釆动破裂N2红土渗透性试验研究

王启庆 ，李文平 ，裴亚兵 ，吕城成

（1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2. 核工业湖州工程勘察院，浙江 湖州 313000）

我国西北地区属干旱-半干旱区，水资源量总体缺乏，生态环境脆弱，但地下浅部煤炭资源丰富. 随着我国东部矿区煤炭资源的枯竭，我国煤炭资源开发重点已快速转移到西北生态环境脆弱区. 2013年西北五省区煤炭产量达到17.9 × 108t，占全国的48%；未来西北地区煤炭产量将占全国煤炭总产量的70%以上[1-3]. 西北煤田覆岩土工程地质条件类型可分为5类[4]，其中砂-土-基型最为普遍，地层由上到下总体次序为：地表被现代风积沙及萨拉乌苏组沙层所覆盖，其下分布离石黄土和N2红土，再下为基岩风化层和基岩组，其中，萨拉乌苏组及基岩组中含有水，基岩组为含煤地层，岩性主要为泥岩、粉砂岩及砂岩等. 地表水及萨拉乌苏组（Q3s）水等浅表层水是本地区的重要水源，也是维系沙漠地区脆弱生态环境的主要水源，而该区普遍发育的N2红土是浅表层水体下的直接隔水层. 近年来，随着西部煤炭资源的大规模开采，造成对N2红土隔水层的全部或局部破坏，发生矿井突水和渗漏，并诱发砂层潜水位下降，浅表层水资源大范围破坏、沟谷断流，造成工农业用水困难，地表干旱、植被枯萎和荒漠化加剧等一系列次生生态地质灾害[5-12]. 要防控或减轻该类地质灾害的出现，有必要对N2红土采动破坏突水进行预报和采取有效的控制措施，而煤层上覆N2红土采动破坏突水过程内在机理研究，是灾害预报和防控的基础.

目前关于区域性土的研究成果较多，主要集中在土的形成和分布规律，工程地质性质差异，预测不同区域可能产生的相关工程地质环境灾害问题[13-19].而针对N2红土的研究主要集中在红土的分布、沉积环境、基本工程地质性质及主要工程地质问题等方面[20-25]. 对N2红土釆动变形破坏特征，特别是水土相互作用渗透性变化特征的研究还是空白. 本文首先对N2红土的矿物成分及膨胀性进行了分析，并采用自制的水土相互作用突水过程试验装置，定量化地研究了釆动破裂N2红土水土相互作用裂缝闭合规律、突水水量演化特征等，研究结果可为西北矿区浅埋煤层开采松散层潜水水位降幅及井下突水水量预计等提供基础依据.

1 N2红土矿物成分及膨胀性分析

1.1 矿物成分分析

影响黏土膨胀性的因素有许多，如黏粒含量、黏土矿物类型、有机质含量及交换性阳离子组成等，其中起主要作用的是黏粒含量及其中的黏土矿物类型. 采用D/Max-3B型X射线衍射仪对所取N2红土样进行黏土矿物成分相对定量分析，相关的测定结果见图1，测试结果显示蒙脱石含量为36%，伊利石、蒙脱石形成的混层矿物含量为18%，伊利石、高岭石和绿泥石含量分别为16%、21%和7%，其他含量为2%.

图1 N2红土X射线衍射光谱Fig.1 X-ray Diffraction spectrum of N2 laterite

由X衍射试验测定结果可以看出，N2红土中含有较多的蒙脱石、高岭石、伊利石，有部分伊蒙混层、绿泥石等黏土矿物，其中蒙脱石含量达36%，属于高含量，而蒙脱石对黏土渗透性影响较为明显，通常蒙脱石的矿物晶体结构决定了其吸水的高膨胀性，蒙脱石遇水膨胀使得黏土孔隙变小，从而可以造成N2红土渗透性降低.

1.2 膨胀性分析

表征黏土膨胀性的指标主要包括有侧限膨胀率、自由膨胀率、膨胀力等. 黏土有侧限膨胀率的大小主要与黏土的密实程度、天然含水率及土的结构连结有关系，而自由膨胀率是黏土在无结构力影响下的膨胀性，说明了黏土膨胀的趋势. 采用膨胀仪对多组N2红土样的有侧限膨胀率和自由膨胀率进行测定，测定结果显示N2红土的有侧限膨胀率为16.8%～21.2%，自由膨胀率为70.3%～80.0%. 由测定结果可以看出N2红土由于密实度高且含有更多的膨胀性矿物在有侧限条件下膨胀性较好，膨胀的趋势也较好.

2 试验设计

2.1 试验材料

试验用土为陕北神南矿区红柳林煤矿钻孔取出的N2红土样（图2），取样深度为60～80 m，所取土样呈红褐色，N2红土的塑性指数IP为12.5～13.2，10 ＜ IP＜ 17， 属 于 粉 质 黏 土 ， 液 性 指 数 IL为0.11～0.20，0 ＜ IL＜ 1/4，处于硬塑状态，其具体物理性质见表1.

图2 N2红土样照片Fig.2 Samples of N2 laterite

表1 自然条件下N2红土物理性质Tab.1 Physical properties of natural N2 laterite

2.2 试验装置

为了研究釆动破裂N2红土水土相互作用突水演化过程，采用自制试验装置，试验装置结构如图3所示. 装置以水箱、试验箱为主体，其中水箱上方通过预留出水孔保持试验水头恒定，水箱与试验箱间设置控制阀，试验箱内部设置裂缝N2红土，试样底部与透水钢板间垫有滤网，装置底部通过与漏斗连接的量筒测定试验过程中的突水水量，另外，为保证突水全部进入漏斗下的量筒，漏斗直径略大于装置底对角线长.

2.3 试验方法

根据现场实际情况设置试验工况参数，以神南矿区红柳林矿N2红土地面采动裂缝现场调查为原型，裂缝宽度一般为5～15 cm，相邻裂缝最小间距约为60 cm. 按照几何相似比αl= lp/lm= 10，其中，lp和lm分别为原型长度和模型长度，根据前述测试原状N2红土物理性质，控制试样含水率为15.8%，密度为1.90 g/cm3，进行试样重塑，在试验箱内分4层击实，并在各层结合面刨毛，试样长为200 mm、宽为200 mm、高为100 mm，对试样进行预制裂缝，试样预制裂缝2条（间距约为6 cm，模拟现场最小间距约为60 cm邻近裂缝的影响）. 共制成带裂缝的试样3组，裂缝宽度分别为5.0、10.0 mm和15.0 mm，试验水头为700 mm. 试验中数据采集间隔为1 min，同时采用相机记录裂缝变化过程图像.

图3 试验装置Fig.3 Experimental equipment

3 试验结果分析

3.1 裂缝闭合规律

试验中对不同裂缝宽度N2红土水土相互作用裂缝变化进行了监测，图4、5为裂缝随时间变化过程，由图可知，裂缝的变化主要包括3个方面：

（1） 松散颗粒堆积. N2红土及裂缝表面松散土颗粒被水流冲刷带入裂缝内，并随时间缓慢堆积；该过程在试验最初阶段十分明显.

（2） 裂缝边缘溃塌. 裂缝边缘土体结构较松散甚至存在细小裂隙，在与水的接触相互作用下逐渐溃塌至裂缝内，该过程主要出现在试验前期.

（3） N2红土遇水膨胀. 由前述可知N2红土具有较强膨胀性，与水发生相互作用产生膨胀，致使裂缝宽度逐渐减小，试验后期更为明显.

图4 N2红土裂缝随突水历时变化过程Fig.4 Change process of N2 laterite fracture with water inrush

图5 裂缝宽度随时间变化曲线Fig.5 Relationship between crack width and time

另外，由图5可知：裂隙宽度10.0 mm组的土样在突水过程持续100 min后裂隙宽度减小至约3.2 mm，减小约68%；试验前15 min内裂隙宽度的减小量约占总减小量的60%，主要原因是试验初期松散颗粒堆积、裂缝边缘溃塌等较为剧烈；试验75 min后基本趋于稳定.

3.2 突水水量变化规律

试验中分别对裂缝宽度为5.0、10.0、15.0 mm的N2红土试验模型水土相互作用突水量进行了监测，图6为模型试验过程中突水量随时间变化曲线.由图可知，釆动破裂不同宽度裂缝的N2红土发生水土相互作用突水量均随时间逐渐变小，突水量的变化可分为3个阶段：

（1） 初期为水量快速下降阶段. 这一阶段突水量的降幅较大，主要原因为初期松散颗粒堆积、裂缝边缘溃塌严重，且土体膨胀迅速、膨胀量大，裂缝闭合速度快.

（2） 中期为水量缓慢下降阶段. 这一阶段突水量的降幅较小，主要原因为中期N2红土裂缝的结构基本稳定，裂缝内堆积土颗粒也基本不再增加，N2红土继续与水相互作用产生膨胀，但膨胀速率明显减小，裂缝缓慢闭合.

（3） 后期为水量稳定阶段. 这一阶段突水量基本保持不变，说明釆动裂缝N2红土水土相互作用使土体基本达到最大膨胀量，裂缝闭合基本稳定.

图6 突水量与时间的关系Fig.6 Relationship between water inrush volume and time

另外，由图6可知，裂缝宽度越大，突水量变化的前两个阶段持续时间越长，即突水稳定时间越长.此外，裂缝宽度大的突水量稳定阶段时水量仍较大，说明N2红土釆动裂缝宽度越大，后期恢复越困难.

根据试验过程中裂缝型N2红土水土相互作用的突水量数据，采用等效渗透系数，计算3个模型渗透系数，绘制不同裂缝宽度的N2红土水土相互作用渗透系数变化曲线（图7）. 由图可知，3种裂缝宽度的N2红土渗透系数K随时间t均逐渐减小，采用指数衰减函数： K =A1e-t/b1+A2e-t/b2+K0的形式进行拟合（图 7），式中：A1、A2、b1、b2及 K0为待定系数.拟合结果显示相关系数R2均大于0.96，说明釆动裂缝N2红土水土相互作用渗透系数与时间呈很好的负指数关系.

图7 不同裂缝宽度N2红土试样渗透系数与时间的关系Fig.7 Relationship between permeability and time of N2 laterite samples with different cracks

4 结 论

（1） N2红土中含有较多的蒙脱石、高岭石、伊利石，有部分伊蒙混层、绿泥石等黏土矿物，其中蒙脱石含量为36%，属高含量，N2红土具有较强的膨胀性.

（2） 釆动破裂N2红土水土相互作用裂缝的变化主要包括3个方面：松散颗粒堆积，试验最初阶段十分明显；裂缝边缘溃塌，主要出现在试验前期；N2红土遇水膨胀，试验后期更为明显.

（3） 釆动破裂N2红土发生水土相互作用突水量随时间逐渐变小，突水量的变化可分为3个阶段，即初期水量快速下降阶段、中期水量缓慢下降阶段和后期水量稳定阶段. 裂缝宽度越大，突水稳定时间越长.

（4） 指数衰减函数K能够较好地拟合不同釆动破裂宽度N2红土水土相互作用渗透系数变化曲线.