開采擾動(dòng)下三圣鐵礦滲流特性及涌水風(fēng)險(xiǎn)分析

宋霽洪，于燈凱，孫 洋，馮文賀

(1.通化鋼鐵集團(tuán)大栗子礦業(yè)有限責(zé)任公司； 2.吉林鴻邦冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司)

引 言

20世紀(jì)70年代以來，由于“三下”開采逐漸造成地表產(chǎn)生大的移動(dòng)和破壞。隨著新理論、新技術(shù)、新方法及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)礦體開采對(duì)地表穩(wěn)定性影響的研究取得了許多進(jìn)展[1-4]，特別是在河流下方的礦體開采對(duì)地表穩(wěn)定性及滲流的影響研究方面[5-6]。地下采空區(qū)上方巖體形成導(dǎo)水裂隙帶，水體沿裂隙擴(kuò)展方向向采空區(qū)及主要工程內(nèi)滲透，使得礦體圍巖的穩(wěn)定性減弱，可能導(dǎo)致圍巖冒落并引發(fā)礦井水災(zāi)，嚴(yán)重影響礦山開采的安全[7-9]。

吉林省白山市江源區(qū)三圣鐵礦(下稱“三圣鐵礦”)位于長白山系龍崗山脈中段南側(cè)，地勢北高南低，區(qū)內(nèi)河流屬渾江水系，礦區(qū)內(nèi)支流有頭道羊岔河、二道羊岔河，均匯集渾江后流入鴨綠江，于丹東附近流入黃海。其中，頭道羊岔河位于礦體的正上方，礦山設(shè)計(jì)中設(shè)置防水礦柱高度為40 m。礦區(qū)地形坡度大，河流水量隨季節(jié)變化明顯，雨后(雪水融化后)河水迅猛增多。礦床充水來自大氣降水、河水補(bǔ)給和基巖風(fēng)化裂隙潛水含水層，其中資源儲(chǔ)量分布標(biāo)高560～825 m，出露地表。

為探究頭道羊岔河對(duì)三圣鐵礦地下開采滲流穩(wěn)定性影響，基于礦山水文地質(zhì)概念模型，利用Flac3D軟件進(jìn)行礦區(qū)滲流模型構(gòu)建，并分析河道水體滲流對(duì)礦區(qū)開采的影響。

1 礦山水文地質(zhì)條件

三圣鐵礦充水主要來自大氣降水、河水補(bǔ)給和基巖風(fēng)化裂隙潛水含水層。其中，標(biāo)高560～825 m部分礦體出露地表，受大氣降水、基巖風(fēng)化裂隙水和河水多重補(bǔ)給，基巖風(fēng)化裂隙水水量較小，大氣降水直接入滲補(bǔ)給地下水，所以雨季時(shí)節(jié)應(yīng)加強(qiáng)河水監(jiān)測。區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水弱含水層、基巖風(fēng)化裂隙潛水含水層2種，水量較小，而且礦體大部分埋深在完整基巖中，為相對(duì)隔水層，因此基巖風(fēng)化裂隙水對(duì)礦床充水影響較小。

頭道羊岔河從礦體上部流過，在礦區(qū)內(nèi)東北部自西北向東南流出礦區(qū)后匯入西南岔河，河床寬3～15 m，水面寬1～5 m，河床底面標(biāo)高755 m，岸坡標(biāo)高756 m，洪水水位標(biāo)高756 m。開采礦體在地下形成采空區(qū)，形成冒落帶、裂隙帶和整體移動(dòng)帶。其中，冒落帶和裂隙帶可形成充水水源進(jìn)入礦坑的通道，礦山設(shè)計(jì)中設(shè)置防水礦柱高度為40 m，715 m標(biāo)高以上部分礦體不予開采，留作防水礦柱(如圖1所示)，從經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果評(píng)估，地表水將不會(huì)影響地下開采活動(dòng)。鑒于礦坑潛在涌水風(fēng)險(xiǎn)對(duì)安全生產(chǎn)影響重大，有必要針對(duì)設(shè)計(jì)預(yù)留防水礦柱的防水安全性進(jìn)行深入研究和論證，即在經(jīng)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充開展數(shù)值計(jì)算論證工作。

2 水文地質(zhì)概念模型

在三維地質(zhì)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合礦區(qū)氣象、水文、地層巖性、水文地質(zhì)、地下水補(bǔ)徑排特征等研究成果，構(gòu)建礦區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和概念模型。

圖1 開采礦體和預(yù)留防水礦柱示意圖

1)研究范圍。選擇研究范圍時(shí)需注意邊界效應(yīng)的影響，即邊界內(nèi)外區(qū)域不發(fā)生流體交換，或者流體交換的量值可忽略不計(jì)?；谏鲜鲈瓌t，在選擇研究范圍時(shí)，可選擇天然地下水系統(tǒng)邊界(如隔水層、地下水分水嶺等)，或者研究范圍的邊界距離研究的核心區(qū)域足夠遠(yuǎn)，以盡可能降低研究區(qū)域滲流擾動(dòng)對(duì)研究范圍滲流邊界的影響。

2)邊界條件。①外邊界條件。一般情況下，當(dāng)研究范圍足夠大時(shí)，其側(cè)面邊界可視為定水頭邊界，這樣邊界條件的確定及數(shù)學(xué)描述和方程求解都會(huì)相對(duì)容易[10]。但如果研究范圍過大，工程關(guān)注的采場、礦柱、井巷等在模型中難以準(zhǔn)確刻畫。建模時(shí)需要縮小模擬范圍，此時(shí)模擬區(qū)的側(cè)面邊界概化為已知流量邊界。模擬區(qū)巖體裂隙、巖溶基本不發(fā)育，本次模型的底板高程以550 m為界，按照相對(duì)隔水邊界處理；河水水位按照洪水水位756 m高程考慮，頂部邊界視為潛水面邊界，接受河流與地下水在潛水面邊界上進(jìn)行水量交換。②內(nèi)邊界條件。模擬區(qū)巖體裂隙、巖溶基本不發(fā)育，本次模型的底板至地表以下15 m深度范圍內(nèi)，按隔水層處理；地表以下15 m深度范圍內(nèi)為含水層；隔水層頂板以上設(shè)置為透水層，隔水層頂板以下設(shè)置為不透水層；按不利條件考慮隔水頂板以下礦體仍為透水層，設(shè)置較低的滲透系數(shù)。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 數(shù)值計(jì)算模型建立

本次滲流分析的研究工作基于Flac3D軟件開展，F(xiàn)lac3D軟件可以模擬滲透性固體(如巖體和土體)中的滲流[11]。滲流分析可以與通常的力學(xué)計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，也可以單獨(dú)進(jìn)行，即流固耦合計(jì)算。為了全面分析三圣鐵礦開采過程中各中段開采作業(yè)對(duì)地表建筑物、河流、地下主要井巷工程等穩(wěn)定性的影響，采用Flac3D軟件建立數(shù)值計(jì)算模型(如圖2所示)。根據(jù)設(shè)計(jì)的開采方案，礦體分為4個(gè)中段進(jìn)行開采，為保證地表河流不影響地下開采活動(dòng)，在地表河流兩側(cè)外擴(kuò)20 m，并根據(jù)巖移角圈定防水礦柱范圍，防水礦柱高度為40 m。頂?shù)字叨葹? m。

圖2 計(jì)算模型概況

由于礦區(qū)內(nèi)構(gòu)造條件簡單，無構(gòu)造破壞和軟弱夾層，故此次計(jì)算中主要采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測得的巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，采用修正的Hoek-Brown巖體強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則[12]將巖石的力學(xué)參數(shù)折減為巖體力學(xué)參數(shù)。由于圍巖中含有多種類型的巖體，且混合分布，為方便計(jì)算，同時(shí)確保計(jì)算結(jié)果可靠，圍巖參數(shù)選取力學(xué)參數(shù)較小巖體類型的參數(shù)。數(shù)值模擬中巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 滲流模型建立

滲流計(jì)算以前述力學(xué)計(jì)算使用的模型網(wǎng)格、單元分組為基礎(chǔ)模型，并在此基礎(chǔ)上添加水文邊界條件，作為滲流計(jì)算初始模型，如圖3所示。滲流計(jì)算水文邊界條件及參數(shù)選取、應(yīng)力條件假定如下：

圖3 滲流計(jì)算模型概況

1)河水水位按照洪水水位756 m標(biāo)高計(jì)算，水位面以下至隔水層頂板范圍內(nèi)，按照靜水壓力自動(dòng)計(jì)算各單元孔隙水壓力，并作為初始孔隙水壓力。

2)隔水層頂板。地表以下15 m深度(風(fēng)化層厚度)作為隔水層頂板。

3)隔水層頂板以上設(shè)置為透水層(滲透系數(shù)取1×10-7m/s)，隔水層頂板以下圍巖設(shè)置為不透水層；按不利條件考慮隔水層頂板以下礦體仍為透水材料，設(shè)置較低的滲透系數(shù)(1×10-10m/s)。

4)地應(yīng)力采用自重應(yīng)力、水平應(yīng)力按自重應(yīng)力系數(shù)計(jì)算。

5)礦體、圍巖力學(xué)參數(shù)參照力學(xué)計(jì)算模型選取。

4 礦體開采滲流影響分析

4.1 初始條件計(jì)算

礦區(qū)自重應(yīng)力場分布結(jié)果如圖4所示，自重應(yīng)力大小及梯度變化規(guī)律符合一般認(rèn)識(shí)。

圖4 初始自重應(yīng)力場

頭道羊岔河洪水水位形成的初始孔隙水壓力分布如圖5所示，從756 m高程往下，至隔水層頂板之上的范圍內(nèi)，分布著初始孔隙水壓力。礦體初始孔隙水壓力分布如圖6所示，頂部預(yù)留礦柱的孔隙水壓力模擬結(jié)果清晰地反映了頂部715 m高程之上的預(yù)留礦柱受地下水充水影響，為避免礦坑涌水，設(shè)計(jì)頂部礦柱留存是非常必要的措施。

圖5 初始孔隙水壓力分布

圖6 礦體初始孔隙水壓力分布

4.2 滲流計(jì)算結(jié)果及分析

礦體從上至下分4個(gè)中段依次開采，重點(diǎn)關(guān)注715 m至740 m中段礦體開采時(shí)潛在的采場涌水問題。第一中段開采及留存防水礦柱的條件下，采場孔隙水壓力分布情況如圖7所示。由圖7可知：第一中段回采時(shí)，采場孔隙水壓力為0，未受上部河流地下水滲流影響。

圖7 第一中段開采采場孔隙水壓力分布

其余中段開采后的孔隙水壓力分布如圖8所示。由圖8可知：下部中段采場的回采不會(huì)受到河流水位滲流的影響，不會(huì)引起礦坑涌水風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 其余中段開采后的孔隙水壓力分布

5 結(jié) 論

本文基于Flac3D軟件，建立水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和概念模型，分析了預(yù)留礦柱的防水安全性、礦坑涌水風(fēng)險(xiǎn)，取得如下結(jié)論：

1)頂部715 m高程之上的預(yù)留礦柱受地下水充水影響，為避免礦坑涌水，設(shè)計(jì)頂部礦柱留存是非常必要的措施。

2)從4個(gè)中段回采后的孔隙水壓力分布結(jié)果看，下部采場開采后孔隙水壓力為0，地下水未進(jìn)入下部采場，潛在涌水風(fēng)險(xiǎn)較小。