中关铁矿堵水帷幕模型的建立及其稳定性分析

夏 冬 常 宏

(1. 华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山063009;2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山063009;3. 河北钢铁集团沙河中关铁矿有限公司，河北，沙河054100)

随着经济的快速发展，国家对矿产资源的需求量越来越大，而易于开采的资源已开采殆尽，为实现采矿业的可持续发展，对水文地质条件复杂的矿产资源的开采已陆续展开［1］。为保护地下水资源，合理开发矿产资源，帷幕注浆是减少渗流量行之有效的方法。帷幕注浆技术在大红山铁矿［2］、水口山铅锌矿［3］、冬瓜山铜矿［4］、吴庄铁矿［5］、莱新铁矿［6］、济钢张马屯铁矿［7-8］、中关铁矿［9-10］等矿山中得到了应用，并取得了良好的隔水作用。

注浆堵水帷幕施工完成后，可有效地减少地下水向矿区的涌入量，起到堵截地下水的作用，但在井巷施工及矿体开采的过程中，需对堵水帷幕内的围岩进行疏干排水，随着疏干排水的进行，势必会在堵水帷幕内外形成一定的水力梯度，进而在帷幕内外形成一定的水压差，这将对堵水帷幕的稳定性产生很大的不利影响。因此，注浆堵水帷幕的长期稳定性和堵水的有效性成为影响水文地质条件复杂的大水矿山能否正常开采的关键因素。目前，国内外许多学者对注浆堵水帷幕浆料配比、施工工艺、施工质量以及防渗效果等方面开展了大量的研究工作，但关于帷幕内围岩疏干排水对堵水帷幕稳定性产生不良影响方面的研究成果则相对较少。为此，本研究结合中关铁矿注浆堵水帷幕工程，在矿区水文地质、工程地质和钻孔资料分析的基础上，建立了堵水帷幕区域的三维地质模型、三维数字化模型和三维力学计算模型，并应用COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件，分析了疏干排水对堵水帷幕的影响范围和影响程度，划分出应力扰动严重区和明显区，对注浆堵水帷幕的稳定性做出了初步评价，为矿山建设和帷幕稳定性监测系统的建立提供了基础数据。

1 模型建立

1.1 三维模型建立

中关铁矿位于河北省沙河市白塔镇中关村境内，为水文地质条件特别复杂、涌水量大的大水矿山。为减少矿山开采过程中的排水量，采用注浆堵水帷幕的方式堵截地下水。根据矿山的工程地质、水文地质和钻孔数据资料，建立矿区的三维地质模型和三维数字化模型。由于受有限元网格划分和计算机性能的限制，需将地质模型进行必要的简化，简化后模型的长、宽、高分别为2 500、2 000、850 m，其中Y 轴正方向所指为正北方向。最终得到的三维地质模型、三维数字化模型和三维力学计算模型分别如图1、图2 和图3所示。

图1 三维地质模型Fig.1 Three-dimensional geological model

图2 堵水帷幕三维数字化模型Fig.2 Three-dimensional digital model of plugging curtain

图3 三维力学模型(单位:m)Fig.3 Three-dimensional mechanical model

1.2 模型边界条件设置

为了能够模拟疏干排水对注浆堵水帷幕稳定性的影响，计算时将三维力学模型分为2 种工况:一是在地下水自然流动的情况下，假设注浆堵水帷幕完全防水，对帷幕内外的初始应力分布情况进行分析;二是在初始应力分析的基础上，对帷幕内进行疏干排水，并对疏干排水引起的应力重分布进行分析。重力场作用下的边界条件可设定为:X 和Y 方向的位移预设为0，顶面设定为自由面，底面设定为固定面。渗流场作用下的边界条件设定为:东、西侧边界的定水头分别为－100 m 和－80 m，南、北侧边界为零通量，模型顶面的压力为0，底面设为不透水面。

1.3 岩体物理力学参数

帷幕施工完成后，假设疏干排水没有对帷幕外围岩体产生影响，同时假设地下水不会对帷幕体的强度产生弱化作用，则可通过室内岩石物理力学试验，结合现场岩体宏观调查分析确定帷幕外围岩体及帷幕体的物理力学参数，计算模型中帷幕及帷幕外围岩体采用的物理力学参数如表1 所示。

表1 岩体物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

2 模拟结果及分析

2.1 初始应力场分析

在三维力学模型的基础上，根据上述确定的岩体物理力学参数，采用COMSOL Multiphysics 多物理场分析软件对初始应力场进行计算。计算后的应力分布如图4 所示。

图4 初始条件下Von Mises 应力分布Fig.4 Von Mises stress distribution under initial condition

从图4可以看出:在初始应力场条件下，帷幕内外的应力基本呈层状分布，并且随着垂直深度的增加应力呈逐渐递增趋势，且帷幕外应力增加值大于帷幕内的应力增加值。随着深度的增加，在堵水帷幕与围岩接触区域应力集中现象趋于明显。在－170 m 和－230 m 2 个水平截面之间，帷幕内外两侧的压力差比较大，这是因为这2 个位置对应于奥陶系中统石灰岩，且奥陶系中统石灰岩的富水性和透水性均高于其周围岩体，这使得其对水压分布的影响也较为明显。在帷幕的终端处，帷幕与其内侧接触的围岩处出现了高应力集中区，帷幕内外的应力差值约为5.0 MPa，产生这种现象的原因可以从地质情况得到解释，此处灰岩与闪长岩分为上下2 层，由于灰岩为强透水层而闪长岩为隔水层，同时由于注浆帷幕体的刚度与其接触的围岩刚度的差异较大，所以在该处形成了高应力集中区。

2.2 疏干排水后帷幕稳定性分析

在进行矿体开采之前，需对帷幕内围岩进行疏干排水。当帷幕内水位下降到－170 m 和－230 m 水平时，帷幕内外产生0.9 ～1.3 MPa 的水压差，由于水压差的存在，从而使得帷幕体上产生附加作用力。根据矿体开采范围与注浆堵水帷幕的相对位置关系，选取典型的观察线剖面进行应力分析，选取的观察线位置如图5 所示。

图5 剖切线位置Fig.5 Slice line position graph

其中Ⅰ线和Ⅱ线的剖切面均为矿体开采范围与注浆堵水帷幕相对较近的位置。帷幕内围岩疏干排水后Ⅰ线剖面和Ⅱ线剖面的Von Mises 应力分布和应力分布曲线如图6 和图7 所示。

图6 水压影响下Ⅰ线Von Mises 应力分布Fig.6 Von Mises stress distribution of lineⅠby hydraulic pressure

由图6 和图7 可以看出，疏干排水后在堵水帷幕上和堵水帷幕与围岩的接触区域均产生了明显的应力集中现象。由图6 可以看出，当帷幕内水位下降到－170 m 和－230 m 水平时，在Ⅰ线剖面西南侧的帷幕内外分别形成了2.8 MPa 和3.0 MPa 的应力差，Ⅰ线剖面与西南侧帷幕体接触区域产生的应力集中现象较其与东北侧帷幕接触区域产生的应力集中现象更为明显，这是因为堵水帷幕施工前，矿区西部和西南部的来水，都经中关铁矿向东部和东北部汇集于凤凰山降落漏斗区，并经人工开采方式排泄于地表，堵水帷幕施工完成后，由于西部和西南部的来水在矿区处的流动受到堵水帷幕的拦截作用，使得堵水帷幕西侧和西南侧的水头高于东侧和东北侧。由图7 可以看出，当帷幕内水位下降到－170 m 和－230 m 水平时，在Ⅱ线剖面西侧的帷幕内外分别形成2.8 MPa 和3.0 MPa 的应力差，Ⅱ线剖面与帷幕体西侧接触区域产生的应力集中现象较东侧更为明显，这是因为矿体西侧的开采边界距堵水帷幕的距离大约只有50 m，且堵水帷幕西侧的水位高于东侧。通过上述分析可知，疏干排水后，Ⅰ线剖面与西南侧堵水帷幕接触区域及Ⅱ线剖面与西侧堵水帷幕接触区域的内外应力差及应力集中程度均较其他部位明显。因此，应在Ⅰ线剖面与南侧堵水帷幕的交界处及Ⅱ线剖面与西侧堵水帷幕交界处增加水位监测孔，加强这2 处堵水帷幕内外水位动态变化情况的监测，评估疏干排水过程中堵水帷幕的稳定性。

图7 水压影响下Ⅱ线Von Mises 应力分布Fig.7 Von Mises stress distribution of line Ⅱby hydraulic pressure

3 结 论

(1)在初始应力场条件下，堵水帷幕内外的应力基本呈层状分布，随着深度的增加应力呈逐渐递增趋势，且帷幕外应力增加值大于帷幕内的应力增加值;随着深度的增加，在堵水帷幕与围岩接触区域应力集中现象趋于明显;在帷幕的终端处，帷幕与其内侧接触的围岩处形成高应力集中区。

(2)疏干排水对帷幕内外应力差及帷幕与围岩接触区域的应力集中程度均具有较大影响，帷幕内水位下降到－170 m 和－230 m 水平时，在帷幕内外产生0.9 ～1.3 MPa 的水压差;疏干排水后，Ⅰ线剖面与西南侧堵水帷幕接触区域及Ⅱ线剖面与西侧堵水帷幕接触区域的内外应力差及应力集中程度均较其他部位明显。

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