滨海深部开采矿山水文地质环境调查与渗流场特征分析*

冀　东　徐　晨　李腾飞　魏嘉新　孙　玺

(①青岛市勘察测绘研究院　青岛　266032)

(②青岛岩土工程技术研究中心　青岛　266032)

(③北京科技大学土木与环境工程学院　北京　100083)



滨海深部开采矿山水文地质环境调查与渗流场特征分析*

冀东①②③徐晨①②李腾飞①②魏嘉新①②孙玺①②

(①青岛市勘察测绘研究院青岛266032)

(②青岛岩土工程技术研究中心青岛266032)

(③北京科技大学土木与环境工程学院北京100083)

山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿位于山东省莱州湾滨海地带，特殊地理位置使矿山采掘工程面临更为复杂的水文地质条件，大规模深部滨海开采存在涌、突水的安全隐患。在此背景下，考虑区域内发育断裂带的影响，对矿山的水文地质特征进行区域划分与评价；在矿区深部3个水平中段进行了节理裂隙现场调查，统计分析了上盘、矿体、下盘岩体的节理裂隙分布规律；基于裂隙几何参数量测与Monte-Carlo结构面随机模拟方法，计算并修正了深部工程岩体的渗透系数；借助FLAC3D数值计算手段，对矿区未来深部开采过程中渗流场的演化规律及影响范围进行了预测。研究对于保障复杂水文地质条件矿山深部开采活动的安全进行具有一定的指导与借鉴意义。

金属矿山滨海深部开采水文地质节理裂隙测量渗流场分析

0　引　言

矿井突水是因井巷、工作面与地表水体或含水的裂隙带、构造破碎带等接近或贯通而突然发生的出水事故(仵彦卿，1995；钱鸣高等，2000)。地下水大量涌入矿山坑道，会使施工复杂化和采矿成本增高，甚至威胁矿山工程和人身安全。地下岩体受采矿活动影响内部应力发生重新分布，岩体裂隙发育贯通产生破裂损伤，围岩渗透性发生改变进而诱发断裂带、顶板、底板突水甚至造成安全事故(陈红江等，2009；刘洪磊等，2010)。据统计，约60%的矿井事故与地下水作用有关，矿井突水已成为我国矿山生产过程中最具威胁的灾害之一(杨天鸿等，2007)。

三山岛金矿地质储量大，紧邻渤海，且矿区主要可采矿体均赋存于海底下部岩体中，矿区深部开采过程中面临涌、突水甚至海水溃入的潜在危险。系统研究深部滨海开采的安全性问题，尤其是明确矿区水文地质环境、岩体渗透特性与深部开采渗流场演化规律，在此基础上提出防治技术与安全对策，具有重要的现实意义。在此背景下，文章对三山岛金矿水文地质环境与渗流场分布特征做了系统的研究，为滨海深部开采活动的安全进行提供支持与保障(Ji et al.，2013)。

1　工程概况

三山岛金矿是山东黄金集团有限公司的主体矿山之一，其矿物开采的技术水平及机械化程度均已达到世界先进水平。矿山保有地质储量1025万吨，金金属量34.24t，矿床远景储量十分丰富。2006年经资源整合后，三山岛金矿下设直属、新立和平里店3个矿区。

三山岛金矿位于莱州湾滨海地带，其北、西两面濒临海，仅东南与陆地相连，矿体距海岸线的最近距离不足一百米，开采矿体全部位于海平面以下。第四系含水层储水丰富，且矿区内的裂隙含水带与断裂构造密切相关，属构造裂隙充水矿床。矿区经历3期工程建设和20多年的开采，目前浅部矿体开采已经基本结束，生产主要区段移至-500m以下，已经进入深部开采，采掘工程的深度超过了-690m。同时，北部探矿工程也已经进入海底区域。由于F3断层贯穿整个矿区并导通海底含水岩层，其较强的导水能力也对采场形成了较大威胁；修国林等(2011)的研究表明，目前矿坑总涌水量在14000m3·d-1左右，井下单点突水量有随开采深度增加而增大的趋势。由于矿山属于完全意义上的滨海和海底开采，如何在高强度开采条件下保障深部采矿活动的安全已经成为矿山迫切需要解决的首要问题。

2　矿区水文地质环境研究

矿区位于滨海南岸的海滨平原，由北部的海滨沙岗向南部的王河河滩缓慢倾斜，西北部有3个小三包。渤海在北，西和南面三面环绕矿区。区内断裂构造发育，主要有控矿断裂F1，矿体产状与F1基本一致，且主裂面位于距矿体1～10m处，且断裂两侧普遍存在一定范围的碎裂岩。F2断裂北部接海，南端被第四系覆盖，物探结果显示其为明显的低阻，说明其本身的导水性能好。F3断裂是区域性断裂，发育深度大，在-600m中段以下的仍发现有F3断裂发育，而且由于其充填性差，其对矿坑的涌水量有明显的影响作用。通过对研究区水文地质条件及构造条件分析，主要依据断层及地质界限为分界线，可将矿区的水文地质特征划分为5个区域进行研究(图1)，同时对区域内发育的断裂带F3及F1单独进行考虑。

图1　矿区水文地质特征区域示意图Fig.1　Schematic diagram of hydrogeology characteristics of Sanshandao gold mine

2.1Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ区

Ⅰ区主要分布在F2断裂以西，该区花岗岩广泛分布，NE向节理发育，而NW向少见，虽紧靠海岸，但是由于隔水层的阻隔作用并不能对矿区涌水量产生明显的影响。考虑到该区域靠近渤海，且F2断裂与F3断裂带存在相交的可能性，不宜直接把该区域处理成隔水岩体，而是把该区域岩体的渗透系数赋相对较小的值，适当考虑其对矿区涌水量的补给作用。

Ⅳ，Ⅴ区分布在F3断裂以南，裂隙不发育，坑道揭露无漏水现象，同样物探结果显示无大的含水通道发育的可能，虽然该区有地表河流——王河穿过，且Ⅴ区靠近海岸，但是由于缺少导水通道，可确定这两个分区地下水及海水很难实现对矿区的补给。

2.2Ⅱ区

主要分布在控矿断裂以西的破碎带内，北临渤海，东部与F1断层附近的含水带重叠，向内陆延伸有与区域断裂相交的趋势。物探及钻探结果显示在该区域的-600m处含水带依然存在。该含水带北部接受海水的补给，同时有少量的大气降雨成因的补给来源，水源补给充足。根据开采初期的统计数据显示，全矿区总涌水量中很大一部分主要来自该分区。

2.3Ⅲ区

分布在F1断层以东，主要覆盖花岗岩和变质岩，风化裂隙和构造裂隙发育。分区部分边界靠近大海，另一部分边界主要靠近陆地，受地形条件的限制，缺少侧向补给来源。该区主要通过海水及大气降水对矿区进行补给，考虑到F1上盘隔水带发育，其对矿区涌水量的影响主要可能通过F3断层与F1断层的相交区域。

2.4F3断层

F3断裂为横贯矿区的区域性大断裂三元—陈家大断裂的NW尾端，走向NW 300°～310°，倾向SW 80°～90°，与各岩脉巷近于直交，走向延伸远，北西端入海。断层带宽度上从西向东呈增大趋势，发育宽度为15～36m，平均25m。在-250m以上区域，F3断裂带随着深度的增加由3m增加为30m。在-300m以下区域，F3断裂带的宽度变窄，但至-600m水平仍明显存在。

F3断裂带规模较大，且构造活动导致破碎带内岩石普遍破碎严重，胶结程度差，断裂带内的地下水储量非常丰富，且具有较强的导水能力。地下水对断层泥和破碎带的长期浸泡使其力学性质变差。此外，因F3的切割错动，使F1的隔水性能在局部遭到破坏，所以成为沟通SE区域地下水的导水构造。虽西北端入海，但由于封闭条件并未大量导入海水。

2.5F1断层

其为纵贯矿区的控矿构造，走向NE40°，倾向SE35°～43°，两端被第四系覆盖。该断裂为多起构造活动的产物，成矿前形成韧性剪切带，控制了1号蚀变带和矿化，使矿体产状与其基本一致，而且其主裂面位于矿体顶部1～10m处，在断裂面两侧普遍存在约1～10m厚的碎裂岩带。根据钻探结果，在-600m标高以下区域内碎裂带仍存在。然而F1断层有一层3～20cm厚的断层泥，同时主裂面两侧还有一糜棱岩化带，厚度在10m左右，阻断了上盘裂隙水对矿坑的补给。故F1上盘的地下水很难进入矿坑，而且两端也不可能导入海水及区域地下水。

综上所述，三山岛金矿为构造裂隙充水为主的矿床，主要矿体位于当地侵蚀基准面以下；主要充水含水层富水性强，补给条件较好；构造破碎带发育，导水性好，矿床水文地质条复杂程度为中等-复杂。矿坑的主要充水来源为构造裂隙含水带，F1上盘裂隙含水带下部的F1断层泥和糜棱岩对该含水带内的地下水进入矿坑有很好的阻隔作用。F3断裂构造含水带，规模大，贮存有较为丰富的地下水，且具有较强的导水能力。F1下盘构造裂隙含水带NW向导水裂隙发育，北西端接受海水越流补给，海水沿多条导水构造进入矿坑，为矿坑充水的主要补给源。

3　深部矿岩节理裂隙调查分析

节理裂隙是受岩体中应力作用而形成的一种构造断裂结构面。节理裂隙一般无位移或位移很小，延长性及纵深发展都不明显，但数目众多且分布广泛。节理裂隙发育的形态、大小及数量，很大程度上影响矿体及其围岩的稳定性、破坏模式和破坏程度。作为一种构造行迹，节理裂隙可以反映出区域内主要构造的轮廓与构造活动特点。因此，对节理裂隙的调查、统计和分析具有非常重要的意义(李国庆等，2008；伍法权等，2014)。

3.1现场节理裂隙调查方法与测线布置原则

节理裂隙现场调查一般常采用测线测量法与窗口测量法。测线测量法通过在岩体揭露面上布设一定方向的测线，对与测线相交的岩体节理裂隙的位置、产状及特征进行观测，覆盖性较好。本次工作选择测线法对三山岛金矿深部岩体的节理裂隙进行调查，现场主要对调查区域内节理裂隙的产状、间距、延展性、充填物等特征进行调查统计。

在确定测线位置时，应遵循以下要求：每条测线应有足够的取样数，以确保测量结果的统计意义，一般不少于50条。每条测线的设置高度应在尽可能全面反映岩体揭露面整体情况的基础上，考虑现场实施的可行性，一般选取测线高度为1.2～1.6m；测线内地层岩性应尽可能单一，不跨越不同的构造单元，尽可能避开卸荷扰动带的影响范围。

图2　测线布置与节理裂隙现场测量Fig.2　Scanline arrangement and site measurement

3.2节理裂隙调查数据与分布规律

基于上述节理裂隙调查工作方法，共在矿区-690m～-600m中段内巷道、采场范围的围岩布设测线16条，总长318m，测得节理裂隙1066条。对裂隙的产状、规模、充填物特征、裂隙面形态特征及地下水情况进行了调查研究。借助节理裂隙产状玫瑰图，按照矿体、上盘、下盘以及不同中段对调查所获取的节理特征进行区分研究。其中下盘岩体节理裂隙产状分布图(图3)。

图3　下盘节理产状特征图Fig.3　Occurrence characteristics of footwall joint

分析统计数据和节理分布特征可以发现，上盘围岩受F1断层活动影响，节理较为发育，而矿体与下盘的围岩则相对较为完整。矿区深部岩体的节理裂隙倾角多呈40°～80°；多数巷道围岩的节理产状无显著的整体优势方位，分布较为分散。矿区深部岩体的倾向大多位于40°～80°、90°～140°、290°～340°之间的范围内。对比各中段的统计结果可知，随着开采深度的增大，岩体的节理裂隙有越密集发育的趋势；总体上来说，节理裂隙发育密度相差不明显，测线内岩体节理间距约为25～40cm。岩体的完整性由下盘、矿体、上盘依次递减；随着开采深度的不断加大，各中段岩体的节理发育越来越密集，岩体稳定性亦越差。

4　深部开采渗流场的数值模拟研究

4.1深部岩体渗透性能研究

对于含M组节理裂隙的岩体，假设节理裂隙无限延伸且内无充填物。获取节理裂隙宽度宽和间距、倾角α、倾向β，则在地理北极为坐标X轴，东极为Y轴的情况下可通过下述方法计算渗透系数张量(刘晓丽等，2008；张彦洪等，2009)。

定义第i组节理裂隙的渗透系数张量为：

(1)

式中，Kxxi=1-sin2αicos2βi；

Kxyi=Kyxi=-sin2αicosβisinβi；

Kzxi=Kxzi=-sinαicosαicosβi；

Kyyi=1-sin2αisin2βi；Kzzi=1-cos2αi；

αi表示倾角，βi表示倾向，bi为节理裂隙宽度，Si为节理裂隙间距，ρ为水密度，μ为水的动力黏滞系数。

对于含有M组节理裂隙的岩体渗透系数张量表达式为：

(2)

式中，αxi=cosβisinαi；αyi=sinαisinβi；αzi=cosαi；αi为第i组节理裂隙倾角，0≤αi≤360°；βi为第i组节理裂隙倾向(方位角)，0≤βi≤360°。

为了便于计算，在矿区渗流场数值模拟过程中将工程岩体划分为上盘、矿体、下盘3个模块，依据节理裂隙统计分析结果，借助式(1)-式(2)进行岩体的渗透系数计算，作为整个矿区的岩体渗透性能的基础数据。各岩体渗透系数计算结果(表1)。

表1　深部岩体渗透系数计算结果

Table 1　Calculation results of permeability coefficient for rock mass at deep position

岩类最大值/m·s-1最小值/m·s-1平均值/m·s-1上盘1.4418×10-61.3985×10-71.0545×10-6矿体1.1584×10-67.9246×10-89.3193×10-7下盘9.9510×10-78.0153×10-87.6546×10-7

4.2岩体渗透系数的修正

在基于几何量测法的渗透系数计算中，一般假定岩体不同方向裂隙组在裂隙网络交叉空间中是连接贯通的。实际上，岩体中的节理延伸范围有限，各组节理也并非相互交切。为此，于青春等(1992，2005)引入了连通率的概念，用以修正理想条件下计算出的渗透系数：

(3)

式中，k为修正后的渗透系数，k0为计算值，η为连通率。

图4　基于Monte-Carlo法的岩体结构面随机模拟图Fig.4　Simulation figure of rock mass discontinuity based on Monte-Carlo methoda.上盘；b.矿体；c.下盘

利用概率统计分析处理观测数据，以模拟方位、模拟区范围、结构面组数、各组结构面几何特征为输入参数，采用Monte-Carlo结构面随机模拟软件对三山岛金矿深部岩体的节理裂隙面特征进行随机模拟。模拟结果的节理裂隙连通情况(图4)，其中上盘岩体的连通率为86.57%，矿体连通率为89.31%，下盘岩体连通率为87.75%。根据式(2)计算修正后的岩体渗透系数：上盘渗透系数为9.1288×10-7m·s-1，矿体渗透系数为8.3227×10-7m·s-1，下盘渗透系数为6.7169×10-7m·s-1。

4.3未来深部开采过程中矿区渗流场分布特征

作为国内少有的滨海开采的大型金属矿山，三山岛金矿可借鉴的安全生产经验与案例较少；而海底矿产的开采相较陆上开采相比，将面临更严峻的矿山水文地质问题。在海水压力、岩体内部渗流场的共同作用下，深部开采扰动所引起的岩体移动变形规律、渗流场分布特征更为复杂(Kim et al.，1999)。裂隙扩展、断层活化可能对滨海开采带来涌水、突水甚至海水溃入的潜在危险。在矿山水文地质环境调查、节理裂隙现场测量与室内岩石力学试验的基础上，运用有限差分法数值软件FLAC3D模拟计算未来深部开采过程中岩体的渗流场分布特征，为深部采掘工程的设计施工、矿山水患防治提供一定的指导。

表2　数值模拟物理力学参数数值表

Table 2　Physico-mechanical parameters employed in simulation

位置密度/kg·m-3体积模量/GPa剪切模量/GPa泊松比凝聚力/MPa内摩擦角/(°)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa渗透系数/m·s-1上盘27063.372.80.2111.431.348.24.379.13×10-7下盘26355.483.450.2442.836.960.15.986.72×10-7断层19250.5950.3780.260.12818.420.60.01981.38×10-5矿体27102.511.350.1921.533.157.63.448.32×10-7充填体16100.3040.02450.170.26135.67.430.2124.78×10-6

根据三山岛金矿直属矿区未来深部开采的计划以及矿体赋存状况建立三维数值计算模型。模型在X(矿体走向方向)、Y(矿体厚度方向)、Z(铅垂方向)3个方向上的长度分别为：1100m、750m及950m，模型标高为-1255m～-305m；模型共划分为68680单元，77595节点(图5)。按矿床的工程地质条件概化后，模型大致可分为5个区：上盘岩体组、矿体组、下盘岩体组、断层组以及充填体组。矿区深部主要岩石的物理力学参数选取主要参考修国林等(2011)与冀东(2014)相关研究中的岩石力学试验结果，岩体和充填体的具体物理力学数值参数(表2)。模型的应力边界依据蔡美峰等(2013)研究中三山岛金矿直属矿区现场实测地应力的结果施加。设定模型力学边界条件为底部(z=0)为固定约束边界，顶部(z=950m)为应力边界，模型其余边界为单向边界；渗流场计算边界为渗透自由边界。为了更接近三山岛金矿深部开采的过程，采用分步开挖的方式进行矿山深部开采的模拟。数值计算自标高-555m至标高-1005m的深部开采过程，每45m开挖一次，共分10步进行开挖。

图5　三山岛金矿深部开采数值计算模型Fig.5　Numerical calculation model for deep mining in Sanshandao gold mine

通过模拟计算，得到了三山岛金矿未来深部开采过程中渗流场分布特征。提取开挖至第十步(标高-1005m)时，矿区整体的孔隙水压力分布图(图6)。模拟计算结果显示，矿区孔隙水压力变化范围主要集中在矿体开挖区域：随矿体的不断开采，沿开挖体形成了良好的渗透通道。由于受F3断层导水带的影响，沿矿体走向方向靠近该断层的孔隙水压变化梯度较大，形成了高渗透水压力。伴随着深部高应力区岩体的开挖卸荷作用，岩体裂隙不断发育，其渗透特性发生变化；较高渗透系数的充填体代替原有矿体后，将进一步扩大渗流应力耦合作用的影响深度和范围。

图6　开采至-1005m时矿区孔隙水压力云图Fig.6　Nephogram for pore water pressure when mining to-1005m depth

由于开采卸荷作用及地下水的不断侵蚀，岩石裂隙不断发育，采场区域内岩体渗流场影响范围伴随着矿体的开采不断扩大。当模拟开采第十步时，渗流场的变化范围已经扩展至F3断层附近区域。由此分析可知，未来三山岛金矿千米深度以下开采过程中，采场围岩在开挖卸荷、高渗透水压及地下水作用下有形成新导水通道的可能，这将对采场稳定性产生更为显著的影响。

5　结　论

针对三山岛金矿深部滨海开采特殊的工程环境，围绕矿山突水灾害防治这一问题，详细调查了矿区的水文地质环境；通过矿坑岩体节理面测量与结构面统计，依据几何量测法计算了深部岩体的渗透系数；在现场调研与室内岩石力学试验结果的基础上，借助FLAC3D数值计算手段，对矿区未来深部开采过程中渗流场的影响范围进行了预测。研究取得的主要结论如下：

(1)三山岛金矿床属水文地质条件中等-复杂的裂隙充水矿床。矿坑充水的主要补给源包括海水、基岩卤水与第四系孔隙潜水。矿区未来高强度的滨海深部开采过程中可能面临矿坑涌、突水甚至海水溃入的潜在危险。

(2)矿区-600m中段、-645m中段、-690m中段3个水平的矿体、上盘及下盘围岩的节理裂隙测量与统计结果表明：岩体的完整性由下盘、矿体、上盘依次递减；随着开采深度的不断加大，各中段岩体的节理发育越来越密集，岩体稳定性亦越差。

(3)在节理裂隙调查统计分析的基础上，采用裂隙几何量测计算与Monte-Carlo结构面随机模拟修正的方法确定了矿区深部岩体的平均渗透系数：上盘9.1288×10-7m·s-1，矿体8.3227×10-7m·s-1，下盘6.7169×10-7m·s-1，为深部开采渗流场的数值模拟提供了可靠的计算参数。

(4)未来三山岛金矿千米深度以下开采过程中，采场围岩在开挖卸荷、高渗透水压作用下有形成新导水通道的可能，这将对采场稳定性产生更为显著的影响。井巷开拓、回采工程的设计与施工应充分考虑地下水的渗流因素。

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HYDROGEOLOGY INVESTIGATION AND CHARACTERISTICS ANALYSIS OF SEEPAGE FIELD FOR COASTAL MINE IN DEEP EXPLOITATION

JI Dong①②③XU Chen①②LI Tengfei①②WEI Jiaxin①②SUN Xi①②

(①Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao266032)

(②Geotechnical Engineering Technology Center of Qingdao，Qingdao266032)

(③School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083)

Sanshandao gold mine is located in coastal zone of Lai-Zhou Bay of Shandong Province.It is one of the main mines of Shandong(Laizhou) Gold Group Co.，Ltd.Owing to its special geographical location and complex hydrogeological conditions，large-scale mining engineering is confronted with water-bursting hidden danger.Based on this background，hydrogeological characteristics of the gold mine is regionally divided and evaluated through consideration of fault influence.Joint fracture survey work for 3 levels，where located in deep position of mine area，is implemented.In addition，joints distribution laws of hanging wall，orebody and footwall are studied.Permeability coefficient of deep rock is calculated and reasonably modified on basis of geometry parameters measurement and Monte-Carlo method.With the help of FLAC3Dnumerical calculation means，evolution characteristics and influence scope of seepage field during future deep mining process are forecasted.Achieved results can provide certain guiding significance to safety ensuring projects of deep exploitation mine under complex hydrogeological conditions．

Metal mine，Deep mining near coast，Hydrogeology，Joint fracture measurement，Analysis of seepage fields

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.025

2015-07-15;

2015-11-05.

“十二五”国家科技支撑计划课题(No.2012BAB08B01)，国家自然科学基金项目(No.51034001)，河北省自然科学基金(No.E2013403032)资助.

冀东(1987-)，男，博士，工程师，主要从事岩石力学与工程、岩土工程勘察技术研究工作.Email: qdkcyjd@163.com

P641.4

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