露天礦地下水控制技術及對邊坡穩定性的影響

王 海 ，王晨光 ，張 雁 ，張宏剛 ，黃選明 ，苗賀朝

（1.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077；2.中國礦業大學 資源與地球科學學院， 江蘇 徐州 221116；3.內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司 元寶山露天煤礦，內蒙古 赤峰 024050；4.中煤科工生態環境有限公司，北京 100013）

我國礦產資源豐富，礦山數量眾多，截至2019 年，煤礦數量5 268 座，非煤礦山30 000 多座[1-2]。露天開采具備成本低、安全系數高等優勢，因此，能夠露天開采的礦山優先考慮露天開采工藝[3]。然而露天開采無法避免礦坑涌水和邊坡安全問題，據統計，我國現有富水露天礦200 座以上，其中50 座以上的露天礦疏排水量超過30 000 m3/d[4]。富水露天礦地下水控制不當、邊坡處治不合理往往引起各種邊坡滑塌事故，經濟損失巨大，人員傷亡慘重，嚴重制約露天礦的生產和發展[4]。

為了保障露天礦的邊坡穩定和礦坑安全開采，我國露天礦大多采用疏降地下水的方式將地下水位降至合理高度，礦坑疏降水量巨大[5-11]；而露天礦疏降地下水位會引起礦區周邊地下水位下降、水資源浪費、水質污染、土地退化和生態環境破壞等一系列問題。截水帷幕可有效減少礦山疏排水量，抑制露天礦地下水位的下降趨勢，保護礦區及周邊地下水資源[12-15]。

露天礦地下水控制方式由疏排降水發展為水帷幕和截水帷幕等多種形式，不同的地下水控制方式對露天礦端幫邊坡穩定性產生何種影響，亟待進一步研究。為此，通過分析露天礦地下水控制技術發展過程及不同地下水控制技術對露天礦邊坡穩定性影響，為我國露天礦地下水控制技術選擇和端幫邊坡穩定性控制提供參考。

1 露天礦地下水控制技術

1.1 抽排地下水

露天礦抽排地下水是通過施工地面垂直鉆孔或坑下水平鉆孔進行抽水，降低地下水位，滿足露天礦安全開采，是露天礦解決開采過程中涌水最常用的方法。露天礦抽排控制地下水方式按疏放位置分為垂直鉆孔、水平鉆孔；按鉆孔口徑分為常規口徑鉆孔、礦坑大口徑鉆孔；按鉆孔數量分為單孔疏水和井群疏水[6-7,9]?；谒孬@原理的地下水疏干技術，能有效地疏干邊坡中的地下水，而且疏干設備避開了邊坡的不穩定地段，保證了疏干井的安全[10]。

露天礦抽排控制地下水技術施工靈活、應用范圍廣，可跟隨礦山開采條件或水文地質參數的變化而動態施工鉆孔，機動性較強[9]。抽排控制地下水方式在強滲松散層中疏降范圍和幅度較小，在低滲地層中疏降困難。

1.2 疏放地下水

露天礦疏放地下水方法主要有疏水巷、基坑降水和輻射井疏干等，常應用在礦坑范圍內。露天礦山地下水控制技術如圖1。

圖1 露天礦山地下水控制技術Fig.1 Groundwater control technology in open pit mine

由圖1 可知：疏水巷是沿著積水方向施工1條巷道，采用自流方式，將富水區域高處的水疏導和引流到低處，再將低處匯集的水引至集水泵房后排出?；咏邓ㄊ窃诼短斓V坑內不影響生產的位置開挖一定深度的集水坑，逐層環溝形成“回”形的集水基坑，坑底和四周邊坡涌水匯集到礦坑集水基坑，經過排水泵排至露天礦地表。輻射井疏干是先施工1 個大口徑的豎井，然后在豎井中向四周輻射施工水平孔作為集水管，礦坑地下水通過集水管匯聚到豎井中，通過水泵集中抽至礦坑地表[8-9]。

疏水巷需要根據地形地勢和露天礦生產情況布置巷道，在礦坑沿邊坡含水層掘進井巷進行預先疏水，疏水巷排水效果較好，可有序、高效、快速地疏降水，但是掘進巷道的工程量大，需耗費大量的人力物力。

1.3 帷幕截流地下水

現有的抽排控制地下水技術和疏降控制地下水技術均需要疏排大量的地下水，將地下水位降至合理范圍，導致露天礦周邊地下水位急劇下降，疏排水量巨大，地下水資源浪費嚴重，生態環境惡化。為阻隔露天礦周邊松散層水的側向補給，減少礦坑疏排水量，解決我國露天礦生產過程中遇到的水資源和生態保護難題，先后發展了地面直鉆孔注漿帷幕、地面水平定向鉆孔注漿帷幕、地下混凝土連續墻帷幕、超高壓角域變速射流注漿帷幕、地面鉆孔咬合樁帷幕、防滲膜帷幕和水帷幕等技術[11-16]。

鉆孔注漿帷幕通過在露天礦地表施工鉆孔，根據地層特征進行不同段長的分段注漿，漿液由鉆孔進入露天礦過水地層，沿孔隙、裂隙擴散，凝結成帷幕墻體。地下混凝土連續墻帷幕在地面上采用雙輪銑或液壓抓斗等大型成槽機械，在地下開挖出1 條狹長的深槽，開挖過程中采用泥漿護壁，清槽后，用導管法灌筑水下混凝土形成連續混凝土墻。鉆孔咬合樁帷幕是在露天礦山地表采用鉆機施工豎向大口徑鉆孔，然后在鉆孔內灌注漿液或澆筑抗滲混凝土，樁與樁之間相互嵌入，形成連續的阻水結構。垂向隱蔽鋪設防滲膜帷幕是近年由中煤科工西安研究院（集團）有限公司研發并在扎尼河、元寶山等露天煤礦成功應用的1種新型截水帷幕形式，在泥漿護壁作用下，通過雙輪銑或液壓抓斗等大型成槽機械開挖出1 條狹長的深槽，在槽段內由上向下鋪設防滲膜，形成連續的防滲膜帷幕墻[17]。

注水帷幕是采用地下水回灌形成定水頭邊界，阻止含水層水位下降，保護水資源的方法?，F有研究是通過建立沙槽回灌平臺進行物理實驗，再利用數值方法對回灌區進行模擬計算，分析疏干-回灌水帷幕的形成和變化規律，得出在礦山降落漏斗適宜的位置布置回灌鉆孔形成連續的水帷幕，能夠保持礦山周邊含水層的水位、縮小降水漏斗的擴展范圍、保護地下水資源[11]。目前注水帷幕技術僅開展了物理模擬和數值模擬研究，尚未進行工程應用。

2 抽排或疏放地下水對端幫邊坡穩定性的影響

近10 年統計數據顯示，我國露天礦滑坡事故接近2 000 起，居露天礦安全生產事故第3 位，占事故總數的15%[4]。露天礦滑坡事故傷亡數量多、經濟損失大，給企業和社會帶來巨大影響。我國近年礦山滑坡事故數據如下：

1）太原市尖山鐵礦。事故時間為2008 年8 月1 日，45 人死亡，1 人受傷，直接經濟損失3 080.23萬元。

2）重慶市武隆區雞尾山鐵礦。事故時間為2009 年6 月5 日，26 人死亡，61 人失蹤，塌方量約200 萬m3。

3）廣西蒼梧縣大坡鎮盜采稀土礦。事故時間為2011 年11 月26 日，9 人死亡。

4）伊犁新源某鐵礦。事故時間為2012 年7 月30 日，2 人死亡，28 人失蹤。

5）陽泉市盂縣南婁鎮。事故時間為2013 年1月19 日，1 輛運輸卡車墜入。

6）中國黃金西藏甲瑪礦區。事故時間為2013年3 月29 日，83 人被埋，塌方量200 余萬m3。

7）河源市金龍畬營瓷土公司。事故時間為2014 年5 月22 日，6 人死亡，1 人受傷。

8）茂名市飛鼠嶺礦。事故時間為2015 年1 月18 日，1 人被埋，1 人受傷。

9）赤峰市寶塔油頁巖公司露天礦。事故時間為2015 年8 月3 日，6 名工人被埋。

10）烏魯木齊市柴窩堡某石灰石礦山。事故時間為2015 年12 月31 日，2 人被埋。

11）玉溪市紅塔區法沖村采石場。事故時間為2016 年9 月6 日，1 人死亡，1 人受傷，塌方量約5 萬m3。

12）晉能集團呂鑫煤業。事故時間為2017 年8 月11 日，8 人死亡，1 人失蹤，1 人受傷。

13）大同市渾源百川煤業。事故時間為2018年6 月24 日，2 人死亡。

14）巴中市公山鎮某礦山。事故時間為2021年8 月13 日，1 人死亡。

15）甘肅景泰縣泓盛煤業。事故時間為2022年7 月23 日，10 人死亡，6 人受傷。

露天礦端幫邊坡穩定性影響因素主要有巖土體力學性質、邊坡坡角、巖層傾角和地下水，其中地下水是影響邊坡穩定性的重要因素，而抽排或疏放地下水可降低邊坡坡體地下水位，提高邊坡巖土體力學性質。

2.1 巖土體力學性質對邊坡穩定性的影響

當滑坡的滑動面給定時，滑坡的穩定性系數Fs可由式（1）表達，即坡體沿邊坡滑動面的抗滑力之和與沿滑面向下的下滑力之和的比值[18]。

式中： σn，i為第i單元滑動面上的法向應力；τs，i為第i單元滑動面上的剪應力； Γ 為滑動面；ci為滑動面第i單元的黏聚力； φi為滑動面第i單元的內摩擦角。

由式（1）可知：滑坡的穩定性系數Fs與滑動面上的法向應力 σn，i、黏聚力ci、內摩擦角 φi呈正相關關系。

黏聚力對坡體穩定性影響如圖2，內摩擦角對坡體穩定性影響如圖3。

圖2 黏聚力對坡體穩定性影響Fig.2 Influence of cohesion on slope stability

圖3 內摩擦角對坡體穩定性影響Fig.3 Influence of internal friction angle on slope stability

由圖2 和圖3 可知：當黏聚力從10 kPa 增加到100 kPa 時，滑坡穩定性系數升高了2.396，即黏聚力每增加10 kPa，滑坡穩定性系數升高0.27[18]；當巖土體的內摩擦角由10°增大至19°時，邊坡的穩定性系數由1.165 增大至2.022，相當于巖土體的內摩擦角每增加1°，邊坡穩定性系數即提高0.095[18]。由圖2 和圖3 可知，邊坡穩定性系數與巖土體的黏聚力、內摩擦角呈正相關關系，邊坡巖土體的黏聚力和內摩擦角對邊坡穩定性系數的影響較大。

2.2 坡角對邊坡穩定性的影響

露天礦在邊坡安全的情況下，適當提高邊坡坡角可以大量減少剝離廢石數量，并大幅增加礦山企業的經濟效益。端幫邊坡坡角對邊坡穩定性的影響如圖4。

圖4 端幫邊坡坡角對邊坡穩定性的影響Fig.4 Effect of slope angle on slope stability

以哈爾烏素露天煤礦南端幫邊坡為例，分析不同邊坡坡角對露天礦山邊坡穩定性系數的影響。在露天礦靠幫的過程中，礦山邊坡巖土體的位移量與端幫的邊坡坡角呈正相關關系，隨著邊坡坡角的增大，坡體的剪切破壞區域逐漸貫通，形成連貫區域，邊坡穩定性系數不斷降低，邊坡失穩破壞的概率逐漸增大[19]。

2.3 抽排或疏降地下水對邊坡穩定性影響

2.3.1 地下水位變化對邊坡巖土體性能影響

抽排或疏降露天礦地下水引起地下水位的大幅下降，露天礦邊坡巖土體的含水率會有所降低。含水率對露天礦泥巖黏聚力影響如圖5，含水率對露天礦山泥巖內摩擦角影響如圖6。

圖5 含水率對露天礦泥巖黏聚力影響Fig.5 Effect of water content on cohesion of mudstone in open-pit mine

圖6 含水率對露天礦山泥巖內摩擦角影響Fig.6 Effect of water content on internal friction angle of mudstone in open-pit mine

由圖5 可知：露天礦巖土體抗剪強度隨著含水率的變化而變化，當巖土體含水率增加，巖土體的黏聚力表現為下降的趨勢，且下降幅度較大；當巖土體含水率減小，巖土體的黏聚力表現為增大的趨勢。黏聚力對含水率的變化比較敏感，與含水率呈近線性相關關系[20]。

由圖6 可知：隨著露天礦地下水位的下降，邊坡巖土體含水率減小，而露天礦巖土體內摩擦角與含水率呈近似負相關關系，隨著含水率的增加，巖土體內摩擦角呈下降趨勢，且內摩擦角對含水率的變化較為敏感[20]；泥巖飽和含水率情況下內摩擦角比天然含水率情況下內摩擦角下降了70%，黏聚力比天然含水率情況下降了78%。巖體含水飽和后抗剪強度下降幅度大的原因是露天礦軟質泥巖多屬于高液限黏性土，親水性物質成分含量較高，遇水泥化崩解現象明顯，導致強度指標顯著弱化。

2.3.2 地下水位變化對邊坡坡體應力的影響

當邊坡內巖土體不含水時，設作用于邊坡剪切面單位體積巖石上的最大主應力為σ1，最小主應力為σ3，剪切破裂面與最大主應力方向的夾角為α，按照應力圓原理，那么剪切面上的法向應力σ和剪應力τ分別為[21-22]：

當露天礦邊坡內的巖土體飽水時，坡體中將存在孔隙水壓力σw，那么，剪切面上的法向應力σ'則變為式（4），剪應力τ'則變為式（5）[4,21]：

將式（4）、式（5）化簡后，可得：

由式（6）和式（7）可知：巖土體飽水時，露天礦邊坡巖土體的法向應力減小了孔隙水壓力σw值，而邊坡巖土體最大剪切面上的剪應力仍為τ，與不含水時的大小一致[21,23]。

受地下水的影響，邊坡中的軟弱面受到靜水壓力作用，即地下水在邊坡潛在滑動面上產生一定的浮托力[21]。由于滑動面上浮托力U的存在，直接減小了邊坡滑動面上的摩擦力。

式中：ρw為邊坡坡體中地下水的密度，t/m3；β為露天礦山邊坡潛在滑動面的角度，（°）；H為邊坡高度，m 。

當邊坡中存在裂縫時，地下水對坡體產生水平推力V，水平推力V將邊坡坡體向礦坑側推動，增大了滑動面上的下滑力，邊坡的穩定性將進一步降低[21]。

式中：h為邊坡中豎直張裂縫的高度，m 。

由此可知：當抽排或疏降露天礦地下水時，露天礦的地下水位會大幅下降；裂縫中水頭高度、靜水壓力和水平推力會減小，法向應力則會增大。

2.3.3 地下水位變化對邊坡穩定性的影響

地下水位對邊坡穩定性影響如圖7。

圖7 地下水位對邊坡穩定性影響Fig.7 Influence of groundwater level on slope stability

由圖7 可知：當地下水位埋深從9 m 增大至29 m 時，邊坡的穩定性系數一直在增加；在地下水位埋深在11 ～15 m 和 19～23 m 變化時，穩定系數增加緩慢；地下水位埋深在 9～11 m 時，邊坡的穩定性系數呈下降趨勢；水位埋深在23 m 及以上時，露天礦邊坡的穩定性系數介于1.1～1.25，邊坡基本穩定；水位埋深大于23 m 時，露天礦邊坡的穩定性系數大于1.25，邊坡穩定；當露天礦邊坡無地下水時，邊坡的穩定性系數最高，此時邊坡相對最穩定[23]。

由上述研究結果可知，抽排或疏降露天礦地下水可提高邊坡巖土體的強度，避免親水性強的巖層或軟弱夾層浸水后發生崩塌、泥化、溶解等；減輕了邊坡坡體的靜水壓力作用，減小了邊坡中的張裂隙充水對邊坡的靜水壓力和水平推力；減弱了地下水從邊坡巖土體中滲流排出時的水壓力梯度作用[24-28]。國此，通過抽排或疏放露天礦山地下水可提高巖土體的力學性能，進而提高邊坡的穩定性。

3 截水帷幕對端幫邊坡穩定性影響

3.1 露天礦截水帷幕概況和邊坡及帷幕模型

元寶山露天煤礦主要充水水源為第四系含水層，占礦坑疏排水量95%左右。地層主要為圓礫夾砂、卵石層、黃土及風化砂巖、泥巖，圓礫石粒徑大小為50～150 mm，滲透系數127～700 m/d。為減少礦坑疏排水量，沿現有礦坑一級平臺建造礦坑邊界截水帷幕，對來水進行攔截，最大程度減少礦坑疏排水量。

元寶山露天煤礦截水帷幕（Ⅰ期）由南端幫基巖出露點至英金河，長度約3.665 km。截水帷幕外側松散層水位較原水位升高了約10 m；截水帷幕內側松散層水位較原水位降低了7 m 左右。

根據元寶山露天煤礦工程地質條件，構建邊坡及帷幕計算模型，元寶山露天煤礦邊坡剖面圖及邊坡模型單元網格劃分如圖8，元寶山露天煤礦邊坡穩定性計算巖土體物理力學參數見表1。

表1 元寶山露天煤礦邊坡穩定性計算巖土體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil mass calculated for slope stability of Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

圖8 元寶山露天煤礦邊坡剖面圖及邊坡模型單元網格劃分Fig.8 Slope profile and cell grid division of slope model in Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

由圖8 可知：邊坡自上而下依次為第四系砂礫層、新近系砂巖、侏羅系5 煤、砂巖、6 煤、泥巖和砂巖，截水帷幕位于一級平臺。

根據表1，利用Midas GTS 巖土與隧道仿真分析軟件建立露天礦邊坡數值計算模型，結合計算精度等要求，邊坡整體幾何模型網格尺寸按1 m劃分，帷幕墻按0.4 m 劃分，采用四邊形單元網格模式，共劃分單元數38 203 個。

3.2 截水帷幕對邊坡穩定性影響

3.2.1 極限平衡法

元寶山露天煤礦邊坡巖土體主要為軟巖、第四系砂礫層，具有散體介質結構特點，采用基于極限平衡理論摩根斯坦-普瑞斯法（Morgenstern-Price）計算，考慮全部平衡條件與邊界條件，消除計算方法上的誤差。

為系統計算、分析截水帷幕實施后邊坡穩定性系數，除了考慮截水帷幕自身厚度（0.8 m）外，重點考慮了截水帷幕內外水位差與帷幕墻位置對邊坡穩定性系數的影響。

考慮了2 種工況條件，元寶山露天煤礦截水帷幕及水位對邊坡穩定性影響如下：

1）工況1。截水帷幕施工前，邊坡穩定性系數為1.474。

2）工況2。墻內水位線均位于第四系地層底板：①帷幕外水位抬升至448 m，邊坡穩定性系數為1.428；②帷幕外水位抬升至452 m，邊坡穩定性系數為1.426；③帷幕外水位抬升至462 m，邊坡穩定性系數為1.279。

元寶山露天煤礦截水帷幕及水位對邊坡穩定性影響如圖9。

圖9 元寶山露天煤礦截水帷幕及水位對邊坡穩定性影響Fig.9 Influence of water cut-off curtain and water level on slope stability in Yuanbaoshan Open-pit Coal Mine

由圖9 可知：隨著帷幕外側水位由448 m 抬升至462 m，邊坡穩定性系數整體呈下降趨勢，穩定系數滿足現行《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》中相關要求，邊坡穩定系數＞1.25，邊坡整體穩定[29]。

3.2.2 數值模擬

模型計算過程采用Mohr-Coulomb 強度準則，最大迭代次數設定為15 次，采用位移收斂準則。計算時通過強度折減法，計算至邊坡破壞標準，此時折減系數為邊坡穩定系數。模擬計算過程中利用強度折減法逐級對邊坡巖土體的黏聚力和內摩擦角進行折減，直到數值解出現不收斂或者形成塑性貫通區域為止，分別計算得到截水帷幕外側水位為448、452、462 m 時的邊坡穩定性系數為1.250、1.169、1.025。隨著截水帷幕外側水位由448 m 升高至452 m 和462 m，邊坡穩定性系數不斷降低，由1.250 降至1.169 和1.025。

由此可見，在截水帷幕作用下露天礦截水帷幕外側水位大幅度抬升，邊坡巖土體力學性能降低；而截水帷幕內側松散層水位大幅度下降，內側巖土體力學性質提高。帷幕內外側水位形成明顯落差，截水帷幕受到外側水壓力作用，露天礦邊坡的下滑力增大而抗滑力減小，導致露天礦邊坡穩定性系數降低。通過控制截水帷幕外側水位在適宜的高度，保證露天礦截水帷幕和邊坡穩定性系數滿足《煤炭工業露天礦邊坡工程設計標準》的相關要求[29]，實現截水帷幕在減少露天礦疏排水量、抬升地下水位、保護地表生態環境的同時，維護露天礦端幫邊坡的安全。

4 結 語

1）我國露天礦地下水控制技術已由疏水孔抽排方式和坑底疏放方式發展為鉆孔注漿帷幕、地下混凝土連續墻帷幕、鉆孔咬合樁帷幕、防滲膜帷幕等截水帷幕和注水帷幕等多種方式。

2）抽排或疏放地下水的方式可降低露天礦山邊坡坡體地下水位，減少邊坡巖土體含水率，進而提高邊坡巖土體黏聚力和內摩擦角，減小坡體的靜水壓力和水平推力，提高邊坡穩定性系數；同時，抽排或疏放地下水又造成露天礦疏排水量巨大、地下水資源浪費。

3）截水帷幕能夠有效抬升露天礦截水帷幕外側地下水位、減少礦坑疏排水量、保護地下水資源，截水帷幕外側水位的抬升將引起邊坡巖土體含水率增加、黏聚力和內摩擦角減小、坡體的靜水壓力和水平推力增大，邊坡的下滑力增大而抗滑力減小，導致露天煤礦邊坡穩定性系數降低。4）露天礦在應用截水帷幕工程時需維持帷幕外側水位在合適位置，維持邊坡穩定性系數在安全區間內，保障礦山邊坡的穩定，才能實現露天礦地下水資源保護與邊坡安全的平衡。