【摘 要】
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蒙东地区有大型、特大型露天煤矿27座,其中24座是富水露天煤矿。富水边坡在重力蠕变、超强疏干降水形成的渗流软化等因素的作用下,滑坡灾害多发。特别是有断层存在时,地下水与特殊地质构造的联合作用会引发一系列危及矿山安全生产的问题。开展含断层露天煤矿地下水渗流场演化规律研究,完善矿山防治水和滑坡灾变控制理论,推动水资源集约利用和滑坡防治技术的研究,总结不同疏干方式与边坡稳定性的关系,提出安全、高效、高性
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蒙东地区有大型、特大型露天煤矿27座,其中24座是富水露天煤矿。富水边坡在重力蠕变、超强疏干降水形成的渗流软化等因素的作用下,滑坡灾害多发。特别是有断层存在时,地下水与特殊地质构造的联合作用会引发一系列危及矿山安全生产的问题。开展含断层露天煤矿地下水渗流场演化规律研究,完善矿山防治水和滑坡灾变控制理论,推动水资源集约利用和滑坡防治技术的研究,总结不同疏干方式与边坡稳定性的关系,提出安全、高效、高性价比的疏干工程方案,为富水露天煤矿安全生产、灾害预测和预报、灾变控制等提供理论基础。本文依托蒙东地区伊敏河露天煤矿的特殊工况,采用现场调查、地质勘察、理论研究、试验研究、数值模拟和稳定性分析等综合性研究方法对含断层富水露天煤矿疏干降水过程中渗流场演化规律及其影响机制进行了研究。（1）针对富水边坡、复杂断层构造及其与矿山动态生产所构成的特殊工况,利用二维地震勘探方法,对研究区域进行了地球物理勘探,解译了12条测线的勘察结果,得到了F1、F5两条正断层的空间分布特征及断距、倾角等构造参数;结合区域水文地质资料,布置了19个无间断水文观测井,通过抽水试验得到含水层水文地质参数,评估了断层对渗流场的影响程度。（2）对含断层露天煤矿疏干降水过程中渗流场演化的相关理论进行了研究。基于地下水动力学原理和土的构成假设推导了断层构造在超前疏干降水过程中地下水渗流连续性方程和断层受地下水侵蚀作用时的固体-液体两相质量平衡方程;研究了侵蚀作用导致断层岩土体骨架孔隙率变化规律,得到了基于Vardoulakis模型的渗流与孔隙率变化关系;通过对三向细颗粒质量流失率的分析,利用Kozeny-Carman方程建立了土体骨架孔隙率与渗透系数的联系;在此基础上,建立了土体应力、地下水水头、细颗粒质量流失率、孔隙率、渗透系数五要素之间的关系,揭示了高水头差效应下断层隔导水动态演化机制。（3）利用GMS（Grounder Modeling Systems）数值模拟方法,针对复杂地质条件的露天矿水文地质模型进行细观刻画,利用Lake-Package建立不同开采和疏干阶段的矿山计算模型,获得了各阶段最大人工抽采量的参考值:当降深分别为+645m、+600m、+540m、+480m时,其对应的人工最大抽采量为1200m~3/d、11000m~3/d、58200m~3/d、98200m~3/d。验证了Lake-Package方法对露天矿疏干抽采量预测的可行性与可靠性。通过调整疏干降水强度,研究不同疏干阶段和疏干强度对断层隔水效应的影响,在第二阶段降深至+600m后抽采量达到11000m~3/d时,断层因两侧水头差的增大导致渗透压的升高,迫使断层开始逐渐活化导水,当抽采量达到18000m~3/d时,断层演变为导水断层。（4）建立包含疏干井设计的边坡数值模型,并进行双向流固耦合分析,得到了边坡岩土体在疏干井运行下变形随时间推移而累积的演化规律;通过平均有效应力分析,总结了地下水应力重分布效应与疏干井之间的关系;建立了不同间距的单排、双排梅花式与并列式布井计算模型,分析了各方案对边坡稳定性的影响及其与疏干效率的联系:单排布井时井间距越小,疏干量越大、边坡稳定性越高;当单排布设井位效率较低时,采用双排梅花式布井与并列式布井,安装成本不变的条件下边坡稳定性系数比单排式布井可提升30%,单井抽水效率可提升60%。
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