中關(guān)鐵礦堵水帷幕模型的建立及其穩(wěn)定性分析

夏 冬 常 宏

(1. 華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山063009;2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山063009;3. 河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司，河北，沙河054100)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家對礦產(chǎn)資源的需求量越來越大，而易于開采的資源已開采殆盡，為實現(xiàn)采礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦產(chǎn)資源的開采已陸續(xù)展開［1］。為保護(hù)地下水資源，合理開發(fā)礦產(chǎn)資源，帷幕注漿是減少滲流量行之有效的方法。帷幕注漿技術(shù)在大紅山鐵礦［2］、水口山鉛鋅礦［3］、冬瓜山銅礦［4］、吳莊鐵礦［5］、萊新鐵礦［6］、濟(jì)鋼張馬屯鐵礦［7-8］、中關(guān)鐵礦［9-10］等礦山中得到了應(yīng)用，并取得了良好的隔水作用。

注漿堵水帷幕施工完成后，可有效地減少地下水向礦區(qū)的涌入量，起到堵截地下水的作用，但在井巷施工及礦體開采的過程中，需對堵水帷幕內(nèi)的圍巖進(jìn)行疏干排水，隨著疏干排水的進(jìn)行，勢必會在堵水帷幕內(nèi)外形成一定的水力梯度，進(jìn)而在帷幕內(nèi)外形成一定的水壓差，這將對堵水帷幕的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的不利影響。因此，注漿堵水帷幕的長期穩(wěn)定性和堵水的有效性成為影響水文地質(zhì)條件復(fù)雜的大水礦山能否正常開采的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對注漿堵水帷幕漿料配比、施工工藝、施工質(zhì)量以及防滲效果等方面開展了大量的研究工作，但關(guān)于帷幕內(nèi)圍巖疏干排水對堵水帷幕穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響方面的研究成果則相對較少。為此，本研究結(jié)合中關(guān)鐵礦注漿堵水帷幕工程，在礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和鉆孔資料分析的基礎(chǔ)上，建立了堵水帷幕區(qū)域的三維地質(zhì)模型、三維數(shù)字化模型和三維力學(xué)計算模型，并應(yīng)用COMSOL Multiphysics 多物理場分析軟件，分析了疏干排水對堵水帷幕的影響范圍和影響程度，劃分出應(yīng)力擾動嚴(yán)重區(qū)和明顯區(qū)，對注漿堵水帷幕的穩(wěn)定性做出了初步評價，為礦山建設(shè)和帷幕穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的建立提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 模型建立

1.1 三維模型建立

中關(guān)鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮(zhèn)中關(guān)村境內(nèi)，為水文地質(zhì)條件特別復(fù)雜、涌水量大的大水礦山。為減少礦山開采過程中的排水量，采用注漿堵水帷幕的方式堵截地下水。根據(jù)礦山的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和鉆孔數(shù)據(jù)資料，建立礦區(qū)的三維地質(zhì)模型和三維數(shù)字化模型。由于受有限元網(wǎng)格劃分和計算機(jī)性能的限制，需將地質(zhì)模型進(jìn)行必要的簡化，簡化后模型的長、寬、高分別為2 500、2 000、850 m，其中Y 軸正方向所指為正北方向。最終得到的三維地質(zhì)模型、三維數(shù)字化模型和三維力學(xué)計算模型分別如圖1、圖2 和圖3所示。

圖1 三維地質(zhì)模型Fig.1 Three-dimensional geological model

圖2 堵水帷幕三維數(shù)字化模型Fig.2 Three-dimensional digital model of plugging curtain

圖3 三維力學(xué)模型(單位:m)Fig.3 Three-dimensional mechanical model

1.2 模型邊界條件設(shè)置

為了能夠模擬疏干排水對注漿堵水帷幕穩(wěn)定性的影響，計算時將三維力學(xué)模型分為2 種工況:一是在地下水自然流動的情況下，假設(shè)注漿堵水帷幕完全防水，對帷幕內(nèi)外的初始應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析;二是在初始應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上，對帷幕內(nèi)進(jìn)行疏干排水，并對疏干排水引起的應(yīng)力重分布進(jìn)行分析。重力場作用下的邊界條件可設(shè)定為:X 和Y 方向的位移預(yù)設(shè)為0，頂面設(shè)定為自由面，底面設(shè)定為固定面。滲流場作用下的邊界條件設(shè)定為:東、西側(cè)邊界的定水頭分別為－100 m 和－80 m，南、北側(cè)邊界為零通量，模型頂面的壓力為0，底面設(shè)為不透水面。

1.3 巖體物理力學(xué)參數(shù)

帷幕施工完成后，假設(shè)疏干排水沒有對帷幕外圍巖體產(chǎn)生影響，同時假設(shè)地下水不會對帷幕體的強(qiáng)度產(chǎn)生弱化作用，則可通過室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗，結(jié)合現(xiàn)場巖體宏觀調(diào)查分析確定帷幕外圍巖體及帷幕體的物理力學(xué)參數(shù)，計算模型中帷幕及帷幕外圍巖體采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 初始應(yīng)力場分析

在三維力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)上述確定的巖體物理力學(xué)參數(shù)，采用COMSOL Multiphysics 多物理場分析軟件對初始應(yīng)力場進(jìn)行計算。計算后的應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖4 初始條件下Von Mises 應(yīng)力分布Fig.4 Von Mises stress distribution under initial condition

從圖4可以看出:在初始應(yīng)力場條件下，帷幕內(nèi)外的應(yīng)力基本呈層狀分布，并且隨著垂直深度的增加應(yīng)力呈逐漸遞增趨勢，且帷幕外應(yīng)力增加值大于帷幕內(nèi)的應(yīng)力增加值。隨著深度的增加，在堵水帷幕與圍巖接觸區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象趨于明顯。在－170 m 和－230 m 2 個水平截面之間，帷幕內(nèi)外兩側(cè)的壓力差比較大，這是因為這2 個位置對應(yīng)于奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r，且奧陶系中統(tǒng)石灰?guī)r的富水性和透水性均高于其周圍巖體，這使得其對水壓分布的影響也較為明顯。在帷幕的終端處，帷幕與其內(nèi)側(cè)接觸的圍巖處出現(xiàn)了高應(yīng)力集中區(qū)，帷幕內(nèi)外的應(yīng)力差值約為5.0 MPa，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從地質(zhì)情況得到解釋，此處灰?guī)r與閃長巖分為上下2 層，由于灰?guī)r為強(qiáng)透水層而閃長巖為隔水層，同時由于注漿帷幕體的剛度與其接觸的圍巖剛度的差異較大，所以在該處形成了高應(yīng)力集中區(qū)。

2.2 疏干排水后帷幕穩(wěn)定性分析

在進(jìn)行礦體開采之前，需對帷幕內(nèi)圍巖進(jìn)行疏干排水。當(dāng)帷幕內(nèi)水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，帷幕內(nèi)外產(chǎn)生0.9 ～1.3 MPa 的水壓差，由于水壓差的存在，從而使得帷幕體上產(chǎn)生附加作用力。根據(jù)礦體開采范圍與注漿堵水帷幕的相對位置關(guān)系，選取典型的觀察線剖面進(jìn)行應(yīng)力分析，選取的觀察線位置如圖5 所示。

圖5 剖切線位置Fig.5 Slice line position graph

其中Ⅰ線和Ⅱ線的剖切面均為礦體開采范圍與注漿堵水帷幕相對較近的位置。帷幕內(nèi)圍巖疏干排水后Ⅰ線剖面和Ⅱ線剖面的Von Mises 應(yīng)力分布和應(yīng)力分布曲線如圖6 和圖7 所示。

圖6 水壓影響下Ⅰ線Von Mises 應(yīng)力分布Fig.6 Von Mises stress distribution of lineⅠby hydraulic pressure

由圖6 和圖7 可以看出，疏干排水后在堵水帷幕上和堵水帷幕與圍巖的接觸區(qū)域均產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由圖6 可以看出，當(dāng)帷幕內(nèi)水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在Ⅰ線剖面西南側(cè)的帷幕內(nèi)外分別形成了2.8 MPa 和3.0 MPa 的應(yīng)力差，Ⅰ線剖面與西南側(cè)帷幕體接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較其與東北側(cè)帷幕接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，這是因為堵水帷幕施工前，礦區(qū)西部和西南部的來水，都經(jīng)中關(guān)鐵礦向東部和東北部匯集于鳳凰山降落漏斗區(qū)，并經(jīng)人工開采方式排泄于地表，堵水帷幕施工完成后，由于西部和西南部的來水在礦區(qū)處的流動受到堵水帷幕的攔截作用，使得堵水帷幕西側(cè)和西南側(cè)的水頭高于東側(cè)和東北側(cè)。由圖7 可以看出，當(dāng)帷幕內(nèi)水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在Ⅱ線剖面西側(cè)的帷幕內(nèi)外分別形成2.8 MPa 和3.0 MPa 的應(yīng)力差，Ⅱ線剖面與帷幕體西側(cè)接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象較東側(cè)更為明顯，這是因為礦體西側(cè)的開采邊界距堵水帷幕的距離大約只有50 m，且堵水帷幕西側(cè)的水位高于東側(cè)。通過上述分析可知，疏干排水后，Ⅰ線剖面與西南側(cè)堵水帷幕接觸區(qū)域及Ⅱ線剖面與西側(cè)堵水帷幕接觸區(qū)域的內(nèi)外應(yīng)力差及應(yīng)力集中程度均較其他部位明顯。因此，應(yīng)在Ⅰ線剖面與南側(cè)堵水帷幕的交界處及Ⅱ線剖面與西側(cè)堵水帷幕交界處增加水位監(jiān)測孔，加強(qiáng)這2 處堵水帷幕內(nèi)外水位動態(tài)變化情況的監(jiān)測，評估疏干排水過程中堵水帷幕的穩(wěn)定性。

圖7 水壓影響下Ⅱ線Von Mises 應(yīng)力分布Fig.7 Von Mises stress distribution of line Ⅱby hydraulic pressure

3 結(jié) 論

(1)在初始應(yīng)力場條件下，堵水帷幕內(nèi)外的應(yīng)力基本呈層狀分布，隨著深度的增加應(yīng)力呈逐漸遞增趨勢，且帷幕外應(yīng)力增加值大于帷幕內(nèi)的應(yīng)力增加值;隨著深度的增加，在堵水帷幕與圍巖接觸區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象趨于明顯;在帷幕的終端處，帷幕與其內(nèi)側(cè)接觸的圍巖處形成高應(yīng)力集中區(qū)。

(2)疏干排水對帷幕內(nèi)外應(yīng)力差及帷幕與圍巖接觸區(qū)域的應(yīng)力集中程度均具有較大影響，帷幕內(nèi)水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在帷幕內(nèi)外產(chǎn)生0.9 ～1.3 MPa 的水壓差;疏干排水后，Ⅰ線剖面與西南側(cè)堵水帷幕接觸區(qū)域及Ⅱ線剖面與西側(cè)堵水帷幕接觸區(qū)域的內(nèi)外應(yīng)力差及應(yīng)力集中程度均較其他部位明顯。

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