丁家莊鐵礦礦床疏水對(duì)地表村莊沉降影響的Midas-GTS數(shù)值模擬分析

陳國(guó)濤

(山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司)

對(duì)礦區(qū)進(jìn)行精確三維地質(zhì)建模，不僅僅有助于分析地下巖體的分布情況，而且可為井下巷道及采礦工作面布置提供可靠依據(jù)，此外，利用礦區(qū)三維地質(zhì)模型還可以有效分析地下開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表變形的影響[1-4]。目前，按照建模數(shù)據(jù)源，三維地質(zhì)建模方法可分為基于鉆孔數(shù)據(jù)建模、基于剖面數(shù)據(jù)建模、基于三維地震資料建模、基于多源數(shù)據(jù)建模等[5-7]。本研究以河北丁家莊鐵礦為例，基于礦區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)，利用Midas-GTS軟件構(gòu)建礦區(qū)三維地質(zhì)模型，分析礦區(qū)西礦段礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)地表村莊建筑物的影響，為合理設(shè)計(jì)礦體開(kāi)采方案提供可靠依據(jù)。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

丁家莊鐵礦礦床分為西礦段和東礦段(圖1)。礦體總體走向NE 67°，全長(zhǎng)2 414 m，分為6個(gè)礦帶，16個(gè)礦體，各礦帶礦體產(chǎn)狀平緩。其中O#、Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#礦帶位于西礦段，Ⅳ#、Ⅴ#礦帶位于東礦段。Ⅰ#礦帶的Ⅰ-2#礦體為西礦段的主礦體，Ⅳ#礦帶的Ⅳ-1#礦體為東礦段的主礦體。Ⅰ-2#礦體分布于3#～5#線(xiàn)，埋深218～709 m，上部標(biāo)高為-38～-538 m；礦體呈層狀、囊狀展布，長(zhǎng)1 336 m，最大延深482 m，厚度一般為10～20 m，最大厚度達(dá)115 m；礦體總體走向NE，傾向NW，傾角20°～27°。

圖1 礦區(qū)礦段分布

目前，礦山一期工程主要開(kāi)采西礦段-305 m水平以上礦體，主要開(kāi)采水平為-225，-305 m水平，采用分段空?qǐng)鏊煤竽z結(jié)充填法開(kāi)采[8-9]；二期工期的主要開(kāi)采范圍為西礦段-305～-505 m水平，分別采用上向分層膠結(jié)充填法、上向進(jìn)路膠結(jié)充填法、分段空?qǐng)龇侄文z結(jié)充填采礦法生產(chǎn)[10-11]。由于礦床地下涌水較大，為確保礦山安全生產(chǎn)，采取注漿堵水方案，以有效避免開(kāi)采水平以上的地下水進(jìn)入采場(chǎng)，確保井下安全生產(chǎn)。根據(jù)通風(fēng)要求和階段水平的礦量，確定西礦段的首采階段為-455 m水平，開(kāi)采順序?yàn)橛上轮辽稀?/p>

1.2 礦區(qū)水文地質(zhì)特征

丁家莊礦區(qū)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，礦區(qū)水文地質(zhì)邊界以F5斷裂為界(斷裂東段兩側(cè)的灰?guī)r含水體的銜接厚度為20～100 m，形成了2個(gè)產(chǎn)生南北兩側(cè)水力聯(lián)系的導(dǎo)水缺口，中間阻水，兩側(cè)導(dǎo)水，具有阻水和導(dǎo)水的兩重性)，北與谷家臺(tái)單元相接[12]。礦區(qū)以F3斷裂為界，東與業(yè)家莊單元為鄰；西部以F4斷裂為界；南部邊界為塔子—石門(mén)官莊斷裂。汶河從礦區(qū)北部流過(guò)，距離礦區(qū)2 km，石河由南至北流經(jīng)礦區(qū)西部匯入汶河，為季節(jié)性河流。礦區(qū)內(nèi)地層自上而下有第四系、第三系、中奧陶系及燕山期閃長(zhǎng)巖。按巖石的導(dǎo)水性和富水程度，含水層分為第四系沖洪積砂礫層和中奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，隔水層為第三系紅砂巖和燕山期閃長(zhǎng)巖[12]。

2 礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)地表建筑物的影響

2.1 礦區(qū)三維地質(zhì)模型構(gòu)建

根據(jù)礦區(qū)的初始水位面及施工帷幕前的水位面，通過(guò)插值方法[6]得到的礦床涌水疏干前后的水位面分別如圖2、圖3所示。

由于東礦段距離村莊較遠(yuǎn)，本研究?jī)H分析西礦段的礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)地表村莊建筑物的影響。為簡(jiǎn)化模型，建模時(shí)僅考慮西礦段Ⅰ#礦帶的Ⅰ-2#礦體。為防止網(wǎng)格劃分過(guò)程中出現(xiàn)一些尖角，導(dǎo)致網(wǎng)格產(chǎn)生畸形，本研究統(tǒng)計(jì)鉆孔數(shù)據(jù)過(guò)程中，對(duì)于一些局部存在的地層數(shù)據(jù)不予統(tǒng)計(jì)，歸并至相鄰的地層中[5]。模型的物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1[7]，構(gòu)建的礦區(qū)三維地質(zhì)模型如圖4所示。

2.2 數(shù)值模擬分析

2.2.1 一期開(kāi)采

一期開(kāi)采礦床涌水疏干后，水位面開(kāi)始下降，土體進(jìn)行滲流固結(jié)，相應(yīng)的水壓分布、豎向位移分布分別如圖5、圖6所示。

圖2 2004年8月份丁家莊鐵礦基建初期的等水位線(xiàn)(單位：m)

圖3 2007年8月份丁家莊鐵礦帷幕完成前的等水位線(xiàn)(單位：m)

巖層密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強(qiáng)度/MPa黏土層243030.311.64013大理巖2740470.3414.94164閃長(zhǎng)巖2610630.2543.224122鐵礦石3600320.27104039充填體20005.60.300.7530.015

圖4 礦區(qū)三維地質(zhì)模型

圖5 一期開(kāi)采礦床涌水疏干后水壓分布

分析圖6可知：地表豎向位移由左至右逐漸減小，是由于“天窗”地段灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度一般較高，造成了上、下含水層產(chǎn)生互補(bǔ)的通道，當(dāng)上覆第四系或第三系較薄且地下水位急劇降低時(shí)，造成豎向位移較大，易形成地表塌陷，模型右側(cè)由于存在隔水層，致使豎向位移較小。

圖6 一期開(kāi)采礦床涌水疏干后地表豎向位移分布

地表6#、7#監(jiān)測(cè)斷面(圖7)的水平位移、豎向位移變化特征如圖8所示。

圖7 一期開(kāi)采礦床涌水疏干作業(yè)地表位移監(jiān)測(cè)斷面

分析圖8可知：地表水平位移在6#監(jiān)測(cè)斷面上呈現(xiàn)“拋物線(xiàn)”型變化，村莊覆蓋范圍(圖8(a)平距850～1 370 m)內(nèi)地表的最大水平位移值為13 mm，村莊覆蓋范圍(圖8(b)平距180～700 m)內(nèi)地表的最大豎向位移值為76 mm。

圖8 6#、7#監(jiān)測(cè)斷面地表位移變化曲線(xiàn)

2.2.2 二期開(kāi)采

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘探報(bào)告，村莊附近存在丁家莊斷裂，走向21°，傾向111°，傾角75°，為左行壓扭性逆斷層。斷層內(nèi)見(jiàn)擠壓破碎帶，地層沿走向不連續(xù)。由于三維建模的復(fù)雜性，本研究構(gòu)建的礦區(qū)三維地質(zhì)模型(圖4)未考慮斷層因素，而斷層的存在對(duì)地表變形特別是村莊所在區(qū)域的地表變形有顯著的影響。為此，本研究構(gòu)建了三維地質(zhì)模型來(lái)進(jìn)一步分析二期開(kāi)采礦床涌水疏干對(duì)地表村莊的影響。如圖9所示，“地表變形監(jiān)測(cè)斷面”所在位置即為地表村莊范圍。該斷面的水壓分布及豎向位移分布分別如圖10、圖11所示。

圖9 二期開(kāi)采礦床涌水疏干作業(yè)豎向位移監(jiān)測(cè)斷面

圖10 二期開(kāi)采礦床涌水疏干后水壓分布

圖11 二期開(kāi)采礦床涌水疏干后豎向位移分布

分析圖11可知：地表豎向位移在斷層位置出現(xiàn)突變，最大豎向位移(約為76 mm)出現(xiàn)于斷層右側(cè)。此外，水平位移在斷層兩側(cè)呈現(xiàn)近似“拋物線(xiàn)”型變化，最大值(約15 mm)也出現(xiàn)于斷層右側(cè)。

由于斷層的存在，導(dǎo)致村莊范圍內(nèi)(圖12)地表沉降差異較大。分析圖13、圖14可知：村莊范圍內(nèi)地表建筑物的最大傾斜值(4.2 mm/m)及地表水平變形最大值(1.8 mm/m)主要分布于斷層附近。

圖12 礦區(qū)地表村莊范圍

圖13 村莊范圍內(nèi)建筑物傾斜值分布

圖14 村莊范圍內(nèi)地表水平變形值分布

丁家莊礦區(qū)地表實(shí)測(cè)得出的村莊建筑物的最大傾斜值約為3.2 mm/m，最大水平變形值約為2.3 mm/m，可見(jiàn)，本研究數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)測(cè)值較接近，利用數(shù)值建模方法分析礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)地表沉降的影響可靠性較好。

根據(jù)《有色金屬采礦設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50771—2012)[13]對(duì)地表建筑物保護(hù)等級(jí)的劃分，礦區(qū)地表建筑物的保護(hù)等級(jí)屬于Ⅲ級(jí)，本研究數(shù)值模擬所得地表建筑物的最大水平位移值、最大傾斜值以及相應(yīng)的實(shí)測(cè)值均小于相應(yīng)的允許值(6，10 mm/m)，可見(jiàn)丁家莊礦區(qū)一期、二期開(kāi)采工程礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)于地表村莊建筑物的影響較小。

3 結(jié) 語(yǔ)

以丁家莊礦床為例，采用Midas-GTS軟件構(gòu)建了礦區(qū)三維地質(zhì)模型，詳細(xì)分析了一期、二期開(kāi)采工程礦床涌水疏干作業(yè)對(duì)地表變形的影響。研究表明：礦床開(kāi)采過(guò)程中采用頂板注漿堵水工藝對(duì)于地表村莊建筑物的影響較小。

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