某富水礦床疏干引發地表固結沉降模擬分析

張苗苗

(馬鋼(集團)控股有限公司姑山礦業公司， 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，礦床疏干時將引發地下水位下降，導致含水層孔隙水壓力下降，土體骨架間的有效應力增加，必然使得含水層或土層壓縮，這種現象就是礦山第四系地層的固結沉降。

隨著計算機技術的發展和數值模擬技術的進步，多孔介質流固耦合問題多通過水土模型進行求解，其基本思路是首先研究分析疏排水條件下礦區各含水層的地下水流場，得出含水層組中的水頭變化，并假設各土層的總應力不變，根據有效應力原理，土層孔隙水壓力的減小等于相應土層有效應力的增加，含水層和黏土層間的水量交換通過越流補給量來處理，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未來疏干條件下的地下水流場研究成果，將第四系含水層組中的水頭變化，轉換成土體有限應力的增加量，然后利用Abaqus軟件，基于Terzaghi有效應力原理計算有效應力的變化，確定各土層的變形量，模擬分析礦區第四系的地層的固結沉降[1-3]。

1 第四系水文地質條件及疏干時的水位變化

1.1 第四系水文地質條件

根據地質報告，第四系含水層包含2個弱富水和2個強富水層，各層由上自下分述如下：

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

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

(3) 第四系全新統粘土、粉質粘土孔隙弱富水巖組(Q43al)，平均厚度15.63 m，為相對隔水層，它將下部的砂礫卵石層和上部的砂層分隔，南部缺失地段，細砂層和砂礫卵石層兩個強富水巖組水力聯系密切；

(4) 第四系全新統砂礫卵石孔隙強富水巖組(Q42al+pl)；層位穩定，主要分布在礦區南部，平均厚度為5.87 m，滲透系數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

礦區第四系地層結構及各含水層滲透性能不同，導致礦區北部、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：本地段第四系結構如圖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，在礦坑未來排水條件下，區段粉細砂層形成了一個以礦坑為中心的水位降幅有限的小型漏斗。

圖1 礦區北部第四系地層結構

(2) 礦床中部：本段第四系結構如圖2所示，本地段地層分布較齊，在礦坑未來排水條件下，因粘土或亞粘土的阻隔，上部粉細砂同樣形成了一個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，本地段將呈現上下2個水位降落漏斗。

圖2 礦區中部第四系地層結構

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

圖3 礦區南部第四系地層結構

2 Abaqus數值模擬分析

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程，在求解高度非線性問題方面的能力十分優異，對巖土工程具有較強的適用性[4-6]。

2.1 假設條件

(1) 地下水位以下土體為飽和狀態，同一層土均質且各向同性；

(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符合達西定律；

(4) 假設第四系地層固結沉降過程中，其滲透系數、壓縮系數等參數為常數。

2.2 數值模型

根據礦區第四系地層結構條件和水文地質條件，分別在礦區北部、中部和南部選擇3條剖面，建立礦區不同位置的數值沉降模擬模型，研究分析礦區各區域不同水位下降條件下的地層固結沉降情況，故選擇剖面由北向南依次為：9線、2線和12線。

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

(2) 土層物理力學參數。在本次研究中，土層的壓縮系數、孔隙比、滲透系數等土力學參數主要參考《勘探地質報告》，每一土層視為一個整體，其土體參數在垂向上不變(見表1)。

表1 鐘九鐵礦第四系土力學參數

(3) 網格劃分。網格劃分采用平面應變孔壓單元類型(CPE4P)，4結點二次縮減積分四邊形網格，結構化網格劃分。垂向上將模型劃分為4層，如圖4所示。

圖4模型網格劃分

(4) 分析步。模擬分析中假設礦坑未來疏干水位達到平衡后，形成固定的浸潤線，此時與礦區原始地下水位相比產生的應力變化即為附加荷載，計算分為2步，第一步為初始應力平衡，定義初始應力狀態，Geostatic步完成初始應力平衡狀態；第二步為施加附加荷載，分析計算礦區第四系地下水位下降后的第四系沉降量。

2.3 數值模擬結果分析

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

(1) 礦區北部(以9線為代表)，該區域第四系含水層主要通過越流補給下部含水層，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，基本對稱，地表最大沉降量26.54 cm；

(2) 礦區中部(以2線為代表)，該區域地下水下降呈現兩部分，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，因此模擬結果顯示礦區中部地表沉降西部大于東部，地表最大沉降量35.97 cm；

(3) 礦區南部(以12線為代表)，該區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巖，其對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線地表沉降模擬結果

圖6 2線地表沉降模擬結果

圖7 12線地表沉降模擬結果

綜上所述，第四系地表沉降與其地層結構有關，未來疏干條件下第四系最大固結沉降將發生在南部區域。礦區南部12線區域平均沉降量為48.09 cm，東西方向上的傾斜變形量i=1.1 mm/m。根據《采礦手冊·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，故礦區地表近似于均勻沉降，不會因此造成地表民房結構開裂。

3 結 論

通過對礦區未來疏干條件下，礦區不同區域第四系含水層地下水流場變化分析，利用流固耦合多孔介質模型，分析了礦區北部、中部和南部在礦坑未來疏排水條件下的第四系地層的固結沉降趨勢。通過Abaqus軟件模擬計算，礦區最大傾斜變形量i=1.1 mm/m<3 mm/m。根據《采礦手冊·第1卷》，未來疏干排水條件下，礦區地表的固結沉降發展趨勢以均勻沉降為主，不會因此造成地表民房結構開裂。