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露天矿边坡岩体渗透特性及疏干排水模拟分析
2011-07-25
边坡岩体的渗透特性和排水效果分析是露天矿边坡疏干排水设计的技术关键. 以现场 典型岩体结构面调查为依据, 建立了离散介质渗流模型, 计算了表征单元体的等效渗透系数张 量, 应用边界元数值法模拟研究了不同渗透张量情况下的疏干排水效果. 分析表明, 该技术途径 不但适合边坡岩体宏观渗流分析的特点, 而且能够较为深刻的认识裂隙渗流的本质, 为露天矿边 坡疏干排水优化设计提供了理论依据.
    第 24 卷 第 1 期 1999 年2 月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vol. 24 No. 1 Feb.   1999 3 露 天 矿 边 坡 岩 体 渗 透 特 性 及 疏 干 排 水 模 拟 分 析 杨 天 鸿 江 智 明芮 勇 勤 唐 春 安郑 雨 天 (煤 炭 科 学 研 究 总 院 抚 顺 分 院 )     ( 东 北 大 学 ) (东 北 大 学 ) 摘 要 边 坡 岩 体 的 渗 透 特 性 和 排 水 效 果 分 析 是 露 天 矿 边 坡 疏 干 排 水 设 计 的 技 术 关 键 . 以 现 场 典 型 岩 体 结 构 面 调 查 为 依 据 , 建 立 了 离 散 介 质 渗 流 模 型 , 计 算 了 表 征 单 元 体 的 等 效 渗 透 系 数 张 量 , 应 用 边 界 元 数 值 法 模 拟 研 究 了 不 同 渗 透 张 量 情 况 下 的 疏 干 排 水 效 果 . 分 析 表 明 , 该 技 术 途 径 不 但 适 合 边 坡 岩 体 宏 观 渗 流 分 析 的 特 点 , 而 且 能 够 较 为 深 刻 的 认 识 裂 隙 渗 流 的 本 质 , 为 露 天 矿 边 坡 疏 干 排 水 优 化 设 计 提 供 了 理 论 依 据 . 关 键 词 露 天 矿 边 坡 渗 透 张 量 疏 干 排 水 中 图 分 类 号 TD 82416 露 天 矿 边 坡 岩 体 渗 透 特 性 为 各 向 异 性 . 理 论 上 讲 , 离 散 介 质 方 法 能 如 实 地 描 述 水 在 节 理 岩 体 中 的 运 动 规 律 ; 然 而 , 高 边 坡 工 程 岩 体 中 数 量 众 多 的 结 构 面 限 制 了 它 的 应 用 , 等 效 连 续 介 质 方 法 就 有 特 别 重 要 的 工 程 实 用 价 值 . 据 此 , 在 进 行 边 坡 渗 流 分 析 及 排 水 工 程 设 计 中 可 以 遵 循 这 样 的 研 究 思 路 : 以 现 场 岩 体 渗 透 结 构 面 测 绘 统 计 资 料 为 依 据 , 采 用 离 散 介 质 方 法 建 立 典 型 裂 隙 网 络 模 型 , 计 算 岩 体 的 等 效 渗 透 张 量 ; 应 用 等 效 连 续 介 质 模 型 和 边 界 元 数 值 计 算 方 法 分 析 处 理 矿 山 边 坡 岩 体 的 渗 流 排 水 问 题 . 这 样 处 理 既 适 应 露 天 矿 高 边 坡 宏 观 渗 流 分 析 的 特 点 , 又 能 够 较 为 深 刻 的 认 识 裂 隙 渗 流 的 本 质 . 1 岩 体 结 构 面 几 何 参 数 调 查 及 概 率 模 型 的 建 立 通 过 对 某 露 天 煤 矿 北 帮 绿 色 泥 岩 边 坡 台 阶 野 外 实 测 到 的 200 多 条 裂 隙 进 行 统 计 , 确 定 有 3 组 节 理 发 育 程 度 较 高 , 具 有 明 显 的 优 势 产 状 . 3 组 结 构 面 几 何 参 数 的 概 率 分 布 拟 合 结 果 如 表 1 所 示 . 表 1 某 露 天 煤 矿 北 帮 岩 体 结 构 面 概 率 模 型 统 计 Table 1 A strip coal mineπs rock constructional plane parameter probability mode statistic at north slope 岩 体 结 构 面 几 何 参 数 特 征 值 分 组 数 倾 伏 角 (安) 迹 长 均 值 m 张 开 度 分 布 律 m 间 距 m 备 注 分 布 律 均 值 方 差 分 布 律 方 差 均 值 单 一 值 - - - 3 3 3 1 正 态 正 态 正 态 6188 55126   4110 18121 12190 正 态 5122 3120 3120 2172 1122 1122 单 一 值 单 一 值 单 一 值 110e 110e 110e 1167 2150 2150 层 理 节 理 节 理 2 3 对 数 正 态 对 数 正 态 115169   注 : 结 构 面 的 倾 伏 角 按 照 其 产 状 和 测 线 的 走 向 角 的 交 切 关 系 经 转 换 后 求 得 . [ 1 ] : 利 用 蒙 特 卡 洛 法 , 根 据 现 场 结 构 面 统 计 测 量 得 建 立 二 维 岩 体 结 构 面 几 何 参 数 的 概 率 模 型 的 方 法 出 的 分 布 律 来 反 求 各 参 数 的 (伪 ) 随 机 数 , 进 而 产 生 一 个 与 真 实 岩 体 结 构 在 统 计 上 完 全 等 效 的 结 构 面 网 络 [ 2 ] , 建 立 5 m 总 5 m 的 表 征 图 形 (图 1 (a) ) , 抽 取 有 导 水 意 义 的 连 通 网 络 图 (图 1 (b) ) , 应 用 离 散 介 质 方 法 收 稿 日 期 : 1998 - 10 - 11 3 煤 炭 科 学 基 金 项 目 (编 号 : 94 采 20922) 单 元 裂 隙 网 络 , 计 算 岩 体 的 等 效 渗 透 张 量 . 2 离 散 介 质 模 型 及 渗 透 张 量 计 算 [ 3 ] , 建 立 了 应 用 离 散 介 质 模 型 计 算 具 有 等 效 连 续 性 质 的 渗 Long 依 据 连 续 介 质 各 向 异 性 和 均 匀 性 原 理 透 张 量 的 方 法 , 其 原 理 为 : 围 绕 一 单 元 网 络 中 心 , 在 不 同 方 向 选 取 相 同 尺 寸 大 小 的 正 方 形 研 究 网 络 , 如 图 图 1 岩 体 结 构 面 网 络 图 2 渗 流 区 内 裂 隙 网 络 Fig11   Rock constructional plane mesh Fig12 Crevasse mesh in vadose area 2 所 示 , 设 二 维 渗 流 区 域 M N 和 M′N′为 定 水 头 边 界 , M M′和 N N′为 零 流 量 边 界 ,有 n 个 裂 隙 交 叉 点 (节 点 ) , m 个 线 元 组 成 的 均 衡 域 , 按 水 流 均 衡 原 理 (质 量 守 恒 ) , 得 其 裂 隙 网 络 渗 流 数 学 模 型 为 A q + W = 0在 渗 流 域 M N N′M′ 中 , H H MN = hb1 , M′N′ = hb2 , 5 5 H MM′, NN′岩 = 0 , 面 几 n         7 6 煤 炭 学 报 1999 年 第 24 卷 续 介 质 模 型 进 行 边 坡 岩 体 渗 流 排 水 分 析 的 重 要 依 据 . 3 渗 透 张 量 对 排 水 效 果 影 响 的 边 界 元 模 拟 分 析 渗 透 张 量 值 反 映 的 是 裂 隙 岩 体 的 渗 透 系 数 受 结 构 面 控 制 在 空 间 分 布 上 呈 现 出 的 各 向 异 性 , 它 会 对 地 下 水 渗 流 及 排 水 状 态 产 生 显 著 的 影 响 . 下 面 通 过 一 个 算 例 应 用 边 界 单 元 法 模 拟 研 究 不 同 渗 透 张 量 情 况 下 的 疏 干 排 水 效 果 . [ 4 ] 3 11   边 界 单 元 法 计 算 原 理 边 界 单 元 法 是 指 把 渗 流 场 的 边 界 离 散 为 边 界 单 元 , 利 用 格 林 公 式 和 叠 加 原 理 建 立 边 界 积 分 方 程 , 由 此 解 出 各 类 边 界 单 元 的 结 点 处 边 界 值 , 再 利 用 影 响 函 数 求 解 场 域 内 的 任 一 点 水 头 值 . 设 无 限 域 中 P 点 (源 点 ) 有 单 元 点 源 时 , 在 任 意 点 Q (场 [ 5 ] 点 ) 处 产 生 的 势 (拉 普 拉 斯 方 程 的 基 本 解 , 图 4) 1 1 ln H ( Q , P) = 2π K r ( Q , P) , 图 4 边 界 元 法 域 内 势 场 Fig14 Boundary element method potential fie ldd ia gra mm a tic sketch in itπs area V ( Q , P) = 5 H n r2i rni , 0 =   5 ( 4) 式 中 , H ( Q0) 和 V ( Q0) 为 Q 取 在 边 界 上 时 的 水 头 和 流 速 势 函 数 ; CH , CV 为 由 于 基 本 解 奇 异 ( Q 与 点 重 合 ) 引 出 的 共 点 效 应 系 数 ; Γ 1 , Γ 为 渗 流 区 域 的 P 2 定 水 头 边 界 和 定 流 量 边 界 . 在 边 界 Γ 上 划 分 单 元 建 立 积 分 方 程 组 , H ( Q0) 和 V ( Q0) 已 知 ,由 式 (4) 可 求 出 Φ ( P) , 进 而 可 得 域 内 场 点 的 H ( Q) , V ( Q) ,积 分 方 程 组 可 解 . 3 12   边 界 元 数 值 计 算 模 型 及 结 果 以 图 5 中 的 研 究 域 作 为 算 例 , 左 侧 为 定 水 头 边 界 , 高 60 m , 底 面 长 100 m , 为 隔 水 边 界 , 右 侧 从 底 板 向 上 20 m 为 定 水 头 边 界 , 往 上 20 m 为 溢 出 面 动 态 边 界 , 其 位 置 由 上 部 的 自 由 面 边 界 经 迭 代 计 算 而 定 . 整 个 计 算 域 划 分 7 条 边 界 , 45 个 单 元 结 点 . 水 平 排 水 孔 长 40 m , 直 径 014 m , 划 分 3 条 边 界 , 10 个 单 元 结 点 . 设 岩 体 的 水 平 渗 透 系 数 为 K1 , 垂 直 渗 透 系 数 为 K2 , K1 K2 代 表 K1 (水 平 方 向 ) 与 K2 (垂 直 方 向 ) 水 流 渗 透 能 力 的 比 值 . 图 5 所 示 为 水 平 放 水 孔 在 不 同 渗 透 张 量 情 况 下 的 潜 水 面 位 置 . 由 图 5 可 见 , 渗 透 张 量 对 地 下 水 渗 流 及 排 水 第 1 期 杨 天 鸿 等 : 露 天 矿 边 坡 岩 体 渗 透 特 性 及 疏 干 排 水 模 拟 分 析 77 效 果 产 生 显 著 的 影 响 . 垂 直 方 向 渗 透 能 力 越 强 , 水 平 孔 疏 干 效 果 越 好 , 当 顺 坡 面 方 向 的 渗 透 能 力 较 强 时 , 排 水 孔 的 疏 干 效 果 最 为 理 想 . 4 结 语 水 在 岩 体 中 的 运 动 及 由 此 产 生 的 渗 透 应 力 , 均 可 认 为 沿 结 构 面 分 布 . 所 以 , 现 场 调 查 边 坡 典 型 岩 体 结 构 面 的 分 布 , 应 用 离 散 介 质 方 法 建 立 单 元 渗 流 网 络 分 析 岩 体 渗 透 特 性 , 为 合 理 选 择 渗 流 计 算 模 型 提 供 了 重 要 依 据 . 在 此 基 础 上 , 针 对 现 场 的 矿 山 边 坡 水 文 地 质 实 体 建 立 反 映 岩 体 渗 透 各 向 异 性 的 等 效 连 续 介 质 模 型 , 进 行 边 界 元 数 值 模 拟 分 析 是 露 天 矿 山 边 坡 岩 体 渗 流 排 水 分 析 行 之 有 效 的 手 段 . 上 述 方 法 为 露 天 矿 山 边 坡 岩 体 渗 流 分 析 与 排 水 设 计 提 供 了 科 学 合 理 的 技 术 途 径 . 参 考 文 献 1 井 兰 如 . 岩 体 结 构 面 随 机 网 络 及 其 在 离 散 元 法 、 渗 流 计 算 以 及 块 体 分 析 理 论 中 的 应 用 . 第 一 届 全 国 岩 石 力 学 数 值 计 算 及 模 型 试 验 讨 论 会 论 文 集 . 成 都 : 西 南 交 通 大 学 出 版 社 , 1988. 85~ 91 2 3 王 恩 志 . 岩 体 裂 隙 的 网 络 分 析 及 渗 流 模 型 . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 1993 , 12 (3) : 214~ 221 Long J C S , Remer J S. Porous media equivalents for networks of discontinuous fractures. Water Resources Research. 1982 , 1 8 (3) : 645~ 658 4 5 张 有 天 , 王 镭 , 陈 平 . 边 界 元 方 法 及 其 在 工 程 中 的 应 用 . 北 京 : 水 利 电 力 出 版 社 , 1989 邝 国 能 , 熊 振 南 , 宋 振 熊 . 工 程 实 用 边 界 单 元 法 . 北 京 : 中 国 铁 道 出 版 社 , 1989 作 者 简 介 杨 天 鸿 , 男 . 1991 年 毕 业 于 中 国 矿 业 大 学 , 1998 年 于 煤 炭 科 学 研 究 总 院 抚 顺 分 院 获 硕 士 学 位 , 现 在 东 北 大 学 攻 读 博 士 学 位 . 在 《 勘 察 科 学 技 术 》 等 期 刊 上 发 表 “ 露 天 矿 边 坡 岩 体 结 构 面 调 查 及 渗 透 特 性 分 析 ” 等 论 文 10 几 篇 . 辽 宁 省 沈 阳 市 东 北 大 学 岩 石 破 裂 与 失 稳 研 究 中 心 , 邮 政 编 码 : 110006. RESEARCH INTO THE PERMEATION CHARACTER OF THE OPENCAST SIDE2SLOPE ROCK MASS AND THE SIMULATION OF UNDERGROUND DRAINAGE Yang Tianhong Jiang Zhiming Rui Yongqin Tang Chunan Zheng Yutian     ( Northeast University) ( Fushun B ranch , China Coal Research Institute) ( Northeast University) Abstract   The analysis of the permeation character of slope rock and dewatering effect is a technic key to unwatering and dewatering design of strip mine slope. With the field survey of rock mass structural faces as the basis , the discrete mediator permeation model is set up , a calculation of the REV (Representative Element Vol2 ume) equivalent permeation tensor is conducted , and the boundary element method is used to simulate and inves2 tigate the underground drainage effectiveness of different permeation tensor conditions. Analysis indicate that this technic path not only adapts slope rock macrography permeation character , but also can get a better and in2 depth understanding of the fracture2seepage nature , it provides the theory basis for an optimized design of drainage control schemes with the approach. Keywords   opencast side2slope , permeation tensor , underground drainage
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