崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究

2018-07-27曾文旭程爱平许梦国张玉山

金属矿山 2018年7期

王平曾文旭程爱平许梦国张玉山

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉430081）

强降雨期间塌陷坑内汇集的雨水通过上覆崩落体和围岩裂隙通道向采场入渗，渗流水导致碎石间的摩擦系数下降从而使其接触力降低，增加了突水通道形成的可能性；雨水或碎屑物质还可能在采场上方的较大缝隙或空区内滞留，使局部压力增大，同时在重力的共同作用下形成突水通道的可能性极高。例如程潮铁矿使用无底柱分段崩落法开采多年来，在地表形成约93.4 hm2的塌陷区，在强降雨时共引发过4次大规模井下突水突泥事故，水裹挟大量泥土和矿岩碎屑从采场进路涌出，不仅使大量巷道和生产设备毁坏，还造成人员伤亡，给矿山造成巨大损失。

许多学者对井下突水突泥进行了相关研究，水从源头到达井下引发突水突泥是一个复杂的过程。文献［1—2］研究了具体矿山突水灾害的形成机理，认为井下突水的形成需要具备流动通道和充足的水源这2个必要条件；文献［3—4］通过数值模拟和相似实验研究了由上覆崩落体导致采场突水突泥时关键部位的突变过程；文献［5］进行了地表黄土层降雨入渗机理研究；文献［6］建立了崩落法矿山井下采场突水突泥形成影响因素的指标体系。

综上所述，对于降水在上覆崩落体中渗流的研究还较少，本研究结合松散矿岩的渗流特性及无底柱分段崩落法矿山采场突水机理，构建数值计算模型，分析不同工况下上覆崩落体中渗流速度和压力分布状况，研究降水在上覆崩落体中的入渗规律，对于预测和预防采场突水突泥具有重要意义。

1 入渗突水机制

上覆岩层的崩落方式有自然崩落或通过人工爆破崩落，崩落过程中形成的岩块块度较大，随着井下后续的开采和出矿，崩落范围越来越大，崩落范围内的岩块也逐渐下降，致使上覆崩落体得以充分松散，可以将其看成是一种具有较强透水性的多孔介质。流体在上覆崩落体内渗流，具有流速快、雷诺数高等特点，流体在其中不仅要受到渗透压力和孔隙水压力的作用，还需要考虑黏性流体的剪切应力作用，这是以黏性力为主导、适合渗流速度较慢的Darcy定律所无法描述的［7］。Darcy方程描述的是牛顿流体在某种多孔介质中渗流，渗流速度与水势梯度正相关的渗流基本定律，该方法适应于地下水在含水层中的渗流计算；Navier-Stokes方程是不可压缩黏性流体基于牛顿第二定律的表达式，它是在动能、势能和静压能平衡同时考虑流体在重力、压力和黏性阻力作用下的运动规律，该方程适用于管道内流体的计算。Darcy方程和Navier-Stokes方程显然不适合上覆崩落体内的渗流计算。H C Brinkman在Darcy方程的基础上考虑Navier-Stokes方程中的黏性流体剪切应力项，提出了Brinkman方程，此方程是基于牛顿第二定律，描述了在剪切应力和渗透压力作用下快速渗流体的运动规律，对流体在矿岩松散体内的渗流提供了较好的表达［8］。本研究将采用此方程来描述上覆崩落体内的渗流。

Darcy定律是对饱和砂土中渗流流速和压力之间线性关系的描述，通过饱和砂的渗流实验得出：

式中，V为流体流速，m/s；μ为动黏系数，Pa·s；K为渗透率，m2；p为流体压力，Pa；Z为位置高度，m；ρ为流体密度，kg/m3；∇p为广义压力，Pa。

根据牛顿第二定律，流体微元所受重力与压力之和等于其加速度和质量之乘积，这是对欧拉方程的描述，Navier-Stokes方程是在欧拉方程的基础上考虑了黏性力，式（2）为Navier-Stokes方程：

在Darcy方程的基础上考虑Navier-Stokes方程中的黏性剪切应力项，其中压力∇p为压力项和重力项合并后的广义压力，得到Brinkman方程：

针对岩体破碎带，文献［9］中对断层活化导水进行模拟后发现发生突水时断层导水性明显增强，文献［10］引入渗透率突跳系数概念，认为渗流模型中单元破坏后渗透系数在原来的基础上会增大若干倍；文献［11］中对峰后破碎岩石采用立方定律和strain partition技术建立渗流—体应变关系方程和数值模型，该模型能够定量描述峰后破碎岩石渗透性的急剧增大，即破碎岩石散体的突水也符合渗透率突跳系数的概念。这里将引用渗透率突跳系数概念，用渗透率急剧增大来模拟大突水通道的形成。

2 入渗突水物理模型

根据无底柱分段崩落法采场结构及上覆崩落体形态，简化后建立如图1所示的降雨入渗及突水模型，程潮铁矿塌陷坑内黄土层长时间受塌陷扰动和雨水冲刷，不仅严重流失而且存在许多裂隙通道，所以该模型忽略黄土层的存在；模型主要由上覆崩落体和崩落法采场进路巷道构成，其中分段高度取8 m，采场进路巷道高度取3 m；上覆崩落体整体下移时，不同粒径散体的移动速度不一致，细小颗粒相对粗大颗粒移动速度较快，发生上覆岩层的自然分级现象［12］，其中在矿体上方并与矿体接触的覆盖岩层一般由人工爆破放顶形成，它的主要作用是崩矿时形成挤压爆破条件和对冒落围岩起到缓冲，覆盖岩层的形成方式和整个上覆崩落体的分级现象使这一区域相对上覆围岩自然崩落区域具有散体块度小和较密实的特点，同时渗透率也相对较小，模型中将上覆崩落体划分为覆盖岩层区域和自然崩落区域，覆盖岩层的厚度取约等于2个分段高度。

图1中水从上边界入口开始向上覆崩落体内入渗，在采场流出进入回采巷道或流向下一分层。模拟中不考虑两侧其他水源对研究区域的影响，边界为滑移属性的隔水边界，与流体间不存在黏滞效应。

3 入渗及突水模拟

COMSOL Multiphysics系统也称用FEMLAB系统，是以有限元为基础，通过求解偏微分方程或偏微分方程组来实现对科学和工程领域的各种物理过程的模拟。构建计算模型，运用COMSOL Multiphysics系统中自由和多孔介质流动模块，对场变量不随时间变化的稳态渗流及突水进行模拟。

3.1 计算模型及模拟过程

根据图1所示的物理模型，在COMSOL数值软件中建立上覆崩落体渗流及突水计算模型（图2）。模型长×高约等于80 m×100 m，顶部边界为进水边界。模拟时入口根据不同工况可以设置为压力边界条件和流量边界条件，雨水在静水压力和重力的驱动下从地表塌陷坑开始依据Brinkman渗流方程向上覆崩落体内入渗，出口为自由边界，其压力值设为0 Pa，位于模型下方，分别对应回采巷道和下个分层。

程潮铁矿矿区某天降雨强度达到63.7 mm，塌陷区降雨入渗当量速度（单位面积的入渗水量）为1.63×10-6m/s，根据参数反演法得到程潮铁矿上覆崩落体的平均渗透系数为8.03×10-4m/s（即平均渗透率为1.07×10-10m2），自然崩落区和覆盖岩层区渗透率根据不同孔隙率来选取，具体参数见表1所示［13］。假设流体的密度和黏度都是常数；水流从采场出口流出后在回采进路内自由流动；模型中流体在各区域边界两侧的压力和流速相等，即流速和压力保持连续性。

首先模拟发生突水前降雨入渗阶段，入口设置为恒定流量边界，保持流速当量为1.63×10-6m/s，在此模型入口相当于约3.74 kPa的静水压力，研究突水前上覆崩落体内渗流流速和压力分布情况；第二步假设覆盖岩层之上的自然崩落岩体中存在不规则空隙，黏性流体容易在其中滞留使压力增大，在出矿和重力作用下从采场爆堆涌出，形成突水大通道，所以把覆盖岩层上界面到出口这部分区域定为突水通道的形成区域，引用渗透率突跳系数概念，将此区域的渗透率提高10倍，来模拟突水通道形成后阶段，入口边界条件分别保持恒定流量和恒定水压，分别研究采场发生突水后入渗流量不变时和保持初始水压不变时渗流场流速和压力的分布状况。

3.2 结果分析

模拟结果如图3～图6所示，图3和图4分别是工况一中流体在上覆崩落体内的流速和压力分布云图，图5和图6分别是地表塌陷坑到井下采场（沿图3中折线A-B-C）的流速和压力分布曲线。其中工况一是突水之前降雨入渗模拟，入口保持流量恒定；工况二表示入口边界条件依旧为流量恒定时的突水工况；工况三表示维持入口边界条件为恒定水压时的突水工况。

从图5中可以看出，工况一中渗流场流速在接近出口时发生大幅度变化，工况二、三中在突水通道区域开始发生大幅度变化，在出口方向上呈指数型增长，在此之前速度保持小幅度增长；工况一中流速突变之前平均值约为2×10-6m/s，出口处平均流速约1.5×10-5m/s，这是由于渗流面积总体缩小造成的；渗流压力表现为自然崩落区域卸压较慢，而靠近出口的卸压速度快速提高，这是由于渗流场下半区域的渗透率较上半部分低，对上半区域流体的卸压起到阻碍作用，而靠近出口时由于流体速度极大提高，使压力得以迅速释放。

工况二中采场上方突水通道打开后，保持入口边界补给水量不变，入口边界水压从3.74 kPa降到了2.3 kPa；渗流速度和工况一相比，突水通道打开使流速增速加大，在采场出口处平均流速达到2.5×10-5m/s，这表明采场上方突水通道打开之后会起到大幅度的卸压作用，流速也会极大提高，渗流场中流向突水采场的水量会增大。

工况三渗流场入口为恒定压力的边界条件，突水通道打开之后，对自然崩落区域的渗流失去阻碍作用，而且此时流体已获得较快的速度，使上半区域流体压力得以迅速释放（如图6）；渗流速度变化和工况二相似，但每个阶段都明显增大，出口处流速最高达到6×10-5m/s，约是工况一的4倍；这说明当突水水源保持恒定高水压力时，一旦发生突水灾害后所产生的破坏力也越大。

4 矿山记录数据对比

程潮铁矿2001年进行强含水带疏干作业之后，地下水对矿山开采的影响很微弱，矿区在2005年之前平均年降雨量1 218.73 mm，4—7月雨季时日降雨量30～216.6 mm，矿区地形特点有利于周边地表径流向陷落区汇集，大气降雨和地表径流沿陷落区或移动区进入地下是开采期间最主要的充水因素。2005年时统计近几年井下雨季平均涌水量，其中西区平均涌水量4 000 m3/d，当时西区在-307.5 m和-325 m水平同时采矿，2个分层共有约120个回采巷道，计算得单个回采巷道日平均涌水流量约33.3 m3/d；工况一为日降雨强度达到63.7 mm时上覆崩落体内雨水入渗模拟，采场渗流出口处平均流速约1.5×10-5m/s，掌子面爆堆竖直投影面积约13.35 m2，计算得单个回采巷道涌水量为17.3 m3/d。

模拟结果与实际数据有一定偏差，主要是源于模型尺寸、边界条件、参数分布等与现场存在差别，另外也没有考虑崩落塌陷区之外的围岩裂隙渗流。虽然有不可避免的误差存在，但模拟结果与实际记录数据在同一数量等级，模拟计算得到的渗流流速和压力变化规律与实际情况符合，今后可以考虑更多条件，建立更完善的立体模型进行模拟。