某富水矿床疏干引发地表固结沉降模拟分析

张苗苗

(马钢(集团)控股有限公司姑山矿业公司， 安徽 马鞍山市 243184)

某矿床埋藏深度-50～-500 m，上覆地层为第四系含水层，矿床疏干时将引发地下水位下降，导致含水层孔隙水压力下降，土体骨架间的有效应力增加，必然使得含水层或土层压缩，这种现象就是矿山第四系地层的固结沉降。

随着计算机技术的发展和数值模拟技术的进步，多孔介质流固耦合问题多通过水土模型进行求解，其基本思路是首先研究分析疏排水条件下矿区各含水层的地下水流场，得出含水层组中的水头变化，并假设各土层的总应力不变，根据有效应力原理，土层孔隙水压力的减小等于相应土层有效应力的增加，含水层和黏土层间的水量交换通过越流补给量来处理，从而确定各土层的变形量，所有各层的变形量之和即为土层的沉降量，本次沉降模拟利用矿区未来疏干条件下的地下水流场研究成果，将第四系含水层组中的水头变化，转换成土体有限应力的增加量，然后利用Abaqus软件，基于Terzaghi有效应力原理计算有效应力的变化，确定各土层的变形量，模拟分析矿区第四系的地层的固结沉降[1-3]。

1 第四系水文地质条件及疏干时的水位变化

1.1 第四系水文地质条件

根据地质报告，第四系含水层包含2个弱富水和2个强富水层，各层由上自下分述如下：

(1) 第四系全新统粘土、粉质粘土与粉细砂互层孔隙弱富水岩组(Q45al)，垂直渗透系数k=0.017～0.03 m/d，水平渗透系数k=0.121～0.56 m/d,为相对的隔水层；

(2) 第四系全新统粉细砂孔隙强富水岩组(Q44al)，平均厚度19.96 m，渗透系数k=18.994 m/d，为强含水层；

(3) 第四系全新统粘土、粉质粘土孔隙弱富水岩组(Q43al)，平均厚度15.63 m，为相对隔水层，它将下部的砂砾卵石层和上部的砂层分隔，南部缺失地段，细砂层和砂砾卵石层两个强富水岩组水力联系密切；

(4) 第四系全新统砂砾卵石孔隙强富水岩组(Q42al+pl)；层位稳定，主要分布在矿区南部，平均厚度为5.87 m，渗透系数k=71.5058 m/d，含水极丰富，为主要含水层。

1.2 疏干条件下第四系含水层水位变化分析

矿区第四系地层结构及各含水层渗透性能不同，导致矿区北部、中部和南部第四系水位下降幅度不同，具体分述如下：

(1) 矿床北部：本地段第四系结构如图1所示，本段第四系含水层缺失砂卵石，因粘土或亚粘土的阻隔作用，在矿坑未来排水条件下，区段粉细砂层形成了一个以矿坑为中心的水位降幅有限的小型漏斗。

图1 矿区北部第四系地层结构

(2) 矿床中部：本段第四系结构如图2所示，本地段地层分布较齐，在矿坑未来排水条件下，因粘土或亚粘土的阻隔，上部粉细砂同样形成了一个以矿坑为中心的水位降幅有限的小型漏斗，而下部砂卵石层与基岩水位同步下降，本地段将呈现上下2个水位降落漏斗。

图2 矿区中部第四系地层结构

(3) 矿区南部：本段第四系结构如图3所示，本地段粘土或亚粘土缺失，粉细砂与砂卵石直接接触，在矿坑未来排水条件下，第四系含水层与基岩含水层形成了一个含水整体，剖面线中心水位将下降至第四系底板。

图3 矿区南部第四系地层结构

2 Abaqus数值模拟分析

Abaqus是世界上最著名的非线性有限元分析软件之一，包含十分丰富的单元模式、材料模型以及分析过程，在求解高度非线性问题方面的能力十分优异，对岩土工程具有较强的适用性[4-6]。

2.1 假设条件

(1) 地下水位以下土体为饱和状态，同一层土均质且各向同性；

(2) 地下水为不可压缩体，土体的压缩是由孔隙体积的减小引起；

(3) 第四系含水层地下水的渗流流动符合达西定律；

(4) 假设第四系地层固结沉降过程中，其渗透系数、压缩系数等参数为常数。

2.2 数值模型

根据矿区第四系地层结构条件和水文地质条件，分别在矿区北部、中部和南部选择3条剖面，建立矿区不同位置的数值沉降模拟模型，研究分析矿区各区域不同水位下降条件下的地层固结沉降情况，故选择剖面由北向南依次为：9线、2线和12线。

(1) 边界条件。对于一维垂向沉降模型，其顶面是地表，为自由面，可上下发生位移，底面是砂卵石的底扳，假定不发生位移，模型左右边界只发生垂向沉降，不发生水平位移。根据矿区水文地质资料，矿区第四系地下水位在标高5 m左右，故初始第四系水位取标高5 m。

(2) 土层物理力学参数。在本次研究中，土层的压缩系数、孔隙比、渗透系数等土力学参数主要参考《勘探地质报告》，每一土层视为一个整体，其土体参数在垂向上不变(见表1)。

表1 钟九铁矿第四系土力学参数

(3) 网格划分。网格划分采用平面应变孔压单元类型(CPE4P)，4结点二次缩减积分四边形网格，结构化网格划分。垂向上将模型划分为4层，如图4所示。

图4模型网格划分

(4) 分析步。模拟分析中假设矿坑未来疏干水位达到平衡后，形成固定的浸润线，此时与矿区原始地下水位相比产生的应力变化即为附加荷载，计算分为2步，第一步为初始应力平衡，定义初始应力状态，Geostatic步完成初始应力平衡状态；第二步为施加附加荷载，分析计算矿区第四系地下水位下降后的第四系沉降量。

2.3 数值模拟结果分析

矿区自北向南的9线、2线和12线，在矿区未来第四系水位下降后的地表沉降模拟结果如图5～图7所示，具体分述如下：

(1) 矿区北部(以9线为代表)，该区域第四系含水层主要通过越流补给下部含水层，整体水位下降有限，其沉降与第四系地下水降落漏斗形状相似，基本对称，地表最大沉降量26.54 cm；

(2) 矿区中部(以2线为代表)，该区域地下水下降呈现两部分，因此其孔隙水压力的降低量为两者之和，且由于局部粘土与亚粘土地层(Q43al)的缺失(如2B线的ZK2B3、ZK2B4、ZK2B5孔)，使得西部水位下降量大于东部，因此模拟结果显示矿区中部地表沉降西部大于东部，地表最大沉降量35.97 cm；

(3) 矿区南部(以12线为代表)，该区域粘土与亚粘土地层(Q43al)缺失，第四系含水层地下水位与基岩水位同步下降，地下水位下降至第四系底板，且勘探线中部东部下伏地层为灰岩，其对第四系地下水的影响大于西部的砂岩地层，因此东部的沉降略大于西部，地表最大沉降量为60.92 cm。

图59线地表沉降模拟结果

图6 2线地表沉降模拟结果

图7 12线地表沉降模拟结果

综上所述，第四系地表沉降与其地层结构有关，未来疏干条件下第四系最大固结沉降将发生在南部区域。矿区南部12线区域平均沉降量为48.09 cm，东西方向上的倾斜变形量i=1.1 mm/m。根据《采矿手册·第1卷》一般砖石建筑物的倾斜临界变形值为4 mm/m；井筒、井架等Ⅰ类建筑物的倾斜临界变形值为3 mm/m，故矿区地表近似于均匀沉降，不会因此造成地表民房结构开裂。

3 结 论

通过对矿区未来疏干条件下，矿区不同区域第四系含水层地下水流场变化分析，利用流固耦合多孔介质模型，分析了矿区北部、中部和南部在矿坑未来疏排水条件下的第四系地层的固结沉降趋势。通过Abaqus软件模拟计算，矿区最大倾斜变形量i=1.1 mm/m<3 mm/m。根据《采矿手册·第1卷》，未来疏干排水条件下，矿区地表的固结沉降发展趋势以均匀沉降为主，不会因此造成地表民房结构开裂。