某富水礦床疏干引發(fā)地表固結(jié)沉降模擬分析

張苗苗

(馬鋼(集團(tuán))控股有限公司姑山礦業(yè)公司， 安徽 馬鞍山市 243184)

某礦床埋藏深度-50～-500 m，上覆地層為第四系含水層，礦床疏干時(shí)將引發(fā)地下水位下降，導(dǎo)致含水層孔隙水壓力下降，土體骨架間的有效應(yīng)力增加，必然使得含水層或土層壓縮，這種現(xiàn)象就是礦山第四系地層的固結(jié)沉降。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步，多孔介質(zhì)流固耦合問(wèn)題多通過(guò)水土模型進(jìn)行求解，其基本思路是首先研究分析疏排水條件下礦區(qū)各含水層的地下水流場(chǎng)，得出含水層組中的水頭變化，并假設(shè)各土層的總應(yīng)力不變，根據(jù)有效應(yīng)力原理，土層孔隙水壓力的減小等于相應(yīng)土層有效應(yīng)力的增加，含水層和黏土層間的水量交換通過(guò)越流補(bǔ)給量來(lái)處理，從而確定各土層的變形量，所有各層的變形量之和即為土層的沉降量，本次沉降模擬利用礦區(qū)未來(lái)疏干條件下的地下水流場(chǎng)研究成果，將第四系含水層組中的水頭變化，轉(zhuǎn)換成土體有限應(yīng)力的增加量，然后利用Abaqus軟件，基于Terzaghi有效應(yīng)力原理計(jì)算有效應(yīng)力的變化，確定各土層的變形量，模擬分析礦區(qū)第四系的地層的固結(jié)沉降[1-3]。

1 第四系水文地質(zhì)條件及疏干時(shí)的水位變化

1.1 第四系水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，第四系含水層包含2個(gè)弱富水和2個(gè)強(qiáng)富水層，各層由上自下分述如下：

(1) 第四系全新統(tǒng)粘土、粉質(zhì)粘土與粉細(xì)砂互層孔隙弱富水巖組(Q45al)，垂直滲透系數(shù)k=0.017～0.03 m/d，水平滲透系數(shù)k=0.121～0.56 m/d,為相對(duì)的隔水層；

(2) 第四系全新統(tǒng)粉細(xì)砂孔隙強(qiáng)富水巖組(Q44al)，平均厚度19.96 m，滲透系數(shù)k=18.994 m/d，為強(qiáng)含水層；

(3) 第四系全新統(tǒng)粘土、粉質(zhì)粘土孔隙弱富水巖組(Q43al)，平均厚度15.63 m，為相對(duì)隔水層，它將下部的砂礫卵石層和上部的砂層分隔，南部缺失地段，細(xì)砂層和砂礫卵石層兩個(gè)強(qiáng)富水巖組水力聯(lián)系密切；

(4) 第四系全新統(tǒng)砂礫卵石孔隙強(qiáng)富水巖組(Q42al+pl)；層位穩(wěn)定，主要分布在礦區(qū)南部，平均厚度為5.87 m，滲透系數(shù)k=71.5058 m/d，含水極豐富，為主要含水層。

1.2 疏干條件下第四系含水層水位變化分析

礦區(qū)第四系地層結(jié)構(gòu)及各含水層滲透性能不同，導(dǎo)致礦區(qū)北部、中部和南部第四系水位下降幅度不同，具體分述如下：

(1) 礦床北部：本地段第四系結(jié)構(gòu)如圖1所示，本段第四系含水層缺失砂卵石，因粘土或亞粘土的阻隔作用，在礦坑未來(lái)排水條件下，區(qū)段粉細(xì)砂層形成了一個(gè)以礦坑為中心的水位降幅有限的小型漏斗。

圖1 礦區(qū)北部第四系地層結(jié)構(gòu)

(2) 礦床中部：本段第四系結(jié)構(gòu)如圖2所示，本地段地層分布較齊，在礦坑未來(lái)排水條件下，因粘土或亞粘土的阻隔，上部粉細(xì)砂同樣形成了一個(gè)以礦坑為中心的水位降幅有限的小型漏斗，而下部砂卵石層與基巖水位同步下降，本地段將呈現(xiàn)上下2個(gè)水位降落漏斗。

圖2 礦區(qū)中部第四系地層結(jié)構(gòu)

(3) 礦區(qū)南部：本段第四系結(jié)構(gòu)如圖3所示，本地段粘土或亞粘土缺失，粉細(xì)砂與砂卵石直接接觸，在礦坑未來(lái)排水條件下，第四系含水層與基巖含水層形成了一個(gè)含水整體，剖面線中心水位將下降至第四系底板。

圖3 礦區(qū)南部第四系地層結(jié)構(gòu)

2 Abaqus數(shù)值模擬分析

Abaqus是世界上最著名的非線性有限元分析軟件之一，包含十分豐富的單元模式、材料模型以及分析過(guò)程，在求解高度非線性問(wèn)題方面的能力十分優(yōu)異，對(duì)巖土工程具有較強(qiáng)的適用性[4-6]。

2.1 假設(shè)條件

(1) 地下水位以下土體為飽和狀態(tài)，同一層土均質(zhì)且各向同性；

(2) 地下水為不可壓縮體，土體的壓縮是由孔隙體積的減小引起；

(3) 第四系含水層地下水的滲流流動(dòng)符合達(dá)西定律；

(4) 假設(shè)第四系地層固結(jié)沉降過(guò)程中，其滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)等參數(shù)為常數(shù)。

2.2 數(shù)值模型

根據(jù)礦區(qū)第四系地層結(jié)構(gòu)條件和水文地質(zhì)條件，分別在礦區(qū)北部、中部和南部選擇3條剖面，建立礦區(qū)不同位置的數(shù)值沉降模擬模型，研究分析礦區(qū)各區(qū)域不同水位下降條件下的地層固結(jié)沉降情況，故選擇剖面由北向南依次為：9線、2線和12線。

(1) 邊界條件。對(duì)于一維垂向沉降模型，其頂面是地表，為自由面，可上下發(fā)生位移，底面是砂卵石的底扳，假定不發(fā)生位移，模型左右邊界只發(fā)生垂向沉降，不發(fā)生水平位移。根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料，礦區(qū)第四系地下水位在標(biāo)高5 m左右，故初始第四系水位取標(biāo)高5 m。

(2) 土層物理力學(xué)參數(shù)。在本次研究中，土層的壓縮系數(shù)、孔隙比、滲透系數(shù)等土力學(xué)參數(shù)主要參考《勘探地質(zhì)報(bào)告》，每一土層視為一個(gè)整體，其土體參數(shù)在垂向上不變(見表1)。

表1 鐘九鐵礦第四系土力學(xué)參數(shù)

(3) 網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分采用平面應(yīng)變孔壓?jiǎn)卧愋?CPE4P)，4結(jié)點(diǎn)二次縮減積分四邊形網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。垂向上將模型劃分為4層，如圖4所示。

圖4模型網(wǎng)格劃分

(4) 分析步。模擬分析中假設(shè)礦坑未來(lái)疏干水位達(dá)到平衡后，形成固定的浸潤(rùn)線，此時(shí)與礦區(qū)原始地下水位相比產(chǎn)生的應(yīng)力變化即為附加荷載，計(jì)算分為2步，第一步為初始應(yīng)力平衡，定義初始應(yīng)力狀態(tài)，Geostatic步完成初始應(yīng)力平衡狀態(tài)；第二步為施加附加荷載，分析計(jì)算礦區(qū)第四系地下水位下降后的第四系沉降量。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

礦區(qū)自北向南的9線、2線和12線，在礦區(qū)未來(lái)第四系水位下降后的地表沉降模擬結(jié)果如圖5～圖7所示，具體分述如下：

(1) 礦區(qū)北部(以9線為代表)，該區(qū)域第四系含水層主要通過(guò)越流補(bǔ)給下部含水層，整體水位下降有限，其沉降與第四系地下水降落漏斗形狀相似，基本對(duì)稱，地表最大沉降量26.54 cm；

(2) 礦區(qū)中部(以2線為代表)，該區(qū)域地下水下降呈現(xiàn)兩部分，因此其孔隙水壓力的降低量為兩者之和，且由于局部粘土與亞粘土地層(Q43al)的缺失(如2B線的ZK2B3、ZK2B4、ZK2B5孔)，使得西部水位下降量大于東部，因此模擬結(jié)果顯示礦區(qū)中部地表沉降西部大于東部，地表最大沉降量35.97 cm；

(3) 礦區(qū)南部(以12線為代表)，該區(qū)域粘土與亞粘土地層(Q43al)缺失，第四系含水層地下水位與基巖水位同步下降，地下水位下降至第四系底板，且勘探線中部東部下伏地層為灰?guī)r，其對(duì)第四系地下水的影響大于西部的砂巖地層，因此東部的沉降略大于西部，地表最大沉降量為60.92 cm。

圖59線地表沉降模擬結(jié)果

圖6 2線地表沉降模擬結(jié)果

圖7 12線地表沉降模擬結(jié)果

綜上所述，第四系地表沉降與其地層結(jié)構(gòu)有關(guān)，未來(lái)疏干條件下第四系最大固結(jié)沉降將發(fā)生在南部區(qū)域。礦區(qū)南部12線區(qū)域平均沉降量為48.09 cm，東西方向上的傾斜變形量i=1.1 mm/m。根據(jù)《采礦手冊(cè)·第1卷》一般磚石建筑物的傾斜臨界變形值為4 mm/m；井筒、井架等Ⅰ類建筑物的傾斜臨界變形值為3 mm/m，故礦區(qū)地表近似于均勻沉降，不會(huì)因此造成地表民房結(jié)構(gòu)開裂。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)礦區(qū)未來(lái)疏干條件下，礦區(qū)不同區(qū)域第四系含水層地下水流場(chǎng)變化分析，利用流固耦合多孔介質(zhì)模型，分析了礦區(qū)北部、中部和南部在礦坑未來(lái)疏排水條件下的第四系地層的固結(jié)沉降趨勢(shì)。通過(guò)Abaqus軟件模擬計(jì)算，礦區(qū)最大傾斜變形量i=1.1 mm/m<3 mm/m。根據(jù)《采礦手冊(cè)·第1卷》，未來(lái)疏干排水條件下，礦區(qū)地表的固結(jié)沉降發(fā)展趨勢(shì)以均勻沉降為主，不會(huì)因此造成地表民房結(jié)構(gòu)開裂。