高海拔多年冻土区露采矿山边坡水冰环境特征分析_王晓东.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG 2012XAYFX020 第一作者简介 王晓东， 1981 年生， 男， 山西屯留人， 博士， 副研究员， 从事矿山地质灾害防治技术研究工作. E-mail wangxiaodongcctegxian. com 通信作者 徐拴海，1963 年生，男，陕西宝鸡人，研究员，从事矿山地质方面研究与咨询工作. E-mailxushuanhai 引用格式 王晓东，徐拴海，张卫东，等. 高海拔多年冻土区露采矿山边坡水冰环境特征分析[J]. 煤田地质与勘探，2018，46297–104. WANG Xiaodong，XU Shuanhai，ZHANG Weidong，et al. Water and ice environments of open pit slope in high altitude area[J]. Coal Geology 2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China Abstract In order to know the changing law of water in frozen rock or soil slope and stability of slope in open pit coal mines in high altitude area, and relying on the excavation process of pit in Juhugeng mining area, water and ice environments were analyzed by surveying and monitoring s. The results show that permafrost widely dis- tributes in the coal mine area, and several kinds of slopes have been created during the pit excavation. Because strata characteristics influence the water and ice in slope rock or soil mass, temperature and water are chang- ing in the rock or soil mass after frozen rock or soil are exposed in air and sunshine, so the stable temperature and water environment of original frozen rock or soil change with air temperature. Surface rock or soil mass of slope changes from permafrost to seasonal frozen rock or soil. Being influenced by air temperature and water, the water and ice environments have complex change. From geological survey, classifying and generalization of ground temperature, water and ice environments, the results could be scientific foundation for study of rock damage rule and rock slope stability in freeze-thaw cycling environments. Keywords permafrost; slope of open pit; water and ice environments; rock behavior evolution 在高海拔多年冻土区开展公路修筑、露天采矿 等工程，遇到的首要问题是冻土岩边坡水冰环境 变化而引起的边坡稳定性问题。如青藏公路边坡的 热融滑塌[1]，俄罗斯高加索地区 4106 m3的冻层消 融滑坡[2]，英国哥伦比亚地区 1.6106 m3的滑坡[3]， 意大利 Punta Thurwieser 地区 2106 m3的滑坡[4]。 ChaoXing 98 煤田地质与勘探 第 46 卷 在高海拔多年冻土区进行资源露天开采，因矿坑的 开挖而改变了原始冻结地层的环境，形成了特殊环 境中的特殊边坡问题。边坡温度环境变化，引起水 冰条件变化问题和冻结岩石体特性变化问题，两 个看似割裂的问题，组合在一起构成了高海拔多年 冻土区露天矿山开采的边坡稳定性问题，即资源开 采的实际工程问题。 常规岩石边坡的研究成果比较丰富，但对处于冻 融环境中的岩石边坡研究较少。为数不多的研究学者 将焦点集中于冻融环境中岩质边坡赋存状态调查[5]、 多场耦合效应[6-7]、 稳定性演化规律[8-9]、 破坏模式[10-11] 几个方面。使用的研究手段主要为数值方法，且岩体 强度参数多采用常规岩体强度进行适当折减[12]，或利 用冻融循环试验获得岩石强度进行适当修正[13]，个别 学者开展了针对性的岩体质量随冻融循环劣化的理论 研究[14]。各文献中的研究成果均得出了岩体的节理裂 隙结构是控制边坡冻融破坏的主要因素之一的共识。 因此，本文对多年冻土区露天矿边坡岩体中的水冰赋 存特征进行研究，以期为深入研究岩体冻融劣化及分 析寒区边坡稳定性提供基础资料。 1 青海木里煤田聚乎更矿区概况 木里煤田聚乎更煤矿区位于青海省天峻县木里 乡，处于祁连山高海拔地区，海拔 4 0404 300 m。 矿区为典型高原丘陵地貌图 1， 土壤类型主要为草 甸沼泽土和高山草甸土，地表覆盖为较薄的草甸和 湿地，草甸覆盖率超过 50。聚乎更矿区属于内陆 高寒大陆性气候，地区天气寒冷且昼夜温差大，年 平均气温–4.0℃， 最低气温一般集中在 12 月2 月， 最低达到–30℃以下。4 月份开始地层逐渐消融，最 高气温一般在 6 月9 月， 最高气温可达 20℃以上， 10 月开始地层会逐渐冻结，矿区历月温度情况见图 2a 所示。矿区整体处于高原寒带内，呈现半干旱气 候，空气含氧量较低，年降雨量在 400 mm 左右， 蒸发量会超过 1 200 mm，年平均相对湿度在 362，经年历月降雨量统计如图 2b 所示。该区 一年四季多风，强风季节一般在每年 1 月4 月， 风向多呈西或西南，风速最大达到 18 m/s 以上。 图 1 木里聚乎更矿区地貌特征 Fig.1 Geomorphic feature of Juhugeng mining area in Muli 图 2 矿区经年温度与降水量变化规律 Fig.2 Annual variation of temperature and precipitation in Juhugeng mining area ChaoXing 第 2 期 王晓东等 高海拔多年冻土区露采矿山边坡水冰环境特征分析 99 聚乎更矿区地处黄河支流大通河流域的上游盆 地，青藏高原东北缘，地表水丰富，有多支河流分 布，如图 3 所示[15]。矿区内的主干河流流量长期随 季节交替而发生周期性的变化， 冬季结冰流量减少， 夏季消融流量增大，每年 6 月9 月为丰水期。次 级河流在短期尺度下，河流流量主要受大气降水和 冻土消融水控制，日流量变化较大。另外，在阳坡 有下降泉分布，泉水补给河流和湖泊，湖泊一般由 大气降水和冻结地层消融水汇聚而成。 图 3 大通河源区地理位置示意图 Fig.3 Location of the source region of Datong River 由于矿区海拔均在 4 000 m 以上，虽然地表水 系发达，但由于当地气候寒冷且异常多变，区内普 遍发育厚度较深的多年冻土岩层。冻土岩层的 强隔水效应阻断了地下水和地表水之间的水力联 系， 从而导致只能在空气温度较高时发生局部的浅 层补给和排泄，大部分以地表径流形式排出区外， 少部分通过入渗或构造融区补给冻结层上水和冻 结层下裂隙孔隙承压水， 因此地下浅层液态水资源 相对贫乏。 聚乎更矿区为多年冻土区，冻土岩在平面上 连续分布，根据大范围勘探资料，冻土岩层深度 40150 m，地表 5 m 以内岩土层受气温影响剧烈， 地表形态也随着季节和温度发生小幅变化。图 4 为 木里矿区在大通河流域的海拔位置及矿区冻土岩 分布情况[16]。 木里地区露天矿矿坑开挖后，形成巨大的临空 面， 直接揭露了纵向全尺度上的冻结岩土体， 众多表 观现象可直接观测，例如水分、含冰形态、裂隙等。 以往的工作涉及了冻土的最大深度分布情况[17-18]， 但 大部分工作主要聚焦在浅表层的第四系和植被覆盖 层[19-21]，而对深部的冻结岩石所进行的工作较少。 在水冰环境条件变化的情况下，边坡稳定性演化规 律及研究方法已经异于普通露采矿山边坡，掌握边 坡水冰环境是分析边坡稳定性状态的第一步。 图 4 大通河源区平原地区冻土分布模式 Fig.4 Permafrost patterns in the plain of source region of Datong River 2 边坡地层温度竖向分布与变化特征 在露天矿边坡顶部边界外侧水平地层中布设了 3 个竖向地温监测点S1、S2、S3，监测点距边坡顶 边界 817 m，孔深 80100 m图 5a；在采场边坡的 垂直方向上布设了 3 个浅部坡面地温监测点C1、 C2、C3，距离坡顶垂向距离 2540 m，孔深 10 m， 温度监测孔的布置如图 5b 所示。S1 孔、S2 孔内地 温和 C1 孔内坡体地温监测结果如图 6 所示，其他 孔内监测结果与其相似。 木里地区 1 月份为冻结季， 8 月、 9 月为消融季。 由图 6 中地层温度监测数据来看，原始地层温度变 化规律具有三段式特征， 即季冻土岩层、 永冻土岩 层和不冻土岩层，结合学者的既有研究成果[22-23]， 可将冻结地层概化为如图 7a 模型。季冻土岩层在 05 m 范围，该层温度随大气温度波动剧烈，但同 时受地表浅层植被的影响，地层温度与大气温度变 化并不同步，略慢于大气温度变化，该层为不稳定 层。永冻土岩层在 547 m 范围，温度保持在 0–1 ℃范围内，变化不显著，基本不受大气温度影响， 是一个相对稳定层。47 m 以下为不冻土岩层，该 层温度大于 0℃，也不随大气温度变化而波动，也 是一个相对稳定层。 对于新开挖形成的采场边坡， 受到了人为扰动。 C1 监测孔的孔口位置距原始地表约 30 m，该位置 原始地层处于永冻层范围，在开挖揭露后转换为季 冻层，与 S2 具有相似的地温变化规律，但该处表面 无植被，其浅表层温度与大气温度变化基本同步。 根据上述分析，则可绘制出采场边坡温度变化剖面 图，如图 7b 所示，边坡的永冻层和不冻层浅表部均 转换为了季冻层。边坡浅层易受大气温度和水分影 响，长期的冻结和融化作用，易引发泥石流、滑塌、 滑坡等系列地质灾害。 ChaoXing 100 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 5 边坡地层温度监测点位布置图 Fig.5 Layout of monitoring points of ground temperature in slopes 图 6 地温监测结果 Fig.6 Results of ground temperature monitoring 图 7 地层温度分区及采场边坡地层状态示意图 Fig.7 Schematic diagram of temperature distribution of stratum and slope status of open pit 3 冻结态的采场边坡地层含冰特征 通过对青海木里聚乎更矿区众多点位的断面 调查和钻孔分析，发现研究区冰层具有多种形态， 主要有土/岩冰混合体、裂隙含冰和岩层夹冰层 3 种，主要分布于第四系和基岩中，偶有煤层夹冰， 各含冰层如图 8 和图 9 所示。 由冰的赋存特征来看， 赋存介质不同而呈现冰的赋存状态不同。 在第四系 中，冰的最主要状态为混合态，即冰与土或碎屑基 本均匀混合，综合含冰率较高，一般为连续含冰， 偶有脉状冰出现。在煤岩体中，冰的赋存形态主要 为脉状冰和裂隙冰，脉状冰较厚且通透性较差，而 裂隙冰较薄但通透性较好，冰体分布不连续。根据 冰体在不同地层中的赋存状态，可将其概化为图 10 形态。 边坡浅层冰体处于不稳定态，在开挖初期短时 间内可见，长期气温较低情况下可保持，而气温较 高后将消融，大裂隙中的冰融水将流出汇至采场， 微裂隙中的冰融化后将继续保持在裂隙内。边坡部 分区域由于融化区沟通了地表水或地下水，而在坡 面形成泉眼，温度高于冰点时有水涌出，而低于冰 点时将在泉眼周围结冰，并会将泉眼封堵。 ChaoXing 第 2 期 王晓东等 高海拔多年冻土区露采矿山边坡水冰环境特征分析 101 图 8 松散介质中冰体的赋存特征 Fig.8 Ice distribution s in loose media 图 9 煤岩体中冰体的赋存特征 Fig.9 Ice distribution s in rock and coal a 第四系松散地层含冰 b 裂隙岩体含冰 c 岩层含冰 图 10 地层中冰体赋存特征概化模型 Fig.10 General model of ice in strata 4 冻结与消融态的边坡地层特征 a. 第四系松散层冻结层 每年从 4 月下旬开始 融化，到 8 月底至 9 月中旬达到最大融化深度。河 流二级阶地及缓坡地段融化深度在 0.91.5 m，基岩 残丘融化深度为 23 m，而河床及流水冲沟处达 35 m，甚至更大。融化速率在各月也不同，平均 0.20.3 m/月。其消融特征是融层水分出流、坡缘融 塌、坡面内部融沉陷落，冻结后会在地表形成冻胀 丘，如图 11 所示。采场边坡上形成泥流而使松散物 质不断流失，由于植被根系发达而形成一定厚度整 体性较好的顶盖，从而呈现出掏蚀现象。但在掏蚀 深度较大时，顶盖拉断滑塌。每年的 9 月底气温开 始下降，自上而下开始冻结，至 12 月底季节性冻土 全部冻结。地表浅层在先期冻结后同样形成一个相 对较完整的冻结顶盖，因此顶盖与永冻层间形成一 个软弱层，即未冻的季冻层，从而形成特殊的地层 结构。从强度角度来说，由上至下为强弱强， 特殊的弱面结构为形成浅部的滑塌创造良好条件。 由于季冻层较浅， 因此发生的顶盖滑塌均为小体量。 b. 侏罗系砂岩屑层冻结层 该层厚度在 50 76 m，海拔 3 780 m 以下有融区存在，融区在砂岩 中成岛状分布，为大气降水及地表水补给地下水的 良好通路。三叠系细粒砂岩、砾岩裂隙孔隙冻结层 为常年冻结带，局部钻孔中可见冰透镜体；上部活 动层中融水泉多在阳坡出露，流量 0.051Ｌ/s。该 地层的季冻层在消融阶段同样会发生掏蚀，随着消 融的推进，砾岩块体不断碎落，在地表植被较好的 ChaoXing 102 煤田地质与勘探 第 46 卷 区域形成掏蚀顶盖，消融结果如图 11c 所示。总之， 松散地层均具有掏蚀和植被顶盖滑塌，以及坡体浅 层沿季冻层未冻区域的弱面滑塌的特点，将两种特 点概化为图 12 所示形态。 c. 基岩冻结层 基岩主要含水介质有前震旦及 其以后的侵入岩变质岩，三叠系砂岩，侏罗系砂岩、 砾岩及新近系红色砂岩、砾岩，基岩冻结层融化与 冻结特征异于松散介质层。基岩中含水结构主要为 原生和次生裂隙，当温度超过冰点后，裂隙间冰层 融退，微裂隙基本保持原状，大型裂隙张拉闭合交 错不一。当坡体中有较软弱的夹层时，如泥岩，软 弱夹层强度较低，容易在融冻过程中发生侵蚀，产 生坡体局部凹陷和突出及表面碎裂现象。在补水条 件较差区域，一次消融后大裂隙内的水分流失，而 在补水条件较好的区域，容易使季冻层再次饱和， 产生循环冻融的现象。 图 11 松散冻结层消融图 Fig.11 Ice ablation in loose frozen layers 图 12 采场边坡含冰地层消融和冻结过程滑塌 Fig.12 Thawing and slumping of ice-bearing slope in open pit 5 采场边坡地层消融的水冰特征 多年冻土岩层随着矿坑开挖而被逐渐揭露， 在温度升高至冰的融化点后，岩土体中季冻层的冰 体逐渐融化，由于岩体含有大量原生和次生裂隙， 蓄水能力相对第四系等松散层较差，部分冰融水将 通过裂隙流出，汇聚至采场边坡平台及矿坑中。部 分区域会出现热融泉流，形成冰融水的集中通道， 泉眼多分布在采场边坡的阳坡图 13a， 泉水流量一 般在 0.12.0 L/s。边坡上的热融泉为非稳定泉，在 一天时间内可能呈现热融泉出现或消失的现象，并 且流量在一天的不同时间也波动较大。另外，消融 期矿坑内也会形成坑内泉，围绕坑内泉会形成湖塘 图 13b。 冰融水汇聚至矿坑后形成较多小型冰融水 湖塘，由于采场范围较大，因此湖水一般较浅，面 积较小，但分布范围较广图 14。 矿坑内的冰融水湖塘排泄以下渗和蒸发为主， 部分积水较深区域会进行人工抽排。湖塘随季节而 冻结或消融，冬季几乎完全冻结。边坡上的热融泉 也会随着气温而发生冻结与融化的循环，冻结态下 会在边坡上形成冰挂和冰瀑布现象图 13c。另外， 利用采集自采场的冰融水进行了 14C 测定，水样年 ChaoXing 第 2 期 王晓东等 高海拔多年冻土区露采矿山边坡水冰环境特征分析 103 图 13 矿区内冻结地层消融水的分布特征 Fig.13 Distribution of melt water of frozen layers in open pit 图 14 矿坑内的冰融水湖塘 Fig.14 Pond of glacial melt water in open pit 代在23万 a， 表明边坡地层中的裂隙冰年代久远， 为永冻地层。 木里地区气候变化多端，一日可能出现阴晴雨 雪相继出现的天气状况，因此采场边坡的水分和温 度环境变化频繁。从现有研究成果来看，水分是影 响边坡稳定性的重要因素之一，而在木里地区温度 又是影响水分在岩体内分布的主要因素。 6 结论与讨论 通过对青海木里聚乎更矿区含冰裂隙冻岩地层 煤矿露采过程中的边坡岩体开展系统的现场调查， 分析了矿区的气温和冻土宏观分布特征，边坡地层 温度分布及水冰赋存与消融特征， 得出了如下结论 a. 木里聚乎更矿区处于高海拔高寒区，煤炭资 源丰富，但区域气候异常多变，生态单一。全年气 温跨度在–3020 ℃，且四季多风，相对湿度在 362，蒸发量大于降水量，但地表水丰富。该 区地层构造发育，全区地层分布着厚度不均但性态 稳定的冻土层，形成了地表水和地下水循环的天然 隔水层。当前研究成果还未有大范围和大尺度的永 冻层直观调查和含冰情况分析，以及含冰裂隙岩质 边坡冻融循环条件下的稳定性调查。 b. 矿区地层 05 m 范围为季节冻土层，受气 温、大气降水及人工活动影响较大，547 m 范围 为多年冻土层，地层温度在–10 ℃，受外界干扰 较小，为稳定层，47 m 以下范围为不冻层。矿坑 开挖后，多年冻土层的边坡表层逐渐转化为季节 冻土层。 c. 地层因岩性的不同而含冰形态有显著差 异，地表一定厚度的松散层中含冰形态为混合含 冰，即冰与松散介质均匀混合，冰分布较连续。 岩层煤层含冰主要为裂隙冰和脉状冰两类，裂 隙冰蕴含于岩体裂隙中，冰厚度较小但分布范围 广， 脉状冰一般不连续地分布于岩层的层理之中， 单冰体积较大，分布范围较小。 d. 季节冻土层和多年冻土层是温度敏感介 质，地层岩性的不同体现出不同的消融特征。松 散介质层饱水性较好，地层消融后水分与介质混 合流出，形成较为典型的泥流特征，对边坡形成 流动侵蚀和冻融掏蚀 2 种灾害，在地表草甸层较 厚时，容易发生草甸顶盖滑塌灾害，另外，该类 地层也易发生冻结过程中沿尚未冻结层面的滑塌 灾害。裂隙岩层保水性差，当地层消融后较大裂 隙中的冰融水会迅速排泄，但微裂隙中的水分不 易散失，会发生周期性的冻结与融化过程。 e. 矿坑开挖造成的地层深切割，富冰永冻地 层出露，气温回升使得多年冻层逐渐消融，造成 采场边坡、矿坑等多部位汇集出水，形成热融湖 塘。在边坡阳面会形成坡面泉，在矿坑内会形成 坑内泉，在温度降低时，泉眼和热融湖塘又全部 冻结。 ChaoXing 104 煤田地质与勘探 第 46 卷 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