禾草溝煤礦排矸場地下水滲流規(guī)律與盲溝疏排效果研究

董 福， 蘇生瑞， 朱 濤，2， 姜海波， 呂遠(yuǎn)強

（1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710000； 2.陜西地礦九〇八地質(zhì)環(huán)境有限公司，西安 710000；3.中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安 710000）

煤炭作為我國重要的能源產(chǎn)業(yè)，長期以來在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要地位［1］. 陜北地區(qū)煤礦開采規(guī)模較大，煤矸石的綜合利用率卻極低［2］，大部分煤矸石是在黃土溝壑間建立排矸場進行堆放. 山谷型排矸場以現(xiàn)有山谷為基礎(chǔ)條件，通過谷底某部位修建尾礦壩與兩側(cè)山體共同構(gòu)成煤礦的排矸場.

目前，許多學(xué)者對尾礦壩的排滲技術(shù)與方法進行了廣泛的研究［3-8］，但對煤矸石堆積體的滲流特征和疏排措施關(guān)注較少. 事實上，煤礦排矸場的安全與穩(wěn)定不僅與排矸場尾礦壩有關(guān)，還受煤矸石堆積體的影響.因此，本文以陜西省延安市禾草溝煤礦排矸場為研究對象，采用室內(nèi)實驗和數(shù)值模擬方法，分析煤矸石堆積體在不同降雨強度作用下的地下水滲流特征，研究盲溝對煤矸石堆積體中地下水滲流特征的影響規(guī)律，評價了盲溝的疏排效果及影響范圍. 本文的研究結(jié)果可為煤礦排矸場的設(shè)計及其以后的安全運營提供科學(xué)參考.

1 研究區(qū)概況

禾草溝煤礦排矸場位于陜西省子長市神泉峁溝谷內(nèi)，該地屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫9.6 ℃. 煤矸石經(jīng)輸送機轉(zhuǎn)運至排矸場頂部，經(jīng)過一定的準(zhǔn)運整平清理后，堆積于溝谷內(nèi). 同時為了更好地讓排矸場在使用過程中產(chǎn)生的淋濾液下滲與疏干，坡面整修和防滲層的鋪設(shè)阻斷了滲瀝液下滲至黏土層，由排水盲管和砂卵石反濾層組成的疏排工程，是排矸場內(nèi)地下水疏排的重要措施.

圖1 排矸場基本概況Fig.1 Basic overview of the waste dump

2 排矸場煤矸石物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 煤矸石密度及含水率

采用灌水法在排矸場內(nèi)平臺上選取兩個坑開展現(xiàn)場密度測定試驗，試坑尺寸500 mm×500 mm×300 mm，每個試坑進行3組平行試驗. 試驗測定數(shù)據(jù)記錄見表1.

表1 煤矸石（含煤泥）天然密度測定記錄表Tab.1 Natural density measurement record table of coal gangue（including coal slime）

禾草溝煤礦煤矸石的一個顯著特征是具有較高的含水率，煤矸石的含水率不僅關(guān)系到煤矸石（含煤泥）的容重，還直接影響著矸石邊坡的穩(wěn)定性和滲透性. 煤矸石天然含水率采用烘干法測定，每組樣品進行3次平行試驗，煤矸石和煤泥以及二者未分離的樣品進行天然含水率測定，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2.

表2 含水率測定統(tǒng)計表Tab.2 Statistics table of moisture content determination 單位：%

2.2 煤矸石粒徑級配特征

顆粒級配是決定松散堆積體結(jié)構(gòu)和影響堆積體滲透能力的主要因素之一，對試樣進行顆分試驗后，統(tǒng)計指標(biāo)見表3，粒徑級配曲線見圖2. 通過對不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)綜合分析，各組樣品的不均勻系數(shù)均大于5，各組樣品曲率系數(shù)均在1～3之間. 因此，各組樣品均屬級配良好，顆粒粒徑具有較好的梯度變化.

表3 煤矸石顆粒級配特征統(tǒng)計表Tab.3 Statistical table of gradation characteristics of coal gangue particles

2.3 煤矸石滲透特征

通過對研究區(qū)調(diào)查，最終確定研究區(qū)煤矸石與本次所取C組試樣具有較好的一致性. 因此選用C組試樣進行滲透試驗. C1組樣品模擬堆積壓密狀態(tài)，C2組模擬自然堆積狀態(tài). 借助TSH051型自循環(huán)達西滲透儀，對所取樣品分別進行初始滲透系數(shù)測定和長時間循環(huán)滲透測定. 如圖3所示，隨時間增加各組煤矸石滲透系數(shù)逐漸增大，最終趨近于定值，而且煤矸石經(jīng)過一定的壓實后，滲透系數(shù)比自然堆積狀態(tài)下要小. 最終得到初始滲透系數(shù)為1.062 cm/s，飽和滲透系數(shù)可達2.76 cm/s. 該規(guī)律與淺表層區(qū)域的滲透性特征在持續(xù)降雨補給作用下的實驗結(jié)果是一致的.

圖2 煤矸石（含煤泥）粒徑級配曲線圖Fig.2 The particle size gradation curve of coal gangue

圖3 煤矸石（含煤泥）滲透系數(shù)統(tǒng)計圖Fig.3 The permeability coefficient gradation curve of coal gangue

3 不同降雨強度下排矸場地下水滲流數(shù)值模擬分析

3.1 地質(zhì)模型

堆積體的滲流模擬多以縱向剖面為研究對象，研究結(jié)論已較為成熟，但研究堆積體在橫斷面上滲流規(guī)律較少. 為了探究橫截面上盲溝以及防滲層存在對滲流規(guī)律的影響，選取排矸場運行過程中橫斷面進行模擬計算. 為便于模型計算，將試驗礦坑兩側(cè)邊坡簡化為直線，剖面寬度為307.5 m，煤矸石堆積體最大厚度為86.9 m（圖4），該剖面能夠代表盲溝在全部被埋后的實際情況，能夠較好地反映盲溝在深埋情況下堆積體內(nèi)水分的滲流規(guī)律.

圖4 地質(zhì)模型Fig.4 Geological model

3.2 數(shù)值模型

分析類型選定SEEP/W 分析模塊［13］，設(shè)置分析類型為“瞬態(tài)”，確定模型比例、工作區(qū)域、繪圖網(wǎng)格和計算單位，選擇起始時間與持續(xù)時長. 根據(jù)繪制的不同區(qū)域，設(shè)置有限元區(qū)域網(wǎng)格（圖5）.

圖5 數(shù)值模型Fig.5 Numerical model

3.3 定義材料屬性

建立模型的主要材料由上至下包括煤矸石、1～4 mm砂礫、20 mm卵石、防滲層及下部黃土層. 材料參數(shù)主要由材料的體積含水量函數(shù)曲線和水力傳導(dǎo)率函數(shù)曲線兩種水力函數(shù)的確定，參數(shù)選取結(jié)合已有的試驗成果和前人的研究經(jīng)驗［9-12］. 其中體積含水量函數(shù)利用軟件中ESTIMATION METHOD 估計方法，據(jù)粒徑數(shù)據(jù)獲取，水力傳導(dǎo)率函數(shù)由Van Genuchten估算方法，通過輸入材料的相關(guān)參數(shù)獲取，防滲層及下部黃土層統(tǒng)一設(shè)為不透水層，主要材料煤矸石的參數(shù)設(shè)置如圖6和圖7.

圖6 煤矸石體積含水量函數(shù)Fig.6 Volumetric water content function of coal gangue

圖7 煤矸石的水力傳導(dǎo)函數(shù)Fig.7 Hydraulic conductivity function of coal gangue

3.4 邊界及初始條件

由于防滲層的存在，模型不涉及地下水補給，邊界條件設(shè)定主要包括隔水邊界（防滲層）、排水邊界（速排龍盲管邊界）和降雨邊界（坡面降雨函數(shù)邊界）.

以無降雨自然堆積狀態(tài)下坡體為模擬狀態(tài)，設(shè)置壓力水頭的空間函數(shù)為初始條件.

為獲得截面上指定區(qū)域的結(jié)果信息，在堆積體和盲溝截面上共布設(shè)監(jiān)測點51個，分布如圖8.

3.5 模型工況建立

參照前人的研究經(jīng)驗［14-18］并結(jié)合研究區(qū)的歷年降雨規(guī)律，建立5種模型工況.

模型1：降雨強度10 mm/d（小雨），模擬周期6 d.

模型2：降雨強度25 mm/d（中雨），模擬周期6 d.

模型3：降雨強度50 mm/d（大雨），模擬周期6 d.

模型4：遞減型降雨，第1～2天50 mm/d，第3～4 天25 mm/d，第5～6 天10 mm/d；模擬周期6 d.

模型5：遞增型降雨，第1～2天10 mm/d，第3～4天25 mm/d，第5～6天50 mm/d；模擬周期6 d.

圖8 監(jiān)測點布置分布圖Fig.8 Layout and distribution of monitoring sites

3.6 矸石堆積體橫截面滲流規(guī)律分析

模擬降雨開始后在堆積體內(nèi)出現(xiàn)一條弧狀飽和帶，該區(qū)域類似于干燥土體降雨入滲過程中的“浸潤峰”，但不同之處在于這個條帶區(qū)壓力峰值很高，在條帶的上部分布有局部的飽和區(qū)域，條帶下方大范圍的堆積體是非飽和狀態(tài). 通過對試驗后期的觀察統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，這個條帶的出現(xiàn)只是暫時的，不會一直持續(xù)存在，參考非飽和土力學(xué)中暫態(tài)飽和區(qū)的定義［19-20］，將這條連續(xù)分布且具有很高孔隙水壓力峰值的飽和帶命名為“暫態(tài)飽和帶”.

模型1 的降雨條件下（圖9），初期堆積體內(nèi)高程40～70 m 之間形成一條暫態(tài)飽和帶，隨模擬時間的增加，堆積體內(nèi)的暫態(tài)飽和帶逐漸轉(zhuǎn)移并形成多個暫態(tài)飽和區(qū)，然后向下轉(zhuǎn)移至谷底盲溝排出. 由圖10 和圖11 可以看出，各暫態(tài)飽區(qū)初步形成的高程是基本確定的，大多分布于高程50 m，最終消散高程約15 m，水分轉(zhuǎn)移周期約3 h.

圖9 模型1典型孔隙水壓力分布云圖Fig.9 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 1

圖10 模型1初期暫態(tài)飽和帶分布規(guī)律Fig.10 Statistical diagram of the distribution law of the initial transient saturation zone of model 1

圖11 第90～99 h內(nèi)右翼暫態(tài)飽和區(qū)中心高程統(tǒng)計Fig.11 Central elevation statistics of the right-wing transient saturation zone from the 90th to the 99th hour

當(dāng)水分集中在離盲溝約30 m的位置時，水分在堆積體內(nèi)轉(zhuǎn)移速度加快，并隨之消失. 因此可推斷出盲溝的直接影響范圍大約為30 m，影響范圍以外的區(qū)域受盲溝影響較小.

在模型2的條件下，通過分析圖12、圖13和圖14可以發(fā)現(xiàn)，降雨補給增加，初期形成暫態(tài)飽和帶的周期減小，水分的轉(zhuǎn)移速度也隨之增加，與模型1相比，暫態(tài)飽和帶出現(xiàn)在更淺層的區(qū)域（非坡面位置），說明降雨強度的增加更有利于堆積體淺層部位達到飽和并出現(xiàn)暫態(tài)飽和帶.

此外，降雨強度的增加導(dǎo)致暫態(tài)飽和區(qū)的孔隙水壓力峰值比模型1大，在相同時間內(nèi)能夠聚集的水分增加，底部聚集的水分更多. 各區(qū)域內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象長期存在，而且同樣表現(xiàn)出在暫態(tài)飽和區(qū)轉(zhuǎn)移至高程約30 m位置時，快速向盲溝突變的現(xiàn)象.

圖12 模型2孔隙水壓力分布云圖Fig.12 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 2

圖13 模型2初期暫態(tài)飽和帶分布規(guī)律Fig.13 The statistical diagram of the distribution law of the initial transient saturation zone of model 2

圖14 第12～20 h內(nèi)暫態(tài)飽和區(qū)中心高程Fig.14 Statistics of the central elevation of the transient saturation zone from the 12th to the 20th hour

在模型3建立了降雨補給增強的條件下，前期出現(xiàn)暫態(tài)飽和帶的高程比模型2要大，轉(zhuǎn)移速度也更快，且只存在一條暫態(tài)飽和帶. 如圖15（d）所示，隨模擬時間的增加，暫態(tài)飽和帶分部高程呈現(xiàn)波動狀.

在其他暫態(tài)飽和區(qū)轉(zhuǎn)移現(xiàn)象明顯的區(qū)域中孔隙水壓力集中分布的現(xiàn)象更為明顯，且面積有所增大，能夠長期存在. 此外，暫態(tài)飽和帶的最低延伸高程突破高程為20 m的深度，但暫態(tài)飽和帶分布于高程為30 m的區(qū)域依然占據(jù)很大的比例，充分印證了盲溝的排泄能力的直接影響范圍約30 m.

模型4建立了遞減型降雨，降雨前期48 h內(nèi)與模型3在降雨前期48 h內(nèi)具備一致的規(guī)律.

降雨48 h以后，雨量開始減弱，在盲溝直接影響范圍以外的中部區(qū)域，孔隙水壓力出現(xiàn)一段時間內(nèi)呈增大趨勢，隨后出現(xiàn)下降趨勢，最終至穩(wěn)定，而盲溝直接影響范圍內(nèi)孔隙水壓力出突降，隨后出現(xiàn)孔隙水壓力的波動（圖16）.

圖15 模型3孔隙水壓力分布云圖Fig.15 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 3

第二次降雨減弱后，對滲流場中部的影響更大. 如129號監(jiān)測點（圖17），孔隙水壓力原本在降雨92～96 h 時已呈下降趨勢，卻在降雨97 h降雨強度減小后突然大幅增加，且維持一段時間后才開始下降. 這表明在盲溝能夠正常發(fā)揮排泄作用的情況下，降雨強度的減弱對堆積體的中部影響較大，主要表現(xiàn)為水分在堆積體中部聚集，可能出現(xiàn)短暫的暫態(tài)飽和帶（圖18）. 此外，滲流場的變化還表現(xiàn)在飽和區(qū)范圍擴大.

圖16 模型4在第44～53 h時監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖Fig.16 Statistics of monitoring sites from the 44th to the 53rd hour of model 4

圖17 129號監(jiān)測點降雨第92～100 h時孔隙數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.17 Statistics of pore data from the 92nd to the 100th hour in monitoring site No.129

圖18 模型4孔隙水壓力分布云圖Fig.18 Pore water pressure distribution cloud diagram of model 4

模型5 建立了遞增型降雨模型. 降雨前期48 h內(nèi)與模型1降雨前期48 h內(nèi)具備一致的規(guī)律.

在降雨強度第一次增強時，堆積體同樣能夠很快做出響應(yīng)，不同之處在于此時堆積體內(nèi)孔隙水壓力普遍增加，但增加幅度不大（圖19）.各檢測點的數(shù)據(jù)均有上升趨勢，淺層部位檢測點上升幅度更大，這是因為降雨強度的增加首先影響堆積體淺表層且影響時間最長.

第二次降雨強度增加后，堆積體內(nèi)中部孔隙水壓力降低，而在99 h 才開始表現(xiàn)局部增加（圖20）. 這是由于在第二階段末期堆積體中水分已經(jīng)大量聚集在盲溝的排泄能力范圍附近，所以在下一階段盲溝發(fā)揮排泄能力，將水分轉(zhuǎn)移出堆積體，進而表現(xiàn)出孔隙水壓力的下降.

圖19 模型5在第44～54 h監(jiān)測點孔隙水壓力統(tǒng)計圖Fig.19 The statistics of pore water pressure at the monitoring sites from the 44th to 54th hour in model 5

相比均勻性的降雨補給，由于不同降雨強度的周期均縮短至2 d，遞減型降雨工況和遞增型降雨工況的模擬過程的差異性主要表現(xiàn)在雨強發(fā)生改變后的一段時間內(nèi). 兩種變化型降雨過程中強度的變化周期均大于前述3種工況形成穩(wěn)定滲流場的時間，但是整個過程中滲流場的變化規(guī)律并不是前述3種均勻降雨工況的簡單疊加. 盡管降雨初期的規(guī)律性與對應(yīng)雨強的持續(xù)型降雨規(guī)律表現(xiàn)一致，但是第二、第三階段的滲流場在前一階段的基礎(chǔ)上受到了一定的影響，遞減型的降雨過程中后續(xù)階段滲流場受到前一階段的影響更大，其中主要影響區(qū)域位于堆積體的中部.

圖20 模型5孔隙水壓力分布云圖Fig.20 Pore water pressure distribution cloud map of model 5

盲溝的存在，在一定程度上調(diào)整了堆積體內(nèi)水分轉(zhuǎn)移的規(guī)律和周期，其中水分聚集在盲溝附近并快速排出是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)折點，它能很好地調(diào)控盲溝直接影響范圍內(nèi)的水分轉(zhuǎn)移規(guī)律，形成一定范圍的非飽和區(qū)域，進而促進上部水分向谷底區(qū)域轉(zhuǎn)移入滲.

4 盲溝排泄效果分析

4.1 定性評價分析

通過圖21對比各工況下同一監(jiān)測點的孔隙水水壓力變化情況，隨降雨強度的增加，前3種模型監(jiān)測點孔隙水壓力出現(xiàn)突變的時間逐漸提前，而且突變頻率也隨之增加. 從監(jiān)測點孔隙水壓力下降的階段分析，當(dāng)監(jiān)測點處孔隙水壓力持續(xù)下降時，降雨強度越弱孔隙水壓力的突變差值越大，說明盲溝在降雨強度較弱時所表現(xiàn)的排泄能力是足夠強的，排泄效率較好. 而降雨強度增大后，孔隙水壓力的減小過程時間會延長，而且期間孔隙水壓力下降的幅度會越來越小，說明在降雨強度很大時，盲溝的排泄效率發(fā)揮到最大后，排泄能力略顯不足，堆積體中含水量的下降速率較慢，水分可長時間在溝谷底部匯集.

圖21 監(jiān)測點孔隙水壓力變化曲線Fig.21 Change curve of pore water pressure at monitoring sites

4.2 定量評價分析

在整個模擬過程中，每種工況均發(fā)生多次孔隙水壓力突降，有的甚至表現(xiàn)為負(fù)孔隙水壓力，而且整個過程的數(shù)據(jù)點較多，將所有工況監(jiān)測點孔隙水壓力的變化曲線繪制在一起無法直觀展示其變化規(guī)律. 因此，根據(jù)孔隙水壓力與體積含水量之間的對應(yīng)關(guān)系，將孔隙水壓力下降視為盲溝在這段時間內(nèi)發(fā)揮排泄能力，建立連續(xù)兩步內(nèi)孔隙水壓力下降比作為評價盲溝排泄效率的方法. 當(dāng)下降比小于0，認(rèn)為這段時間內(nèi)盲溝的排泄效率較低，水分在此處聚集無法及時排泄；當(dāng)下降比為0%～30%即為排泄效率正常；當(dāng)下降比為30%～60%即為排泄效率一般；當(dāng)下降比為60%～80%即為排泄效率合格；當(dāng)下降比大于80%即具備優(yōu)秀排泄效率（表4）. 定義N為整個模擬過程中兩步內(nèi)孔隙水壓力出現(xiàn)下降比為某一等級的總次數(shù)，統(tǒng)計確定各工況的N 值，得到圖22. 通過圖22 的分析可知：不同工況下，在盲溝能夠發(fā)揮排泄作用時，排泄效率大部分都處于優(yōu)秀等級，這與盲溝內(nèi)高滲透性的填充材料密切相關(guān)，同時印證了前面關(guān)于水分轉(zhuǎn)移至盲溝直接影響范圍內(nèi)會發(fā)生突降的現(xiàn)象；但大部分時間內(nèi)盲溝不具備很好的排泄作用，這主要與堆積體的厚度和降雨強度有關(guān). 降雨強度越大，盲溝具備優(yōu)秀排泄效率所占的比例越大，而遞增型降雨強度中盲溝的排泄效率會比遞減型降雨更高. 這說明當(dāng)水分能夠到達盲溝的直接影響范圍內(nèi)后，盲溝就可以很好地將水分排泄出堆積體，因此需要盡量縮短坡面到盲溝直接影響范圍的距離或者采用其他方式加速水分在盲溝直接影響范圍外的滲流過程.

表4 盲溝排泄效率等級表Tab.4 Blind ditch drainage efficiency rating table

圖22 各工況監(jiān)測點N值統(tǒng)計圖Fig.22 N value statistics of monitoring cites in various working conditions

5 結(jié)論

1）研究區(qū)內(nèi)煤矸石夾帶大量煤泥，含水率較高、顆粒級配良好. 煤矸石平均密度1.678 g/cm3，含水率13.0%. 表層煤矸石初始滲透系數(shù)1.062 cm/s，飽和滲透系數(shù)2.76 cm/s.

2）降雨補給作用下煤矸石堆積體內(nèi)水分通過表層區(qū)域并向下延伸，在堆積體的淺層區(qū)域形成暫態(tài)飽和帶并向下轉(zhuǎn)移，受到側(cè)翼坡面防滲層限制會改變方向沿坡面向下轉(zhuǎn)移，防滲層附近會形成暫態(tài)飽和區(qū). 降雨強度越大，形成初次飽和帶的位置越淺，后期飽和帶重現(xiàn)的深度越深，飽和帶能夠穩(wěn)定向下轉(zhuǎn)移的深度也越大.

3）降雨強度越大，盲溝具備優(yōu)秀排泄效率所占的比例越大. 當(dāng)水分能夠到達盲溝的直接影響范圍內(nèi)后（約30 m），盲溝就可以很好地將水分排泄出堆積體，因此需要盡量縮短坡面到盲溝直接影響范圍的距離，或者采用其他方式加速水分在盲溝直接影響范圍外的滲流過程.

6 建議

由于模擬軟件的限制，在現(xiàn)場和室內(nèi)試驗獲得的一些規(guī)律無法在數(shù)值模擬中很好體現(xiàn)，應(yīng)開展模型試驗或現(xiàn)場試驗等對本文數(shù)值模擬結(jié)論進行驗證.

根據(jù)本試驗研究獲得的結(jié)論，給后續(xù)山谷型煤礦排矸場的建設(shè)提出工程建議：①為更好地進行排水疏導(dǎo)，除采用疏排龍管盲溝措施外，可增設(shè)疏排龍管道豎井、橫向輻射井等，以減少堆積體內(nèi)水分的聚集. ②在進行煤矸石堆填過程中保證一定的壓實度，在促進排矸場排水的同時減少降雨入滲，使坡面截排水溝發(fā)揮出較好作用.