開采擾動下三圣鐵礦滲流特性及涌水風險分析

宋霽洪，于燈凱，孫 洋，馮文賀

(1.通化鋼鐵集團大栗子礦業(yè)有限責任公司； 2.吉林鴻邦冶金設計研究院有限公司)

引 言

20世紀70年代以來，由于“三下”開采逐漸造成地表產(chǎn)生大的移動和破壞。隨著新理論、新技術、新方法及計算機技術的發(fā)展，對礦體開采對地表穩(wěn)定性影響的研究取得了許多進展[1-4]，特別是在河流下方的礦體開采對地表穩(wěn)定性及滲流的影響研究方面[5-6]。地下采空區(qū)上方巖體形成導水裂隙帶，水體沿裂隙擴展方向向采空區(qū)及主要工程內(nèi)滲透，使得礦體圍巖的穩(wěn)定性減弱，可能導致圍巖冒落并引發(fā)礦井水災，嚴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，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，礦山設計中設置防水礦柱高度為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、河水補給和基巖風化裂隙潛水含水層，其中資源儲量分布標高560～825 m，出露地表。

為探究頭道羊岔河對三圣鐵礦地下開采滲流穩(wěn)定性影響，基于礦山水文地質概念模型，利用Flac3D軟件進行礦區(qū)滲流模型構建，并分析河道水體滲流對礦區(qū)開采的影響。

1 礦山水文地質條件

三圣鐵礦充水主要來自大氣降水、河水補給和基巖風化裂隙潛水含水層。其中，標高560～825 m部分礦體出露地表，受大氣降水、基巖風化裂隙水和河水多重補給，基巖風化裂隙水水量較小，大氣降水直接入滲補給地下水，所以雨季時節(jié)應加強河水監(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，為相對隔水層，因此基巖風化裂隙水對礦床充水影響較小。

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，河床底面標高755 m，岸坡標高756 m，洪水水位標高756 m。開采礦體在地下形成采空區(qū)，形成冒落帶、裂隙帶和整體移動帶。其中，冒落帶和裂隙帶可形成充水水源進入礦坑的通道，礦山設計中設置防水礦柱高度為40 m，715 m標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)驗計算結果評估，地表水將不會影響地下開采活動。鑒于礦坑潛在涌水風險對安全生產(chǎn)影響重大，有必要針對設計預留防水礦柱的防水安全性進行深入研究和論證，即在經(jīng)驗分析的基礎上，補充開展數(shù)值計算論證工作。

2 水文地質概念模型

在三維地質模型基礎上，結合礦區(qū)氣象、水文、地層巖性、水文地質、地下水補徑排特征等研究成果，構建礦區(qū)三維水文地質結構模型和概念模型。

圖1 開采礦體和預留防水礦柱示意圖

1)研究范圍。選擇研究范圍時需注意邊界效應的影響，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?；谏鲜鲈瓌t，在選擇研究范圍時，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，以盡可能降低研究區(qū)域滲流擾動對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，當研究范圍足夠大時，其側面邊界可視為定水頭邊界，這樣邊界條件的確定及數(shù)學描述和方程求解都會相對容易[10]。但如果研究范圍過大，工程關注的采場、礦柱、井巷等在模型中難以準確刻畫。建模時需要縮小模擬范圍，此時模擬區(qū)的側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；隔水層頂板以上設置為透水層，隔水層頂板以下設置為不透水層；按不利條件考慮隔水頂板以下礦體仍為透水層，設置較低的滲透系數(shù)。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 數(shù)值計算模型建立

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計算同時進行，也可以單獨進行，即流固耦合計算。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)值計算模型(如圖2所示)。根據(jù)設計的開采方案，礦體分為4個中段進行開采，為保證地表河流不影響地下開采活動，在地表河流兩側外擴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 計算模型概況

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

表1 巖體力學參數(shù)

3.2 滲流模型建立

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

圖3 滲流計算模型概況

1)河水水位按照洪水水位756 m標高計算，水位面以下至隔水層頂板范圍內(nèi)，按照靜水壓力自動計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(風化層厚度)作為隔水層頂板。

3)隔水層頂板以上設置為透水層(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，設置較低的滲透系數(shù)(1×10-10m/s)。

4)地應力采用自重應力、水平應力按自重應力系數(shù)計算。

5)礦體、圍巖力學參數(shù)參照力學計算模型選取。

4 礦體開采滲流影響分析

4.1 初始條件計算

礦區(qū)自重應力場分布結果如圖4所示，自重應力大小及梯度變化規(guī)律符合一般認識。

圖4 初始自重應力場

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，頂部預留礦柱的孔隙水壓力模擬結果清晰地反映了頂部715 m高程之上的預留礦柱受地下水充水影響，為避免礦坑涌水，設計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 滲流計算結果及分析

礦體從上至下分4個中段依次開采，重點關注715 m至740 m中段礦體開采時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，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受到河流水位滲流的影響，不會引起礦坑涌水風險。

圖8 其余中段開采后的孔隙水壓力分布

5 結 論

本文基于Flac3D軟件，建立水文地質結構模型和概念模型，分析了預留礦柱的防水安全性、礦坑涌水風險，取得如下結論：

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

2)從4個中段回采后的孔隙水壓力分布結果看，下部采場開采后孔隙水壓力為0，地下水未進入下部采場，潛在涌水風險較小。