劉一龍 ，楊天鴻 ，馬 凱 ，葉 強(qiáng) ，趙 永 ，趙乾百

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué) 巖石破裂與失穩(wěn)研究所, 遼寧 沈陽(yáng) 110819；3.西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西曲礦, 山西 太原 030200）

0 引 言

礦井水害是制約礦山安全高效生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。其中，地表水害作為礦井水害的一種主要形式，是我國(guó)西北與華北地區(qū)淺埋藏煤層與地表溝谷發(fā)育礦區(qū)面臨的突出問(wèn)題[1-3]。溝谷地形淺埋煤層頂板巖層多為單一關(guān)鍵層存在或關(guān)鍵層缺失，采動(dòng)后地表沉陷劇烈。覆巖裂隙發(fā)育貫穿基巖直達(dá)地表，不僅會(huì)產(chǎn)生因采空區(qū)漏風(fēng)引發(fā)的煤矸自燃風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)破壞淺、表層水資源系統(tǒng)，并成為汛期地表積水的下滲通道[4-8]。此外，溝谷區(qū)兩側(cè)坡體在煤層采動(dòng)擾動(dòng)下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，滑坡堆積體堵塞河道還會(huì)形成堰塞湖[9-11]。加之近年極端天氣頻發(fā)，如2021 年山西省現(xiàn)“百年一遇”大范圍強(qiáng)降水，受汛情影響，山西全省60 座煤礦被迫停產(chǎn)，采動(dòng)地質(zhì)災(zāi)害防治不當(dāng)將嚴(yán)重影響生產(chǎn)與安全。因此，研究溝谷地形下煤層采動(dòng)覆巖破壞特征及其對(duì)地表山體滑坡、徑流涌水災(zāi)害的影響具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于淺埋深與溝谷地形下煤層覆巖移動(dòng)、破斷特征以及裂隙擴(kuò)展貫通開(kāi)展了諸多研究，但多僅限于單一煤層開(kāi)采，且未提及其對(duì)地表水害產(chǎn)生的影響與防治。張杰等[12]通過(guò)多元素?cái)M合公式及有限元差分軟件，研究了工作面過(guò)溝谷開(kāi)采過(guò)程中隔水巖層的隔水性、周期性“破壞—恢復(fù)”變化特點(diǎn)，并提出了溝谷下留設(shè)煤柱的防突水開(kāi)采措施；李建偉等[13]分析了溝谷區(qū)域淺埋煤層開(kāi)采井上下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理及其相互作用，認(rèn)為地表溝谷對(duì)覆巖應(yīng)力的影響作用隨著埋深增加而減弱，并提出了針對(duì)地表滑坡預(yù)防性控制措施；趙杰等[14]以現(xiàn)場(chǎng)煤層地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，分析了淺埋煤層過(guò)溝谷開(kāi)采時(shí)覆巖關(guān)鍵層破斷形式及失穩(wěn)結(jié)構(gòu)特征，建立了溝谷坡角與關(guān)鍵層破壞類(lèi)型的關(guān)系；劉輝等[15]通過(guò)對(duì)西部礦區(qū)淺埋煤層開(kāi)采造成的地裂縫的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和分析，提出了采動(dòng)過(guò)程中的臨時(shí)性地裂縫治理標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，并提出了初步的控制方法；孫魁等[16]研究了“對(duì)滑型”黃土滑坡的形成過(guò)程，提出了“對(duì)滑型”滑坡的形成是由黃土坡體、溝谷地貌、采礦擾動(dòng)、降雨催化以及相互之間的耦合作用導(dǎo)致。

目前我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)已進(jìn)入深部開(kāi)采階段，煤層重復(fù)采動(dòng)作用下溝谷區(qū)坡體結(jié)構(gòu)損傷加劇，開(kāi)展溝谷地形與煤層重復(fù)采動(dòng)耦合作用下的覆巖破壞特征研究更符合工程實(shí)際需求。同時(shí)，針對(duì)汛期降雨引發(fā)徑流水害機(jī)理以及溝谷區(qū)水害防治方法也需深入開(kāi)展研究。因此，筆者以西曲煤礦典型的溝谷區(qū)多煤層開(kāi)采為工程背景，綜合應(yīng)用集地表勘察、In-SAR 動(dòng)態(tài)觀測(cè)、降雨?徑流分析和數(shù)值模擬為一體的“覆巖移動(dòng)?地表變形?徑流積水”分析方法，探究溝谷地形下的“裂隙發(fā)育—山體滑坡—河道堵塞—涌水加劇”災(zāi)害鏈形成過(guò)程，最終提出基于裂隙發(fā)育與地表淹沒(méi)范圍的溝道防滲方法，以期為溝谷區(qū)煤層開(kāi)采造成的地表地質(zhì)災(zāi)害防治與水資源保護(hù)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況與開(kāi)采條件

研究區(qū)位于山西省古交市西曲煤礦，礦區(qū)范圍內(nèi)溝谷縱橫，地形切割劇烈（圖1）。目前西曲煤礦上組煤2+3 號(hào)煤層大部分資源已于2010 年前開(kāi)采完畢，主采下部8 號(hào)煤層。本文即以8 號(hào)煤層的28306 號(hào)工作面與其上覆的2+3 號(hào)煤層形成的多煤層開(kāi)采為研究工況。28306 號(hào)工作面位于西曲礦礬石溝溝谷區(qū)，礬石溝為西曲礦東部主要溝谷，貫穿井田南北，屬季節(jié)性溝谷，溝谷平時(shí)水量不大，雨季有水。雨季多集中在7、8、9、10 四個(gè)月，年平均降水量511.5 mm，降水最終匯入汾河。28306(1)號(hào)工作面因遇到風(fēng)氧化帶僅推進(jìn)了130 m，風(fēng)氧化帶的煤層、巖層均較為破碎，裂隙發(fā)育，對(duì)井下安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。為確保安全，此處留設(shè)了一段近50 m 煤柱，之后繼續(xù)開(kāi)采28306(2)號(hào)工作面。在28306(2)號(hào)工作面推進(jìn)15 m 時(shí)，地表為一條礬石溝支溝低洼處，支溝傾向南東和東，水流易匯集沿支溝傾斜方向流入東部礬石溝內(nèi)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與開(kāi)采條件Fig.1 Geological and mining context of the study area

28306 號(hào)工作面于2021 年完成開(kāi)采，開(kāi)采方向由北向南，該工作面地表覆蓋層厚度90～188 m，西側(cè)為2017 年已開(kāi)采結(jié)束的28307 采空區(qū)，東側(cè)為未開(kāi)采的28305 采區(qū)，其上覆靠近溝谷區(qū)的2+3 號(hào)煤層由小煤窯巷柱式開(kāi)采，其余2+3 號(hào)煤層由西曲礦機(jī)械化開(kāi)采。8 號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，煤厚3.90～4.20 m，平均4.10 m，煤層整體傾向西南，傾角1°～8°，一般為4°，皆采用傾斜長(zhǎng)壁后退式、一次采全高、全部垮落法綜合機(jī)械化采煤。

圖2 為研究區(qū)鉆孔綜合柱狀圖。8 號(hào)煤上方143 m 范圍內(nèi)賦存有5 層較厚頂板（厚度不小于5 m），其中有3 層頂板巖性為泥巖（厚度小于10 m），1 層近地表的頂板巖性為細(xì)粒砂巖（厚度為5 m），頂板中19.64 m 厚的粉砂巖呈深灰?灰黑色，以石英為主，較硬，全層普遍呈致密狀，含有較少的孔隙和裂縫，再由關(guān)鍵層的定義與變形特征[17-18]，對(duì)于多層頂板組合結(jié)構(gòu)的承載滿足如下公式：

圖2 綜合地層柱狀圖Fig.2 Synthetical stratum histogram

式中：(qn)m為第n層頂板對(duì)第m層頂板的載荷；Em為第m層巖層的彈性模量；γi為第i層巖層的容重；hi為第i層巖層的厚度。

對(duì)于滿足式（2）的第n層巖層，可判定其為關(guān)鍵層：

綜上，判別19.64 m 厚的粉砂巖地層為煤層間關(guān)鍵層。8 號(hào)煤頂板地層總體屬硬質(zhì)巖，2+3 號(hào)煤上部地層主要為砂泥巖互層。

2 溝谷區(qū)巖層移動(dòng)與地表變形特征

2.1 地表破壞類(lèi)型及特征

圖3 為研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)勘察和航拍影像，由圖3 總結(jié)出了28306 號(hào)工作面開(kāi)采引發(fā)的地表破壞類(lèi)型主要為無(wú)明顯落差的地裂縫、臺(tái)階狀裂縫、滑坡與堰塞湖。在開(kāi)切眼附近采空區(qū)邊界上方，地表裂隙呈現(xiàn)明顯發(fā)育的現(xiàn)象（圖3a）。這些單條裂縫的寬度在400～500 mm，且寬窄不一，頂端尖滅。裂縫群則呈現(xiàn)弧形或橢圓形的展布特征。在同一地區(qū)，大部分地裂縫的展布方向近乎平行。但在礬石溝支溝區(qū)域，由于地形的陡峭山坡，地勢(shì)西高東低，因此地裂縫的展布方向比較雜亂。臺(tái)階狀裂縫出現(xiàn)在井下采煤工作面切眼位置及采區(qū)邊界附近的地表，是由淺埋煤層開(kāi)采頂板初次切落所造成的（圖3b）。這些臺(tái)階狀地裂縫的深度不盡相同，一般不超過(guò)3 m。地裂縫在垂直方向上呈現(xiàn)“V”字形，上部較寬，下部較窄，兩壁陡峭，呈現(xiàn)出明顯的臺(tái)階狀，其裂縫長(zhǎng)度一般在幾米到幾十米不等。在采空區(qū)上方地形切割強(qiáng)烈的溝谷邊坡地帶地表出現(xiàn)黃土層及砂層崩塌、崩滑，崩塌塊呈破碎狀，完全喪失原有的結(jié)構(gòu)（圖3c）。至2021年7 月31 日工作面回采結(jié)束，地裂縫已擴(kuò)展至全地表。溝谷區(qū)地下煤層開(kāi)采導(dǎo)致地下垮塌引發(fā)覆巖漸進(jìn)式破壞，進(jìn)一步引發(fā)地表溝谷坡體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，使得地表坡體的穩(wěn)定性受到影響。降雨等自然力的作用加劇了地表坡體的滑動(dòng)和崩塌（圖3d），堵塞河道還引發(fā)了土石流和堰塞湖等次生地質(zhì)災(zāi)害（圖3e、圖3f）。

圖3 研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)勘察和航拍影像Fig.3 Field survey and UAV image in the study area

2.2 地表沉降的空間擴(kuò)展過(guò)程

InSAR（Interferometric Synthetic Aperture Radar）技術(shù)是一種利用合成孔徑雷達(dá)（SAR）成像的干涉測(cè)量方法，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的地表形變監(jiān)測(cè)，具有范圍廣、時(shí)間跨度大、受氣候干擾小等優(yōu)勢(shì)，已成功應(yīng)用于觀測(cè)滑坡的動(dòng)態(tài)變形過(guò)程[19-20]和采煤引起的地表沉降[21-22]。地表沉降是深部巖層變形、破斷影響至地表的體現(xiàn)，具有明顯的滯后性，且滯后周期較長(zhǎng)。28306(2)號(hào)工作面開(kāi)采時(shí)間為2020?10?31—2021?07?31，因此分析了2021 年1 月至2022 年9 月期間的時(shí)間序列InSAR 形變監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4 所示，28306(2)號(hào)工作面地表累積沉降自北向南擴(kuò)展，與開(kāi)采推進(jìn)方向一致。圖4 為基于InSAR 數(shù)據(jù)的研究區(qū)累計(jì)沉降，圖4a 展示了此次研究的InSAR 形變范圍，至2021 年1 月9 日，工作面累計(jì)推進(jìn)約176.23 m，開(kāi)采引發(fā)的地表沉降已開(kāi)始顯現(xiàn)（圖4b），此階段巖層移動(dòng)為非充分采動(dòng)階段；至2021 年2 月26 日，工作面累計(jì)推進(jìn)約348.18 m，此階段地表沉降值增大，時(shí)間序列InSAR 形變監(jiān)測(cè)得到的地表累計(jì)沉降值已達(dá)到?69.4 mm（圖4c）；至2021 年4 月15 日，工作面累計(jì)推進(jìn)約494.5 m，巖層移動(dòng)為充分采動(dòng)階段，沉降范圍擴(kuò)大（圖4d）；至2021 年7 月31 日工作面完成回采，此時(shí)累計(jì)推進(jìn)約680.52 m。由圖4e 可知，28307 號(hào)采空區(qū)在28306 號(hào)工作面采動(dòng)影響下地表發(fā)生殘余沉降，地下開(kāi)采造成的塌陷面積明顯大于實(shí)際開(kāi)采面積，但與平緩地表形成的橢圓形塌陷區(qū)不同。本次塌陷區(qū)形狀與溝谷地形走勢(shì)大體相同，特別是28306 號(hào)工作面東側(cè)由北向南延伸的礬石溝溝谷處的InSAR 結(jié)果位移云圖，具有明顯分界特征。盡管28306 號(hào)工作面的煤炭開(kāi)采活動(dòng)已終止，但地表下沉量仍在增加。至2022 年9 月，28306 號(hào)工作面的最大地面沉降量達(dá)到–98.66 mm（圖4f）。

圖4 基于InSAR 數(shù)據(jù)的研究區(qū)累計(jì)沉降Fig.4 Cumulative subsidence in the study area based on In-SAR data

為分析地下煤層開(kāi)采后造成地表沉降的空間擴(kuò)展過(guò)程，選取了AA’主斷面上最大下沉監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并繪制了隨時(shí)間變化的沉降曲線（圖5），研究區(qū)地表沉降總體可劃分為3 個(gè)階段：第1 階段為初始沉降階段（2021?01?09—2021?04?15），此階段煤層開(kāi)采過(guò)后，致使煤層頂板受到破壞，覆巖漸進(jìn)式坍塌引起地表沉降，這一階段累計(jì)沉降指標(biāo)為10 mm；第2 階段為加速沉降階段（2021?04?15—2021?10?09）。在煤層開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)后，地表移動(dòng)變形活躍，采空區(qū)周?chē)牡貙邮艿綁嚎s產(chǎn)生變形，地表沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；第3 階段為長(zhǎng)期沉降階段，時(shí)間尺度拉長(zhǎng)，地下巖層移動(dòng)會(huì)趨于穩(wěn)定。雖然地下空洞的存在會(huì)使地表沉降持續(xù)進(jìn)行，但沉降速度逐漸減緩，沉降量也會(huì)逐漸減小，6 個(gè)月的沉降值不超過(guò)30 mm。

圖5 地表最大沉降點(diǎn)累計(jì)沉降值Fig.5 Cumulative settlement value of the maximum settlement point on the ground

自2022 年2 月8 日后，地表沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，估算終采后地表達(dá)到充分沉降的滯后周期為5～7 個(gè)月，較該礦區(qū)記錄的中深埋煤層終采后地表達(dá)到充分沉降的滯后周期短了1～2 個(gè)月。受限于現(xiàn)有SAR 衛(wèi)星的極軌飛行和側(cè)視成像模式，In-SAR 形變觀測(cè)值對(duì)南北向形變不敏感，導(dǎo)致該方法在對(duì)溝谷區(qū)地表的應(yīng)用中，存在局部入射角過(guò)大/小的問(wèn)題，進(jìn)一步導(dǎo)致視線向位移與實(shí)際位移相差較大。但I(xiàn)nSAR 技術(shù)可展示煤層地下開(kāi)采造成地表沉降的空間擴(kuò)展過(guò)程的持續(xù)性與階段性，進(jìn)一步得出煤層終采后地表達(dá)到充分沉降的滯后周期，指導(dǎo)未達(dá)到充分沉降范圍內(nèi)的地表河道優(yōu)先采用“柔性治理”技術(shù)。

2.3 覆巖垮落和變形特征

在分析巖層漸進(jìn)式破壞過(guò)程中，三維離散單元法程序3DEC 應(yīng)用廣泛，此軟件較好還原出了材料介質(zhì)破壞過(guò)程中的不連續(xù)特性?；谠囼?yàn)采場(chǎng)的地表等高線和鉆孔柱狀圖，沿著圖1 中的I—I’和II—II’剖面分別建立了用于3DEC 數(shù)值計(jì)算的三維地質(zhì)模型。圖6 為數(shù)值計(jì)算模型及開(kāi)采范圍，圖6a 中的數(shù)值方案1 主要用于研究28306 號(hào)工作面推進(jìn)過(guò)程中覆巖垮落特征及礬石溝支溝處坡體破壞特征，圖6b中的數(shù)值方案2 主要用于研究向溝開(kāi)采對(duì)河床的穩(wěn)定性影響，同時(shí)考慮了上部2+3 號(hào)煤層巷柱式開(kāi)采工況。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型及開(kāi)采范圍Fig.6 Numerical calculation model and mining range

考慮到塊體數(shù)量將影響計(jì)算的效率，對(duì)厚度太薄巖層按照四舍五入的原則進(jìn)行合并和簡(jiǎn)化，并將數(shù)值計(jì)算模型簡(jiǎn)化為0°。數(shù)值模型中涉及到的巖性主要有5 種（砂巖、砂泥巖互層、砂質(zhì)泥巖、煤和石灰?guī)r），這5 種巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。所用參數(shù)的可靠性已在此礦山的已有文獻(xiàn)[23-24]中得到驗(yàn)證。模型塊體采用莫爾?庫(kù)倫模型，節(jié)理模型采用節(jié)理面接觸庫(kù)倫滑移模型。模型四周均為法向位移約束，模型底界面限制水平方向和垂直方向位移，地表曲面為自由邊界。煤層開(kāi)采方向從左至右，詳細(xì)的開(kāi)采參數(shù)如圖6 所示。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

圖7 為巖層移動(dòng)與地表變形特征數(shù)值方案1 計(jì)算過(guò)程中，首先對(duì)2+3 號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采，然后對(duì)8 號(hào)煤層進(jìn)行開(kāi)采。結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)勘察報(bào)告，淺部2+3號(hào)煤層開(kāi)采后形成了無(wú)明顯落差的地裂縫，塌陷坑較少，偶發(fā)坡體滑移。下部煤層28306(1)號(hào)工作面推進(jìn)至20 m 時(shí)頂板初次垮落（圖7a），這與現(xiàn)場(chǎng)記錄的工作面頂板初次垮落步距（19 m）接近，且小于西曲礦8 號(hào)煤平均頂板初次垮落步距35～40 m，主要原因在于頂板存在風(fēng)化現(xiàn)象。28306(1)號(hào)工作面推進(jìn)至100 m 時(shí)關(guān)鍵層發(fā)生破斷（圖7b），這與CHENG 等[23]通過(guò)微震監(jiān)測(cè)得到的西曲礦8 號(hào)煤頂板關(guān)鍵層發(fā)生破斷結(jié)果接近。關(guān)鍵層破斷后，下部煤層開(kāi)采擾動(dòng)已影響至上覆地表，地表發(fā)生二次變形、損傷，并產(chǎn)生明顯地表沉降（圖7c）。28306(2)號(hào)工作面推進(jìn)至110 m 時(shí)，關(guān)鍵層以下形成大面積離層，繼續(xù)開(kāi)采至120～130 m 時(shí)，礬石溝支溝北側(cè)坡體在采動(dòng)與地形拉伸作用下向臨空面一側(cè)發(fā)生劇烈變形（圖7d），重復(fù)采動(dòng)后地表具有明顯落差的臺(tái)階裂縫數(shù)量增加，塌陷坑范圍擴(kuò)大，地表下沉加劇，地表巖層移動(dòng)范圍擴(kuò)大，溝谷坡體產(chǎn)生大量裂隙。

圖7 巖層移動(dòng)與地表變形特征Fig.7 Characteristics of strata movement and surface deformation

淺埋溝谷地形下煤層開(kāi)采后，圍巖應(yīng)力重新分布，巖層不斷變形并周期性破斷，煤層間關(guān)鍵層以下巖層垮落后巖層移動(dòng)范圍無(wú)明顯外擴(kuò)特征，此范圍的巖層張拉破裂形成的裂隙居多，剪切破裂次之，以豎向裂隙為主，主要集中在頂板上方23 m 范圍內(nèi)（圖7e）；相反，關(guān)鍵層以上巖層剪切破裂形成的裂隙占比增加，關(guān)鍵層破斷后覆巖裂隙不斷向上發(fā)育，如圖8 所示。巖層移動(dòng)破壞了溝谷兩側(cè)坡體穩(wěn)定性，圖8 中溝谷地形對(duì)淺部巖層移動(dòng)與裂隙發(fā)育特征的影響作用加強(qiáng)，在巖土體重力作用下坡體易發(fā)生剪切滑移。同時(shí)，坡體地表形成的大量裂隙向深部擴(kuò)展并與覆巖上行裂隙貫通，由此溝通地表形成導(dǎo)水通道，這些裂隙對(duì)地表降水的截流作用會(huì)造成井下涌水量的突增。

圖8 覆巖裂隙與坡體裂隙發(fā)育特征Fig.8 Development characteristics of overlying strata and slope fractures

圖9 為重復(fù)采動(dòng)作用下覆巖二次破壞特征，如圖9 所示，數(shù)值方案2（圖1 中II—II’剖面）中首先對(duì)上部2+3 號(hào)煤巷柱式開(kāi)采，每開(kāi)采20 m 后留設(shè)20 m煤柱，然后開(kāi)采其下部的28306 號(hào)工作面，開(kāi)采方向皆朝向礬石溝方向。因淺部煤層“巷柱式”開(kāi)采，留設(shè)的大量煤柱較大程度地減少了應(yīng)力集中的擾動(dòng)，覆巖垮落并不充分。在28306 號(hào)工作面開(kāi)采結(jié)束后，由于層間關(guān)鍵層破斷，淺部2+3 號(hào)煤采空區(qū)在重復(fù)采動(dòng)作用下發(fā)生“活化”，地裂縫劇烈發(fā)育，成為了地表水主要下滲通道。

圖9 重復(fù)采動(dòng)作用下覆巖二次破壞特征Fig.9 Secondary failure characteristics of overlying strata under repeated mining

28305 號(hào)工作面（待采）位于28306 號(hào)工作面東側(cè)，且處于礬石溝溝谷正下方。通過(guò)離散元程序模擬28305 號(hào)工作面開(kāi)挖，結(jié)果如圖10 所示，28305 號(hào)工作面過(guò)溝開(kāi)采至100 m 時(shí)關(guān)鍵層下方產(chǎn)生大范圍離層裂隙，關(guān)鍵層彎曲的變形引起了地表沉降與坡體變形。當(dāng)工作面推進(jìn)至120 m 時(shí)，地表河床發(fā)生大范圍沉降，采動(dòng)裂隙貫通至地表以及兩側(cè)山坡。28305 號(hào)工作面的開(kāi)采將影響地表河床穩(wěn)定性，引發(fā)溝谷水下滲，因此，開(kāi)展河床加固以及溝谷區(qū)地表防滲治理是必要的。

圖10 溝谷下開(kāi)采引發(fā)的地表沉降與裂隙發(fā)育特征Fig.10 Characteristics of surface subsidence and fractures development caused by mining under the gully

3 礬石溝降雨?徑流特征及徑流水害防治

3.1 礬石溝小流域降雨?徑流模擬

采用河道水力計(jì)算程序HEC-RAS 開(kāi)展礬石溝小流域降雨?徑流模擬。軟件二維水動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)值計(jì)算混合了有限體積法和有限差分法，可有效計(jì)算二維圣維南方程組[25]。軟件中水動(dòng)力研究模式，可對(duì)研究區(qū)流域?qū)崿F(xiàn)降雨影響分析，進(jìn)行穩(wěn)定、快速的洪水淹沒(méi)模擬。非恒定流模擬的計(jì)算公式采用連續(xù)性方程（式（3））和動(dòng)量方程（式（4））。

式中：H為水面高程，m；h為水深，m；u，v分別為x、y方向上的平均流速，m/s；q為項(xiàng)源，代表降雨等外部信息。

式中：V為流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；vt為水平方向運(yùn)動(dòng)黏度，m/s2；cf為河床底部糙率；f為科里奧利系數(shù)；k為垂直方向單位矢量。

高精度的DSM 可滿足HEC-RAS 模擬小流域的洪水淹沒(méi)的精度，研究采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量獲取了研究區(qū)DSM 數(shù)據(jù)。設(shè)置二維網(wǎng)格的空間步長(zhǎng)為5 m，網(wǎng)格數(shù)量為24 428 個(gè)，根據(jù)研究區(qū)植被覆蓋和土地利用類(lèi)型，選取河道糙率值為0.035，草地糙率值為0.04，耕地糙率值為0.03。本案例模型選取全局降水為入流條件。下邊界為河道出口，并假設(shè)此處因采動(dòng)滑坡引發(fā)堰塞湖。全局降水?dāng)?shù)據(jù)選取2021 年10 月3 日00:00 至2021 年10 月6 日23:00共4 天95 h 的降雨數(shù)據(jù)（表2），模擬計(jì)算間隔為1 h，輸出水力要素間隔為1 h。

根據(jù)二維非恒定流模擬結(jié)果，2021 年10 月4 日至10 月6 日不同時(shí)刻降水淹沒(méi)深度對(duì)比如圖11 所示（圖11a 為4 日0 點(diǎn)降雨淹沒(méi)范圍；圖11b 為5 日0點(diǎn)降雨淹沒(méi)范圍；圖11c 為6 日0 點(diǎn)降雨淹沒(méi)范圍），可以看出礬石溝匯水由高流向低洼河道，下游堰塞湖積水深度最大處近8 m，成為井下涌水的潛在危險(xiǎn)源。同時(shí)得到了降雨期間全局淹沒(méi)時(shí)間百分比圖（圖11d），礬石溝及其支流的淹沒(méi)時(shí)間百分比超過(guò)50%，這些區(qū)域也在煤礦開(kāi)采引起的最大沉降區(qū)范圍內(nèi)，滿足這2 個(gè)特征的區(qū)域被稱(chēng)為淹沒(méi)及最大沉降區(qū)，這需要保證該區(qū)內(nèi)溝谷河床穩(wěn)定性。盡管沖溝邊坡兩側(cè)的淹沒(méi)百分比僅為20%，但采動(dòng)滑坡作用下坡體裂隙發(fā)育，需要及時(shí)填埋溝谷兩側(cè)邊坡裂縫，符合這2 個(gè)特征的區(qū)域被稱(chēng)為淹沒(méi)及裂縫發(fā)育區(qū)，這是防滲的重點(diǎn)區(qū)域，地裂縫采用分層填埋，而其余區(qū)域可以被稱(chēng)為徑流區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的地裂縫可直接單層填埋。

圖11 降雨引發(fā)的研究區(qū)地表淹沒(méi)過(guò)程Fig.11 Ground inundation process caused by rainfall in the study area

3.2 礦山地表徑流水害防治方法

開(kāi)展礦山地表徑流水害防治的研究不僅會(huì)減小地表水引發(fā)礦山涌突水事故風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)地表裂縫填埋和河床防滲加固，也極大減少了煤層開(kāi)采對(duì)地表水、土壤等環(huán)境造成影響，可以有效減少開(kāi)采過(guò)程中對(duì)地表水的污染，保證地表水的質(zhì)量與水資源的可持續(xù)利用。通過(guò)前述研究總結(jié)得到了礬石溝致災(zāi)因素主要為多煤層開(kāi)采形成的地表張拉裂縫、采動(dòng)沉降引發(fā)的邊坡失穩(wěn)以及汛期溝谷積水下滲。本小節(jié)針對(duì)上述問(wèn)題提出了以下治理措施，并取得了良好的應(yīng)用效果。

針對(duì)溝谷區(qū)不再發(fā)育且裂縫寬度小于0.1 m 的地表裂縫可直接填埋，當(dāng)?shù)乇砹芽p寬度大于0.1 m時(shí)，采用由淺至深的黃土表土層+三合土防滲層+碎石塊襯墊層的分層填充，各分層厚度可控制在0.3～0.5 m。溝谷兩側(cè)坡體上的地裂縫在蠕變與滯后沉降作用下仍有加劇破壞趨勢(shì)，提前對(duì)潛在滑坡區(qū)實(shí)施削坡處理，削坡后的坡角為30°～45°。對(duì)溝谷區(qū)河床防滲治理為主，對(duì)地表積水疏放為輔。在工作面開(kāi)采之前，對(duì)地表低洼區(qū)域進(jìn)行填平處理，盡量保持河床坡度一致。實(shí)施土方工程延河道加高構(gòu)筑堤壩，防止河床大面積塌陷后溝流外溢。在工作面開(kāi)采過(guò)程中，及時(shí)清理溝谷兩側(cè)滑移堆積體；最后，在構(gòu)筑好的堤壩一旁備足填堵裂縫用的沙土、三合土和碎石。對(duì)受山體滑坡影響，易堵塞、積水的河道采用涵管引流的方式進(jìn)行治理，保證正常行洪，減小井下入滲量。

對(duì)沉降未穩(wěn)定的河床（停采后5～7 個(gè)月內(nèi)）采用紅黏土、尼龍網(wǎng)柔性材料進(jìn)行治理，受重復(fù)采動(dòng)影響河床不易開(kāi)裂，防滲效果好，治理方法如下：①清理河道碎石，整平河床形成河道基槽并擴(kuò)寬至4～6 m以上，在河道彎曲系數(shù)較大區(qū)段進(jìn)行河道改直；②河道鋪設(shè)200 mm 厚度黏土墊層后夯實(shí)，在墊層上方鋪設(shè)一層鋼塑土工柵格，上方再鋪設(shè)一層復(fù)合土工膜加強(qiáng)防滲水效果，覆蓋500 mm 厚紅膠土后夯實(shí)；③上方再交替施工兩層由鋼塑土工柵格和紅膠土組成的700 mm 厚加筋土層并壓實(shí)，形成可靠的防滲層；④在表層紅膠土上方鋪設(shè)200 mm 厚碎石并壓實(shí)嵌入紅膠土，提高河床表面強(qiáng)度，防止流水沖刷及車(chē)輛行駛破壞河道；⑤河道兩側(cè)采用抗紫外線生態(tài)袋壘筑800 mm 高度的護(hù)壩，形成護(hù)壩后進(jìn)行充填，與山腳形成一定坡度，確保山體流水能正常匯入河道；⑥河道與各支溝交匯處留設(shè)匯水口，匯水口兩側(cè)采用片石混凝土砌壩20 m，確保各支溝匯水暢通，匯水口兩側(cè)不被流水沖刷破壞。實(shí)施“柔性”技術(shù)治理后的河床斷面及治理效果如圖12 所示。

圖12 河床斷面及加固效果Fig.12 River bed section and reinforcement effect

4 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)礬石溝地表破壞類(lèi)型的多手段綜合分析及運(yùn)用離散元法數(shù)值模擬計(jì)算，揭示了多煤層開(kāi)采地表沉降與溝谷采動(dòng)滑坡耦合作用下的覆巖破壞及裂隙發(fā)育特征。煤層間關(guān)鍵層以下巖層垮落后巖層移動(dòng)范圍無(wú)明顯外擴(kuò)特征，以張拉破裂形成的豎向裂隙發(fā)育為主。關(guān)鍵層上方巖層剪切破裂形成的裂隙占比增加，在采動(dòng)沉降效應(yīng)與重力作用下溝谷坡體易發(fā)生剪切滑移，導(dǎo)致坡體下行裂隙與覆巖上行裂隙貫通，貫通裂隙對(duì)地表降水的截流作用會(huì)導(dǎo)致井下涌水量增大。

2）通過(guò)降雨?徑流模擬與礬石溝高精度的DSM再現(xiàn)了山西“百年一遇”暴雨期間礬石溝流域不同歷時(shí)雨水淹沒(méi)范圍與淹沒(méi)時(shí)間百分比。坡體兩側(cè)的徑流區(qū)屬于重點(diǎn)防滲區(qū)，需要及時(shí)采取裂縫填埋、防滲等防治措施。

3）溝谷區(qū)地下多煤層開(kāi)采引發(fā)的覆巖沉降效應(yīng)對(duì)地表地貌造成不可逆影響，會(huì)引發(fā)“裂隙發(fā)育—山體滑坡—河道堵塞—涌水加劇”復(fù)雜災(zāi)害鏈。提出了溝谷地形下地表徑流水害綜合防治方法，即徑流區(qū)、淹沒(méi)及裂隙發(fā)育區(qū)地表裂縫填埋、潛在滑坡區(qū)削坡治理、淹沒(méi)及最大沉降區(qū)河床“柔性”加固。不僅減小了地表水引發(fā)礦山涌突水事故風(fēng)險(xiǎn)，也保證了地表水的質(zhì)量與水資源的可持續(xù)利用。

4）后續(xù)將重點(diǎn)探究汛期地表水入滲采場(chǎng)機(jī)理及井下涌水量變化規(guī)律，指導(dǎo)礦山企業(yè)探放水。