開采擾動下小灣溝鐵礦滲流穩定性數值模擬分析研究

＊朱生青

（通化鋼鐵集團大栗子礦業有限責任公司 吉林 134600）

隨著經濟技術的發展，礦產資源需求增加，這一趨勢已經成為當今全球經濟體系的一個顯著特征[1-2]。礦產資源，如煤炭、石油、金屬礦物和稀土元素，一直以來都是現代社會不可或缺的重要元素，在建設、制造、能源生產以及高科技行業中發揮著不可或缺的作用[3]。為滿足不斷增長的需求，礦產資源的開采方式也在不斷演變，其中一個顯著的變化是從露天開采向地下開采的轉變[4]。然而，地下開采也伴隨著一系列挑戰，其中在地下開采過程中可能產生的涌水、片幫、冒頂火災等事故影響極為重大[5]。因此，針對具有涌水風險的礦山，開展井下開采滲流穩定性分析對保障礦山安全生產具有十分重要的實際意義。隨著計算機技術的飛速發展，對滲流穩定性分析也取得了許多進展[6-7]。其中，張宇[8]利用ABAQUS基于強度折減法更準確高效的獲取尾礦庫的穩定安全系數；杜志錦[9]基于Geo-studio軟件，構建尾礦庫數值分析模型，并對其穩定性進行計算分析；周磊[10]基于強度折減法，利用COMSOL Multiphysics數值模擬軟件建立露天邊坡在滲流作用下的有限元模型，為露天邊坡治理與防護提供了參考意見；劉豪[11]依據滲流連續性方程和達西定律，利用FEFLOW建立三維非穩定的流數學模型，模擬開采條件下的地下水流場并預測礦坑涌水量；宋霽洪[12]利用FLAC3D對三圣鐵礦井下開采擾動影響進行滲流特性分析，為井下安全開采提供參考意見。本文以小灣溝鐵礦為研究背景，利用FLAC3D進行滲流穩定性分析，對井下開采采場涌水風險進行模擬分析，為礦山地下礦體安全回采提供支撐。

1.礦床開采技術條件

小灣溝鐵礦礦區位于長白山系龍崗山脈東北部的南支脈，主體山脈走向以北北東～北東向為主，支脈走向東南，為海拔600～700m的低山切割地區，相對高差209m左右，區內最高海拔593.6m，最低侵蝕基準面標高408m，區內主礦體（1-1、18-1）分布標高449～48m。本區地下水補給來源是大氣降水，而降水大部分沿山坡以地表徑流的形式排泄到地表河流，只有部分下滲補給基巖風化裂隙水。基巖裂隙水以地下徑流形式排泄于山間溝谷，局部地形有利地段以泉水形式排泄。第四系砂、礫石水補給來源為大氣降水和裂隙的徑流補給。此地下水與河水為互補關系。雨季多集中在7月、8月份，年平均降雨量600～800mm。礦區內的地表水主要為松花江水系支流蛟河支流西南岔河，位于設計圈定的巖移界線20m外，由西向東流經本區東部，常年有水，雨季流量1860L/s。設計圈定巖移范圍內礦區內有暴雨時形成的一條小沖溝，大雨、暴雨時雨水匯集至沖溝，然后流入西南岔河中。沖溝地勢相對較低，且位于采區中部，受采動影響較大。礦山設計中將275m標高以上礦體留作地表保安礦柱，對破碎帶兩側按10m留設隔離保安礦柱；對西南岔河按I級保護留設防水保安礦柱，設計中將275m標高以上礦體不予回采，防水柱厚度為110m，并按照河床邊界外推20m，按側翼70°留設。地表水體及防水保安礦柱留設，如圖1所示。前期研究發現通過設置保安礦柱和優化回采方案，地表是穩定的，但礦坑涌水風險影響重大，直接威脅井下人員和設備安全。因此，有必要開展小灣溝鐵礦井下開采滲流穩定性分析研究，以論證開采過程中的滲流特征和涌水風險，保障礦山安全生產。

圖1 計算模型圖

2.開采擾動下的滲流規律模擬分析

(1)邊界條件概化

①外邊界條件。當研究范圍的邊界存在隔水層或地下水分水嶺時，該邊界視為隔水邊界，即零流量邊界。若研究范圍邊界距離核心區域足夠遠，則核心區域的滲流場擾動擴散至邊界處，從而避免對邊界處的滲流條件產生影響，則此時研究范圍的邊界可視為已知水頭邊界。②內邊界條件。根據地質資料可知，本次模擬區域內巖體裂隙、巖溶基本不發育。綜合礦山水文地質情況，選擇的含水層為研究區域內地表以下35m范圍，隔水層為研究區域地表以下35m至所建滲流計算網格模型的底部，并以隔水層為分界劃分透水層和不透水層，其中隔水層頂板之上為透水層（滲透系數為1×10-7m/s），隔水層頂板之下為不透水層。考慮到實際情況和數值模擬分析的特點，需考慮不利條件，因此本次模擬分析將隔水頂板以下的礦體設置為透水層，并設置較低的滲透系數（1×10-10m/s）。根據擋水溝壩體標高，確定本次模擬的水頭標高為+420m，其中將頂部邊界設置為潛水面邊界，進行河流與地下水的水量交換。同時確定初始孔隙水壓力為水位面到隔水層范圍內的各單元孔隙水壓力。滲流計算模型如圖1所示。

(2)應力條件設置

涉及到的應力條件包括地應力特征和礦體、圍巖的物理力學參數，本次滲流計算應力條件假定如下：①由于礦體埋深較淺，只考慮自重，地應力采用自重應力；②礦體、圍巖力學參數參照巖石物理力學參數表，通過折減后確定，結果如表1所示。

表1 巖石物理力學參數

(3)滲流模擬結果分析

根據礦山礦體賦存特征以及實際開采順序，礦體開采順序為下行式開采，開挖順序分四步（對應四個中段）依次進行，分析不同開采工況下潛在的采場涌水問題。

①初始滲流結果分析

模型初始孔隙水壓力分布特征，如圖2所示。由圖2可知：在地表河流和沖溝分布及匯集區域，從水頭標高至隔水層頂板的范圍內分布有初始孔隙水壓力。研究結果表明：受地表水以及地表水與地下水交換的影響，該范圍內保安礦柱存在潛在充水可能。

圖2 初始孔隙水壓力分布

②各中段礦體開采模擬結果

在245m中段、215m中段、185m中段和155m中段礦體開采條件下的采場孔隙水壓力分布特征如圖3～圖6所示。由圖可知：各中段回采時井下各采場孔隙水壓力均為0，基本無充水，表明井下采場基本不受地表河流和沖溝滲流的影響，基本沒有涌水風險。

圖3 245m中段開采采場孔隙水壓力分布

圖4 215m中段開采采場孔隙水壓力分布

圖5 185m中段開采采場孔隙水壓力分布

圖6 155m中段開采采場孔隙水壓力分布

綜上，對比分析初始滲流場和各中段開采過程中的采場孔隙水壓力分布結果可知，從+420m高程至隔水層頂板之上的范圍內分布有一定的初始孔隙水壓力，表明該區域存在充水現象。如不采取措施，后續礦體開采時，可能會引起由于地表水和地下水交換引起的涌水風險。通過留設防水礦柱，在開采245～155m中段礦體時，井下采場孔隙水壓力均為0，無涌水風險。因此，為避免采場涌水，設計留設頂部防水礦柱是非常必要的。考慮到井下開采過程中擾動傳播以及礦山巖體工程地質力學特性的復雜性，裂隙發育和擴展并可能貫通，尤其是在雨季生產，會增加涌水風險的可能。因此，在開采過程中仍有必要加強滲流監測，以更好的保障井下礦體安全高效回采。

3.結論

本文利用FLAC3D軟件建立了小灣溝鐵礦滲流網格模型，并開展了井下各中段開采的滲流計算模擬，對預留礦柱的防水安全性、采場涌水風險進行了分析，主要結論如下：（1）+420m高程至隔水層頂板之上的范圍內分布有一定的初始孔隙水壓力，存在充水現象，預留防水保安礦柱后，各中段礦體開采后各采場孔隙水壓力均為0，地表水未進入下部采場，基本沒有潛在涌水風險，留設防水保安礦柱是十分必要的措施。（2）鑒于礦山井下涌水風險對井下安全生產影響重大，雖然通過留設防水保安礦柱可以保障井下各中段開采過程中無潛在涌水風險，但是仍有必要加強滲流和涌水風險監測，從而更好的保障礦山安全生產。