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巷道立体疏干技术在曼家寨采场边坡中的应用
2013-09-17
为了通过疏干边坡地下水达到提高边坡稳定性的目的,通过对云南华联锌铟公司曼家寨东帮采场边 坡疏干巷道的理论和数值模拟分析计算,确定了立体疏干对采场边坡的地下水位线的影响。结果表明疏干巷道排 水工程对边坡稳定性的作用良好,可以将这一技术应用于其他露天采场边坡当中。
中 国 矿 业 科 技 文 汇 — 2013 巷道立体疏干技术在曼家寨采场边坡中的应用 1 2 2 2 曾 继 鹏 ꢀ 田 虎 伟 ꢀ 项 宏 海 ꢀ 段 蔚 平 ( 1. 云 南 华 联 锌 铟 股 份 有 限 公 司 ; 2. 中 钢 集 团 马 鞍 山 矿 山 研 究 院 有 限 公 司 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 为 了 通 过 疏 干 边 坡 地 下 水 达 到 提 高 边 坡 稳 定 性 的 目 的 , 通 过 对 云 南 华 联 锌 铟 公 司 曼 家 寨 东 帮 采 场 边 坡 疏 干 巷 道 的 理 论 和 数 值 模 拟 分 析 计 算 , 确 定 了 立 体 疏 干 对 采 场 边 坡 的 地 下 水 位 线 的 影 响 。 结 果 表 明 疏 干 巷 道 排 水 工 程 对 边 坡 稳 定 性 的 作 用 良 好 , 可 以 将 这 一 技 术 应 用 于 其 他 露 天 采 场 边 坡 当 中 。 关 键 词 ꢀ 疏 干 巷 道 ꢀ 地 下 水 ꢀ 边 坡 稳 定 性 ꢀ 渗 流 ꢀ ꢀ 滑 坡 是 人 类 生 活 中 常 见 的 自 然 现 象 , 在 矿 山 边 云 母 片 岩 和 石 英 云 母 片 岩 , 透 水 性 相 对 较 差 。 矿 区 内 地 下 水 主 要 接 受 大 气 降 水 补 给 , 大 气 降 水 通 过 基 岩 露 头 区 的 构 造 及 风 化 裂 隙 垂 直 入 渗 , 也 通 过 坡 面 的 张 裂 缝 垂 直 入 渗 到 坡 体 , 是 诱 发 边 坡 滑 坡 的 主 要 因 素 , 随 地 形 坡 降 由 高 处 向 沟 谷 方 向 径 流 排 泄 。 坡 、 尾 矿 库 、 排 土 场 的 基 础 建 设 工 程 中 , 滑 坡 是 常 见 的 事 故 之 一 , 触 发 滑 坡 的 因 素 多 种 多 样 , 主 要 有 降 雨 、 地 震 、 人 类 工 程 活 动 等 , 边 坡 中 的 渗 透 水 压 力 和 渗 流 场 分 布 是 影 响 边 坡 稳 定 和 变 形 的 重 要 因 素 之 一 。 虽 然 引 起 滑 坡 的 因 素 多 种 多 样 , 但 根 据 大 量 边 坡 失 稳 原 因 的 分 析 , 几 乎 所 有 的 崩 塌 、 滑 坡 都 与 水 有 关 , 特 别 是 地 下 水 的 存 在 与 活 动 往 往 是 形 成 崩 塌 、 滑 坡 等 边 坡 失 稳 的 主 要 因 素 。 正 确 认 识 边 坡 中 的 地 下 2ꢀ 疏 干 巷 道 排 水 设 计 2. 1ꢀ 设 计 目 的 疏 干 巷 道 的 设 计 是 为 了 拦 截 地 下 水 和 疏 排 采 场 内 的 地 下 水 静 储 量 , 降 低 治 理 边 坡 岩 体 中 地 下 水 位 WWW.K 水 分 布 情 况 及 其 对 边 坡 稳 定 性 的 影 响 规 律 分 布 能 够 Y114.CN 和 水 压 力 , 消 除 由 于 坡 面 出 水 造 成 的 采 场 边 坡 的 滑 合 理 的 预 测 滑 动 面 , 可 以 预 防 滑 坡 的 发 生 , 指 导 边 坡 坡 , 提 高 边 坡 稳 定 性 。 整 治 工 程 , 减 少 事 故 损 失 。 2. 2ꢀ 疏 干 巷 道 设 计 以 云 南 华 联 锌 铟 股 份 有 限 公 司 曼 家 寨 东 帮 采 场 的 边 坡 工 程 为 例 , 主 要 讨 论 疏 干 巷 道 在 边 坡 稳 定 性 中 的 应 用 。 为 保 证 出 渣 方 便 和 泄 水 孔 穿 孔 施 工 , 设 计 为 垂 直 疏 干 巷 道 , 巷 道 设 计 宽 度 1. 8 m, 高 度 2. 0 m, 拱 墙 高 度 1. 48 m, 拱 高 0. 52 m, 纵 向 坡 度 3% , 掘 进 总 长 度 20 m, 垂 直 排 渗 孔 15 m, 孔 径 1. 05 m, 水 平 排 渗 孔 15 m, 孔 径 0. 75 m。 1 ꢀ 工 程 地 质 和 水 文 地 质 条 件 云 南 华 联 锌 铟 股 份 有 限 公 司 位 于 云 南 省 东 南 部 的 文 山 壮 族 、 苗 族 自 治 州 马 关 县 都 龙 镇 。 近 两 年 来 , 矿 山 在 露 天 采 剥 过 程 中 , 由 于 曼 家 寨 采 场 东 帮 边 坡 上 部 岩 体 岩 性 多 为 石 英 云 母 片 岩 、 层 理 及 裂 隙 发 育 , 特 别 是 层 间 滑 动 带 及 局 部 坡 体 饱 水 , 加 之 坡 体 前 人 遗 留 巷 道 、 采 空 区 等 影 响 , 致 使 边 坡 岩 体 强 度 低 、 稳 定 性 差 , 随 着 剥 离 工 程 推 进 , 边 坡 多 处 出 现 不 同 规 模 的 崩 塌 、 滑 坡 破 坏 , 尤 其 东 帮 南 段 的 滑 坡 破 坏 , 已 经 严 重 威 胁 到 矿 山 工 业 场 地 的 安 全 生 产 。 3 ꢀ 理 论 分 析 3 . 1ꢀ 渗 流 基 本 定 律 1856 年 , 法 国 水 力 学 学 者 达 西 在 研 究 水 在 土 体 中 的 流 动 规 律 中 , 发 表 他 的 定 律 : 水 在 孔 隙 介 质 中 的 流 动 速 度 u 与 水 力 梯 度 i 成 正 比 1] , 即 u ∝ i 或 u ∝ Δh 或 u ∝ [ dh , ( 1) ( 2) Δs dl ꢀ ꢀ 式 ( 2) 的 比 例 系 数 K 称 为 渗 透 系 数 , 矿 区 位 于 中 低 山 体 斜 坡 及 坡 麓 地 段 , 地 下 水 类 型 为 裂 隙 潜 水 , 主 要 赋 存 于 岩 石 风 化 裂 隙 、 构 造 裂 隙 之 中 。 因 矿 区 基 岩 普 遍 较 软 , 裂 隙 遇 水 易 泥 化 、 闭 合 , 故 矿 区 基 岩 裂 隙 水 的 富 水 性 普 遍 较 弱 , 沟 谷 的 东 、 西 向 两 侧 地 形 较 陡 , 其 中 东 部 边 坡 的 主 要 岩 性 为 u = Ki 或 u = - K dH  dl 曾 继 鹏 ( 1971— ) , 男 , 工 程 师 , 663701 云 南 省 文 山 市 马 关 县 。 · 359· ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 中 国 矿 业 科 技 文 汇 — 2013ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 应 当 说 明 的 是 , 随 着 流 动 途 径 增 加 dl, 水 头 在 表 , 根 据 边 界 条 件 计 算 坡 面 对 边 坡 内 5 种 不 同 的 渗 透 介 质 进 行 理 论 分 析 。 降 低 , 即 水 头 “ 增 量 ” dH 是 负 值 , 因 此 式 ( 2) 中 在 ( dH) / ( dl) 前 取 负 号 。 单 位 时 间 内 通 过 面 积 A 内 的 流 量 : q = KiA, 根 据 理 论 分 析 及 数 学 方 法 的 实 现 , 对 曼 家 寨 东 帮 23 号 剖 面 线 进 行 了 未 加 巷 道 、 加 巷 道 水 平 疏 干 孔 、 加 巷 道 垂 直 疏 干 孔 和 加 巷 道 水 平 垂 直 联 合 疏 干 孔 的 地 下 水 模 拟 , 并 结 合 工 程 经 验 类 比 , 综 合 分 析 得 出 个 剖 面 的 地 下 水 浸 润 线 形 态 如 图 1 ~ 图 4 所 示 。 ( 3) ( 4) 式 中 , t 时 间 内 通 过 面 积 A 内 的 流 量 : Q = KiAt. ꢀ ꢀ 达 西 定 律 是 一 个 实 验 定 律 , 最 初 有 人 把 达 西 式 2) 看 作 是 渗 流 运 动 方 程 , 而 且 直 接 推 广 到 三 维 渗 ( 流 上 去 , 后 来 通 过 大 量 有 计 划 的 实 验 , 以 及 实 际 工 程 的 验 证 , 证 明 这 种 推 广 是 成 功 的 。 当 坐 标 轴 的 方 向 和 孔 隙 介 质 渗 透 性 的 主 方 向 一 致 时 , 达 西 公 式 的 三 维 形 式 可 变 成 ux = - Kx  uy = - Ky  H 图 1ꢀ 东 邦 23 号 线 未 加 巷 道 地 下 水 位 线     x H , ( 5)    y  H  z u = - Kz   z 式 中 , ux , uy , ux 分 别 为 渗 流 速 度 在 x, y, z 3 个 方 向 上 的 分 量 ; K , K , K 分 别 为 土 体 渗 透 系 数 在 x, y, z 3 个 x 的 y 分 z 方 向 上 量 ; ( H) / ( x) , ( H) / ( y) , 图 2ꢀ 东 邦 23 号 线 加 巷 道 水 平 疏 干 孔 地 下 水 位 线 ( H) / ( z) 分 别 为 水 力 梯 度 在 x, y, z 3 个 方 向 上 的 WWW.KY114.CN 分 量 。 从 而 可 以 推 导 出 各 向 异 性 介 质 的 达 西 定 律 , 即 所 谓 的 广 义 达 西 定 律 ux = - Kxz · H - Kxy ·  H - Kxz · H        x y z uy = - Kyz ·  H - Kyy · H - Kyz · H 或  x y z , ( 6) 图 3ꢀ 东 邦 23 号 线 巷 道 垂 直 疏 干 孔 地 下 水 位 线 { u} = - [ K] · { i} ,  H - Kzy · H - Kzz · H   uz = - Kzx ·  x y z 式 中 , { u} = [ ux ꢀ uy ꢀ uz ] T, { i} = [ ix ꢀ iy ꢀ iz ] T, K ꢀ K ꢀ K   xx xy xz   [ K] = K ꢀ K ꢀ Kyz , yx yy     图 4ꢀ 东 邦 23 号 线 加 巷 道 水 平 K ꢀ K ꢀ K zz zx zy 垂 直 联 合 疏 干 孔 地 下 水 位 线 [ K] 为 渗 透 系 数 矩 阵 , 其 坐 标 转 换 规 则 满 足 张 量 的 4 ꢀ 理 论 分 析 及 疏 干 效 果 转 换 规 则 , 因 而 也 称 渗 透 系 数 张 量 。 对 于 三 维 问 题 , 4 . 1ꢀ 理 论 分 析 效 果 [ K] 共 有 9 个 分 量 , 由 于 对 称 性 K = Kji , 独 立 的 分 ij ( 1) 地 下 水 出 水 点 的 理 论 分 析 基 本 符 合 实 际 , 量 共 6 个 。 对 于 平 面 问 题 , 独 立 的 分 量 有 3 个 。 与 目 前 进 行 的 稳 定 性 分 析 中 所 选 参 数 相 一 致 。 2) 地 下 水 水 位 线 的 理 论 分 析 与 勘 探 的 地 下 水 3 . 2ꢀ 理 论 分 析 ( 本 次 渗 流 场 分 析 以 主 要 家 寨 东 邦 23 号 线 为 代 · 360· ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 岩 土 工 程 ꢀ 水 位 线 基 本 吻 合 。 坡 稳 定 危 害 较 大 , 实 施 疏 干 巷 道 施 工 方 便 , 效 果 明 显 , 达 到 了 降 低 地 下 水 位 的 目 的 , 完 善 了 矿 山 排 水 系 统 。 4 . 2ꢀ 疏 干 效 果 在 施 工 过 程 中 , 东 帮 采 场 边 坡 面 的 渗 水 已 经 大 量 的 减 少 , 随 着 施 工 的 进 展 , 渗 水 基 本 得 到 控 制 , 截 止 疏 干 巷 道 完 全 施 工 结 束 之 后 , 坡 面 渗 水 完 全 消 失 。 施 工 前 后 地 下 水 位 降 低 明 显 。 ( 3) 曼 家 寨 采 场 的 钻 孔 垂 向 流 表 明 地 下 水 不 具 有 明 显 承 压 性 , 地 下 水 的 补 给 主 要 是 大 气 降 雨 , 疏 干 对 象 主 要 是 地 下 潜 水 和 上 层 滞 水 。 施 工 疏 干 巷 道 前 后 , 边 坡 稳 定 性 计 算 数 值 如 表 ( 4) 由 于 该 边 坡 岩 土 性 质 的 特 殊 性 , 巷 道 水 平 疏 干 孔 的 疏 干 效 果 没 有 垂 直 疏 干 孔 的 效 果 理 想 , 同 时 水 平 疏 干 孔 也 必 不 可 少 , 故 而 选 用 水 平 垂 直 联 合 孔 的 疏 干 巷 道 。 1 所 示 。 表 1ꢀ 疏 干 巷 道 施 工 前 后 的 边 坡 稳 定 性 计 算 数 值 状 ꢀ ꢀ 态 边 坡 稳 定 系 数 ( F ) s 疏 干 巷 道 施 工 前 水 平 孔 巷 道 联 合 疏 干 垂 直 孔 巷 道 联 合 疏 干 1. 03 1. 08 1. 17 1. 23 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ 1] ꢀ 毛 昶 熙 . 渗 流 计 算 分 析 与 控 制 [ M]  北 京 : 水 利 水 电 出 版 社 , 水 平 垂 直 立 体 联 合 巷 道 疏 干 1 990. [ [ 2] ꢀ 刘 蔚 宁 . 渗 流 力 学 基 础 [ M]  北 京 : 石 油 工 业 出 版 社 1985. 3] ꢀ 李 ꢀ 诚 , 段 蔚 平 , 刘 建 刚 . 曼 家 寨 采 场 东 部 边 坡 地 下 水 同 位 素 测 试 研 究 [ J]  2012( 8) . 5 ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 疏 干 巷 道 作 为 一 种 排 水 方 式 , 尤 其 在 降 雨 量 较 大 的 南 方 矿 山 得 到 了 广 泛 应 用 , 是 露 天 矿 立 体 排 水 系 统 的 主 要 组 成 部 分 , 在 边 坡 体 地 下 水 疏 干 中 发 挥 着 重 要 的 作 用 。 [ 4] ꢀ 韩 志 华 , 陈 海 明 . 平 庄 露 天 煤 矿 疏 干 排 水 系 统 改 造 [ J]  露 天 采 矿 技 术 , 2002( 2) : 4142. ( 收 稿 日 期 ꢀ 20130604) ( 2) 曼 家 寨 采 场 东 帮 边 坡 , 由 于 降 雨 量 丰 富 , 地 下 水 位 高 , 边 坡 体 内 动 水 压 力 及 静 水 压 力 较 高 , 对 边 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 1 987( 5) . ( 上 接 第 342 页 ) 参 Wꢀ 考 ꢀ 文Wꢀ 献 W.KY114.CN [ [ [ 4] ꢀ 朱 大 勇 , 钱 七 虎 , 周 早 生 , 等 . 基 于 余 推 力 法 的 边 坡 临 界 滑 动 场 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 1999( 6) . 5] ꢀ 韦 寒 波 , 孙 世 国 , 高 ꢀ 谦 , 王 文 婷 . 基 于 临 界 滑 移 场 技 术 的 排 土 场 边 坡 稳 定 性 分 析 [ J] . 北 京 科 技 大 学 学 报 , 2008( 6) . 6] ꢀ 孙 世 国 , 冉 启 发 , 李 国 柱 . 应 用 临 界 滑 移 场 技 术 进 行 坡 角 优 化 设 计 的 方 法 [ J] . 中 国 矿 业 , 2006( 10) . 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