ρ方 (H (2) - H — — 二 含 水 单 元 、 三 含 水 单 元 的 渗 透 系 数 ; H , H — — 二 含 水 单 元 、 三 含 8 月 份 渐 趋 稳 定 (图 3)。 水 平 放 水 孔 施 工 后 , - K 1 2 地 表 变 形 明 显 减 缓 。 = 2 1 ) 1 2 式 中 K , K 1 2 水 单 元 的 水 头 值 ; Ρ— — 越 流 量 系 数 。 当 实 施 水 平 放 水 孔 之 前 , 地 下 水 处 于 稳 定 流 态 , 公 式 (1) 的 右 端 项 为 零 。 此 时 自 由 面 即 是 水 头 边 界 , 又 是 流 量 边 界 , 首 先 假 定 其 初 始 位 置 , 并 满 足 5H ö5n= 0, 其 几 何 位 置 由 下 式 确 定 图 3  W 600 剖 面 89 观 3 孔 水 压 历 时 曲 线 3 渗 流 分 析 计 算 模 型 ûH (x , z , o) - Z û ≤ ∆ (3) 该 区 岩 层 大 面 积 遭 受 井 工 采 动 影 响 , 累 式 中∆— — 自 由 面 迭 代 误 差 。   1999 年 第 2 期 工程勘察 31 当 实 施 水 平 放 水 孔 之 后 , 边 坡 地 下 水 呈 非 稳 定 流 态 , 这 一 过 程 历 时 很 短 , 随 着 三 含 水 单 元 水 压 的 下 降 , 引 起 F 断 层 的 越 流 补 给 果 比 较 满 意 。 4渗 流 分 析 结 果 1 根 据 北 帮 边 坡 1990 年 4 月 至 10 月 的 实 量 的 增 大 , 最 终 将 使 三 含 水 单 元 的 水 位 呈 现 似 稳 定 状 态 。 通 过 放 水 孔 涌 水 量 及 水 压 数 值 解 与 实 测 值 的 拟 合 , 来 反 求 水 文 地 质 参 数 。 疏 干 工 程 实 施 后 , 当 地 下 水 运 动 达 到 似 测 水 压 , 利 用 上 述 方 法 反 求 二 含 水 单 元 、 三 - 7 含 水 单 元 的 渗 透 系 数 : K 1 = 812总 10 m ös, - 6 K 2 = 212 总 10 m ös, 自 由 面 迭 代 误 差 为 - 6 1 012m , F 断 层 越 流 系 数 Ρ= 613总 10 ös。 计 稳 定 状 态 时 , 对 于 放 水 孔 及 巷 道 内 壁 , 可 处 理 成 溢 出 面 边 界 , 即 壁 面 上 的 水 头 等 于 其 高 程 。用 边 界 元 法 模 拟 小 尺 寸 的 排 水 构 筑 物 , 效 算 结 果 见 图 4, 水 位 拟 合 值 列 于 表 1, 结 果 令 人 满 意 。 从 图 4 可 知 , 二 含 水 单 元 因 接 受 冲 积 层 潜 水 定 水 头 补 给 , 水 压 难 以 明 显 降 低 。 图 4  W 600 剖 面 实 施 水 平 放 水 孔 前 后 渗 流 场 分 布 W 600 剖 面 边 坡 疏 干 前 后 实 测 与 计 算 水 压 值 对 照 表 1 干 工 程 施 工 后 , 水 压 分 布 模 拟 结 果 如 图 5 (由 于 W 400 剖 面 是 治 理 工 程 的 中 心 , 所 以 以 该 剖 面 为 例 ) 所 示 。 含 水 单 元 2 水 压 孔 号 疏 干 前 (m) 疏 干 后 (m) 计 算 误 差 实 测 计 算 误 差 实 测 5 边 坡 水 压 动 态 与 变 形 相 关 分 析 89观 1 - 2153 - 1193 0160 - - 5169 8 9观 3 - 88117 - 85142 + 2175 - 115175- 112174 + 3101 采 用 FLA C 程 序 模 拟 边 坡 在 当 前 水 位 3 89观 4 - 101110- 102153 - 1143 - 122135- 123121 - 0186 状 态 、 暴 雨 期 饱 水 边 坡 状 态 、 全 干 边 坡 状 态 以 及 采 取 疏 干 工 程 等 不 同 情 况 下 边 坡 体 的 滑 移 区 、 倾 倒 区 的 同 一 位 置 深 度 的 变 形 位 移 特   3 89 观 1 孔 1990 年 损 坏 。 针 对 W 600 边 坡 含 水 介 质 的 渗 透 特 性 , 在 W 200~ W 600 区 间 设 计 采 用 多 级 水 平 放 水 孔 (间 距 50m ) 与 疏 干 巷 道 联 合 工 程 。 疏 征 (图 5)。 这 里 需 要 说 明 的 一 点 是 : 开 挖 引 起 岩 体 图 5  不 同 水 压 状 态 下 边 坡 变 形 曲 线   3 2 工程勘察 1999 年 第 2 期 的 移 动 是 一 种 随 开 挖 速 度 变 化 引 起 的 逐 次 的 移 动 和 变 形 过 程 。 这 次 模 拟 在 分 析 处 理 过 程 中 , 认 为 边 坡 一 次 开 挖 到 当 前 边 坡 轮 廓 , 所 计 算 得 的 边 坡 位 移 量 是 累 计 位 移 值 , 但 边 坡 体 处 于 不 同 情 况 下 的 位 移 相 对 比 值 才 是 符 合 实 际 情 况 的 , 能 够 反 映 不 同 水 压 状 态 下 的 变 形 效 果 。 如 图 5 所 示 , 在 坡 表 和 地 表 不 同 位 置 设 置 了 4 个 地 下 岩 移 监 测 桩 (设 置 强 度 很 弱 的 锚 杆 , FLA C 程 序 能 够 计 算 出 锚 杆 或 锚 索 沿 杆 长 的 位 移 和 应 力 分 布 , 相 当 于 模 拟 地 下 岩 移 监 测 桩 的 位 移 变 化 ) , 以 当 前 边 坡 变 形 值 为 1, 来 对 比 不 同 情 况 下 边 坡 位 移 (水 平 位 移 ) 量 的 相 对 比 值 (表 2)。 疏 干 工 程 边 坡 变 形 减 缓 效 果 评 价 表 2 剖面 W 200 W 400 W 600 1# 2# 3# 4# 1# 2# 3# 4# 1# 2# 3# 4# 监 测 桩 当 前 边 坡 100% 100% 39% 100% 39% 100% 3% 100% 33% 100% 47% 53% 121% 100% 32% 100% 39% 100% 42% 疏 干 工 程 全 干 边 坡 饱 水 边 坡 5% 6% 38% 123% 195%   (1) 当 前 边 坡 位 移 情 况 : 对 于 这 种 情 况 , 制 定 水 压 控 制 方 案 的 前 提 和 依 据 ; 二 是 研 究 水 压 与 边 坡 变 形 的 关 系 。 因 为 控 制 边 坡 变 形 才 是 最 终 目 的 , 而 控 制 水 压 只 是 一 个 行 之 有 效 的 手 段 。 边 坡 向 斜 南 翼 顺 层 滑 移 变 形 主 要 集 中 在 1~ 2 2 层 , 其 变 形 值 是 第 3 层 的 2 倍 以 上 。 其 中 第 层 倾 倒 滑 移 所 对 应 的 地 面 变 形 深 度 如 图 5 所 示 , 该 层 位 处 的 倾 倒 变 形 底 界 面 倾 角 为 21案。 从 坡 表 到 地 表 向 北 , 其 水 平 位 移 值 逐 渐 综 上 所 述 , 掌 握 各 种 因 素 控 制 下 的 水 压 动 态 规 律 ( 水 压 与 边 坡 变 形 的 关 系 规 律 , 疏 干 工 程 的 减 压 规 律 ) 是 水 压 控 制 体 系 的 核 心 , 通 过 水 压 动 态 变 化 特 征 的 深 入 认 识 , 依 据 控 制 边 坡 变 形 的 具 体 要 求 , 因 地 制 宜 的 采 取 合 理 的 疏 干 减 压 方 案 , 这 样 疏 干 方 案 才 是 最 优 化 的 , 疏 干 效 果 才 是 最 理 想 的 。 减 小 。 ( 2) 疏 干 工 程 实 施 后 的 位 移 情 况 : 采 取 水 平 放 水 孔 与 疏 干 巷 道 联 合 工 程 之 后 , 边 坡 # # 变 形 明 显 减 缓 。 对 比 2 和 3 桩 , 地 表 水 平 位 # 移 分 别 减 小 33% 和 47%。 4 桩 位 于 F1A 上 盘 , 对 疏 干 工 程 和 饱 水 边 坡 等 各 种 情 况 , 变 参 考 文 献 形 波 动 很 小 。 [ 1 ]  田 开 铭 , 渗 透 度 张 量 , 水 文 地 质 工 程 地 质 论 丛 , 986, 27~ 43     (3) 饱 水 边 坡 和 全 干 边 坡 的 情 况 : 当 边 坡 饱 水 时 , 坡 表 位 移 量 比 当 前 状 态 又 增 加 15 倍 左 右 , 倾 倒 滑 移 深 度 将 深 入 到 第 4 层 , 1 [ 2 ]  张 有 天 , 裂 隙 岩 体 数 学 模 型 研 究 概 况 , 水 利 水 电 科 学 研 究 院 , 1989 1 [ 3 ]  张 有 天 等 , 裂 隙 岩 体 渗 流 数 学 模 型 研 究 现 状 , 水 利 水 电 科 学 研 究 院 结 构 材 料 所 , 1989 (1) 4 ]  潘 别 桐吴 旭 君 , 工 程 岩 体 渗 透 性 研 究 现 状 和 趋 向 , 地 质 科 技 情 报 , 1988 (2) 可 能 产 生 沿 第 4 层 直 到 地 表 N 1300 位 置 的 整 体 滑 移 。 而 全 干 边 坡 的 情 况 下 , 边 坡 变 形 [ # 稍 好 于 疏 干 情 况 。 从 2 桩 看 , 全 干 边 坡 只 比 疏 干 边 坡 效 果 减 缓 5 个 百 分 点 , 可 见 适 当 的 [ 5 ]  杨 天 鸿芮 勇 勤申 力 , 露 天 矿 边 坡 地 下 水 渗 流 规 律 及 治 理 措 施 的 研 究 , 第 三 届 全 国 青 年 岩 石 力 学 与 工 程 学 术 研 讨 会 论 文 集 , 西 南 交 通 大 学 出 版 社 , 199516 边 坡 疏 干 工 程 可 近 似 达 到 全 干 边 坡 的 效 果 ( 表 2)。 6 结论 [ 6 ]  杨 天 鸿江 智 明芮 勇 勤 , 抚 顺 西 露 天 矿 北 帮 岩 体 结 构 特 征 及 随 机 模 型 模 拟 , 第 四 届 露 天 开 采 专 业 委 员 会 文 集 , 1995. 10 通 过 实 例 分 析 , 边 坡 水 压 控 制 研 究 体 系 分 两 步 进 行 : 一 是 查 清 水 压 动 态 规 律 , 它 是
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