濱海礦山深部開采水壓—水溫—圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)與突水機(jī)理

王 軍 劉景軍 王延平

(1.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東 淄博 255049;2.山東建勘集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 251000)

遭受高地應(yīng)力、高溫、開采擾動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境影響,海底礦產(chǎn)的開采比陸地開采更加復(fù)雜[1-2]。突水是常見的地下礦井災(zāi)害,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,60%的礦山事故是突水造成[3]。為保證地下礦山安全運(yùn)行,開展地下突水機(jī)理研究非常重要。

三山島金礦是我國(guó)第一個(gè)進(jìn)行海底開采的濱海礦山,由于海底開采環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性,必需開發(fā)安全保障技術(shù)為海下礦山的安全生產(chǎn)提供支持。李術(shù)才等[4]認(rèn)為地下突水具有高水壓、多類型、流量大等特征,突變演化規(guī)律復(fù)雜;劉煥新等[5]提出近海深部開采存在高滲透壓及海水潰入的風(fēng)險(xiǎn),由此帶來(lái)海底開采區(qū)域滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)耦合下巖體力學(xué)性質(zhì)的改變等;張慶艷等[6]研究發(fā)現(xiàn)滲透壓越大、初始孔隙率越大,顆粒流失量越快,突水特征越明顯;顏丙乾等[7]利用MCMC的貝葉斯方法,對(duì)濱海礦山水源進(jìn)行判別,提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率;Bin Yang等[8]提出對(duì)水壓、滲流速度及水量變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),是預(yù)測(cè)突水事故的有效方法。

本研究利用自行研制的多功能無(wú)線遙測(cè)水壓、水溫、圍巖應(yīng)力一體計(jì),對(duì)三山島金礦西山礦區(qū)深部F3斷層破碎帶進(jìn)行實(shí)時(shí)水壓—水溫—圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè),采用FLAC3D分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,分析濱海深部地下礦山斷層帶突水機(jī)理,為預(yù)防斷層破裂帶區(qū)域突水災(zāi)害的發(fā)生提供參考。

1 設(shè)備安裝運(yùn)行

為探明三山島金礦西山礦區(qū)不同中段的水壓和采動(dòng)應(yīng)力,在礦區(qū)富水量大的-765、-780、-825、-855和-870 m等垂直深度105 m范圍內(nèi)5個(gè)不同水平中段安裝多功能無(wú)線遙測(cè)水壓—水溫—應(yīng)力計(jì)[9]。-765、-780m水平的斷層帶附近設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn),分別在F3斷層帶中間和斷層帶兩側(cè)20～30 m的位置,-825、-855和-870 m水平?jīng)]有穿過(guò)斷層,在靠近掘進(jìn)面的沿脈巷巖壁布置測(cè)點(diǎn),其中-825 m水平布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),-855m水平布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)、-870m水平布置3個(gè)測(cè)點(diǎn),儀器安裝好之后,進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

儀器構(gòu)造如圖1。儀器安裝完畢之后,插好用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)存卡,安裝探頭(如圖2),接通儀器供電電源,儀器即可開始工作。當(dāng)孔內(nèi)的水充滿巖孔或覆蓋儀器前端的壓力陶瓷傳感器,儀器即可采集到孔內(nèi)的水壓、水溫和采動(dòng)應(yīng)力信息;在弧形巷道和巷道轉(zhuǎn)彎處,安裝信號(hào)中繼站,保證信號(hào)繼續(xù)向前傳輸,直到將信號(hào)傳輸?shù)降V下有工業(yè)以太網(wǎng)接口的基柜附近或者4G無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域,再傳輸?shù)降孛婵刂剖?實(shí)現(xiàn)在地面控制室實(shí)時(shí)觀測(cè)礦下數(shù)據(jù)的效果。

圖1 水壓—水溫—應(yīng)力計(jì)探頭Fig.1 Probe of hydraulic pressure-temperature-stress

圖2 探頭安裝Fig.2 Probe installing

2 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及分析

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了35 d連續(xù)監(jiān)測(cè),獲得數(shù)據(jù)如下。

2.1 采動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力數(shù)據(jù)

各監(jiān)測(cè)中段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的采動(dòng)應(yīng)力變化情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)圍巖應(yīng)力變化Fig.3 Change of surround rock stress

監(jiān)測(cè)表明,35 d期間5個(gè)水平中段的圍巖應(yīng)力變化相似;最大應(yīng)力值5.5 MPa,出現(xiàn)在-780 m水平中段斷層帶。隨著開采區(qū)域與監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離的逐漸增大,擾動(dòng)引發(fā)的干擾逐漸降低,圍巖應(yīng)力趨向減小。

2.2 水溫?cái)?shù)據(jù)與分析

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水溫變化情況如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水溫變化Fig.4 Change of water temperature

分析數(shù)據(jù)表明,每個(gè)測(cè)點(diǎn)的水溫大體恒定,水溫波動(dòng)幅度較小;開采的深度增加,水溫相應(yīng)提高。對(duì)每個(gè)中段儀器測(cè)得的安裝環(huán)境的水溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析,求得每個(gè)水平的平均溫度,經(jīng)匯總分析發(fā)現(xiàn),水溫隨深度的增加不斷升高,在-765、-780、-825、-855、-870 m水平的平均溫度分別為30.3、31.3、35.3、40.5 和 41℃。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),沿F3斷層,垂直深度增加105 m,水溫升高10.7℃左右。

對(duì)每個(gè)中段的數(shù)據(jù)分析,距離斷層越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn),其水溫相對(duì)越高,距離斷層越近的測(cè)點(diǎn),水溫相對(duì)較低。原因是西山礦區(qū)的水是遠(yuǎn)處的海水通過(guò)結(jié)構(gòu)松散、透水性能較好的F3斷層向下滲流,流至深部之后,經(jīng)過(guò)地?zé)峒訜?水在對(duì)流頂托作用下向上流動(dòng)到礦坑,水是從下部沿著斷層向上、向兩側(cè)運(yùn)移的,同時(shí)接受上部地表海水和第四系水補(bǔ)給,在斷層帶中向下滲透時(shí),起到了一定的降溫作用,導(dǎo)致斷層內(nèi)的水溫迅速下降,而斷層周邊的降溫效果不明顯[10]。

2.3 水壓分析

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水壓變化情況如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓變化Fig.5 Change of hydraulic pressure

分析發(fā)現(xiàn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)水壓變化規(guī)律相似,先增大,后逐步減小,然后趨于平穩(wěn)。在開采擾動(dòng)和有壓水源的耦合作用下,巖體中產(chǎn)生應(yīng)力集中,造成大量裂隙生成;巖體中原有裂隙在開采擾動(dòng)下卸壓失穩(wěn),而后產(chǎn)生受拉導(dǎo)致開裂;部分裂隙在外界壓力作用下變小,直至閉合,產(chǎn)生裂隙重分布[11]。孔隙中原來(lái)的積水?dāng)U散,導(dǎo)入到新生的裂隙網(wǎng)絡(luò),孔隙水壓逐漸減小,經(jīng)外來(lái)水源的補(bǔ)給,孔內(nèi)水與附近巖體中的水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,水壓恢復(fù)穩(wěn)定[12]。

3 斷裂帶突水機(jī)理數(shù)值模擬

3.1 深部斷裂破碎帶突水理論模型

地下水富存于孔隙和裂隙中并在其中緩慢流動(dòng),流動(dòng)時(shí)的阻力主要是流體的粘滯阻力,流速和壓力梯度滿足線性達(dá)西定律[13]:

式中,η為流體流速,m/s;k為滲透率,m2;μ為動(dòng)力黏度,Pa·s;p為流體壓力,Pa;Z為高度,m;ρ為流體密度,kg/m3;g為重力加速度,9.81 m/s2。

斷層破碎帶中,水滲流時(shí)滿足非達(dá)西Forchhrimer流場(chǎng),滲流呈現(xiàn)非線性特征[15]。

式中,下標(biāo)NS表示Navier-Stokes流場(chǎng)。

3.2 數(shù)值模擬

利用水壓—水溫—圍巖應(yīng)力計(jì)獲得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用FLAC3D軟件對(duì)F3斷層破碎帶突水機(jī)理數(shù)值模擬,模型尺寸為66 m×40 m×40 m(長(zhǎng)×寬×高),巷道是由4 m×4 m的正方形并在其上有一個(gè)直徑4 m的半圓,網(wǎng)格數(shù)49 720,其中,斷層厚度為6 m,貫穿整個(gè)模型,與模型巷道軸線垂直,斷層兩側(cè)巖體各30 m(如圖6)。設(shè)置水壓邊界為5 MPa,分12步開挖,穿過(guò)斷層,直到開挖貫通。模型力學(xué)參數(shù)如表1。

圖6 數(shù)值計(jì)算模型Fig.6 Numerical calculation model

表1 模型力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanics parameter of model

各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力回歸方程(地應(yīng)力場(chǎng)模型):

式中,σh,max為水平最大主應(yīng)力、σh,min為水平最小主應(yīng)力、σv為垂直主應(yīng)力,MPa;H為深度,m。

3.3 模擬結(jié)果分析

巷道開挖過(guò)程引起附近圍巖的屈服破壞,從而在巷道周邊產(chǎn)生彈塑性區(qū),塑性區(qū)的范圍受到巖體質(zhì)量的影響,正常圍巖段塑性區(qū)Y=12 m處與斷層破碎帶塑性區(qū)Y=33 m處模擬結(jié)果如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)完整巖體段由于自身巖體質(zhì)量好,隨巷道的開挖僅在巷道周邊較近位置產(chǎn)生了很小的塑性區(qū)范圍,而斷層破碎帶區(qū)域塑性區(qū)很大,面積約為350 m2,斷層附近的塑性區(qū)以巷道頂部和底板位置最為明顯,頂部多產(chǎn)生剪切破壞,兩幫位置和底板位置主要為拉剪破壞。

圖7 塑性區(qū)分布Fig.7 Plastic zone distribution

頂板5 m孔隙水壓力隨開挖工作的推進(jìn)變化見圖8,水壓呈現(xiàn)先平穩(wěn),然后微弱上升,再急劇減小,然后再快速回升,后微弱減小,最終趨向平穩(wěn)的復(fù)雜變化。孔隙水壓力急劇減小區(qū)段發(fā)生在斷層破碎帶斷面。由于距斷層帶較遠(yuǎn)處的巖體較為完整,透水結(jié)構(gòu)較少,內(nèi)部含有的孔隙水和裂隙水的水壓受開采影響較小。在開采過(guò)程中,距離斷層較遠(yuǎn)的完整巖體水壓表現(xiàn)為平穩(wěn)趨勢(shì),當(dāng)開挖逐漸靠近斷層帶時(shí),受開采擾動(dòng),巖體的節(jié)理裂隙縮小閉合,其內(nèi)部的孔隙水和裂隙水被擠壓,因此在斷層帶兩側(cè)位置水壓有微弱上升,出現(xiàn)2個(gè)水壓峰值;在斷層帶內(nèi),由于巖體破碎、滲透系數(shù)大、透水性強(qiáng),受開采擾動(dòng)影響,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)迅速遭到破壞,裂隙急劇開展,開采活動(dòng)挖掘到與斷裂帶內(nèi)的節(jié)理裂隙有較好聯(lián)通的臨空面時(shí),導(dǎo)通巖體內(nèi)的導(dǎo)水路徑,水迅速流出,水壓急劇減小;繼續(xù)開挖,斷層帶逐漸被開挖完畢,巖體完整性逐漸恢復(fù),隔水性逐漸增強(qiáng),水壓出現(xiàn)微弱回升,在斷層帶附近的完整巖體水壓再次達(dá)到峰值,隨著開挖距離越來(lái)越遠(yuǎn),巖體完整性趨于穩(wěn)固,受開挖擾動(dòng)減小,水壓趨于穩(wěn)定。

圖8 水壓變化Fig.8 Change of hydraulic pressure

從巷道周圍地下水滲流場(chǎng)流動(dòng)矢量分布圖9可以看出,巷道開挖時(shí),地下水即開始向巷道內(nèi)流動(dòng),滲流主要發(fā)生在巷道的頂?shù)装搴偷装鍍山翘?這與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果基本吻合。

圖9 Y=33 m處滲流場(chǎng)矢量分布Fig.9 Vector distribution of seepage at Y=33 m

巷道開挖過(guò)程的圍巖應(yīng)力變化云圖見圖10。

由圖10可知,隨著巷道的開挖靠近掌子面,監(jiān)測(cè)點(diǎn)起初產(chǎn)生較小的應(yīng)力變化,而當(dāng)開挖至監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)處X-X、Z-Z向應(yīng)力產(chǎn)生急劇變化,開挖對(duì)斷層帶應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了擾動(dòng),形成應(yīng)力重分布。

圖10 破碎帶應(yīng)力云圖Fig.10 Stress cloud of crushed zone

4 結(jié) 論

(1)隨著開采深度的增大,水壓增大,水溫升高;垂深增加105 m,溫度提高約10.7℃;距離斷層越遠(yuǎn),水壓減小,水溫升高。

(2)圍巖應(yīng)力與水壓的變化規(guī)律一致,初期在一定時(shí)間內(nèi)減小,最后趨于穩(wěn)定,斷層區(qū)圍巖應(yīng)力受到開采擾動(dòng)明顯增大。

(3)斷層帶附近的塑性區(qū)以巷道頂部和底板位置最為明顯,頂部以剪切破壞為主,兩幫和底板以拉剪破壞為主,滲流主要發(fā)生在巷道的頂板和底板兩角處。