开采扰动下三圣铁矿渗流特性及涌水风险分析

2022-12-06宋霁洪于灯凯冯文贺

黄金 2022年11期

宋霁洪，于灯凯，孙洋，冯文贺

(1.通化钢铁集团大栗子矿业有限责任公司； 2.吉林鸿邦冶金设计研究院有限公司)

引言

20世纪70年代以来，由于“三下”开采逐渐造成地表产生大的移动和破坏。随着新理论、新技术、新方法及计算机技术的发展，对矿体开采对地表稳定性影响的研究取得了许多进展[1-4]，特别是在河流下方的矿体开采对地表稳定性及渗流的影响研究方面[5-6]。地下采空区上方岩体形成导水裂隙带，水体沿裂隙扩展方向向采空区及主要工程内渗透，使得矿体围岩的稳定性减弱，可能导致围岩冒落并引发矿井水灾，严重影响矿山开采的安全[7-9]。

吉林省白山市江源区三圣铁矿(下称“三圣铁矿”)位于长白山系龙岗山脉中段南侧，地势北高南低，区内河流属浑江水系，矿区内支流有头道羊岔河、二道羊岔河，均汇集浑江后流入鸭绿江，于丹东附近流入黄海。其中，头道羊岔河位于矿体的正上方，矿山设计中设置防水矿柱高度为40 m。矿区地形坡度大，河流水量随季节变化明显，雨后(雪水融化后)河水迅猛增多。矿床充水来自大气降水、河水补给和基岩风化裂隙潜水含水层，其中资源储量分布标高560～825 m，出露地表。

为探究头道羊岔河对三圣铁矿地下开采渗流稳定性影响，基于矿山水文地质概念模型，利用Flac3D软件进行矿区渗流模型构建，并分析河道水体渗流对矿区开采的影响。

1 矿山水文地质条件

三圣铁矿充水主要来自大气降水、河水补给和基岩风化裂隙潜水含水层。其中，标高560～825 m部分矿体出露地表，受大气降水、基岩风化裂隙水和河水多重补给，基岩风化裂隙水水量较小，大气降水直接入渗补给地下水，所以雨季时节应加强河水监测。区内地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水弱含水层、基岩风化裂隙潜水含水层2种，水量较小，而且矿体大部分埋深在完整基岩中，为相对隔水层，因此基岩风化裂隙水对矿床充水影响较小。

头道羊岔河从矿体上部流过，在矿区内东北部自西北向东南流出矿区后汇入西南岔河，河床宽3～15 m，水面宽1～5 m，河床底面标高755 m，岸坡标高756 m，洪水水位标高756 m。开采矿体在地下形成采空区，形成冒落带、裂隙带和整体移动带。其中，冒落带和裂隙带可形成充水水源进入矿坑的通道，矿山设计中设置防水矿柱高度为40 m，715 m标高以上部分矿体不予开采，留作防水矿柱(如图1所示)，从经验计算结果评估，地表水将不会影响地下开采活动。鉴于矿坑潜在涌水风险对安全生产影响重大，有必要针对设计预留防水矿柱的防水安全性进行深入研究和论证，即在经验分析的基础上，补充开展数值计算论证工作。

2 水文地质概念模型

在三维地质模型基础上，结合矿区气象、水文、地层岩性、水文地质、地下水补径排特征等研究成果，构建矿区三维水文地质结构模型和概念模型。

图1 开采矿体和预留防水矿柱示意图

1)研究范围。选择研究范围时需注意边界效应的影响，即边界内外区域不发生流体交换，或者流体交换的量值可忽略不计。基于上述原则，在选择研究范围时，可选择天然地下水系统边界(如隔水层、地下水分水岭等)，或者研究范围的边界距离研究的核心区域足够远，以尽可能降低研究区域渗流扰动对研究范围渗流边界的影响。

2)边界条件。①外边界条件。一般情况下，当研究范围足够大时，其侧面边界可视为定水头边界，这样边界条件的确定及数学描述和方程求解都会相对容易[10]。但如果研究范围过大，工程关注的采场、矿柱、井巷等在模型中难以准确刻画。建模时需要缩小模拟范围，此时模拟区的侧面边界概化为已知流量边界。模拟区岩体裂隙、岩溶基本不发育，本次模型的底板高程以550 m为界，按照相对隔水边界处理；河水水位按照洪水水位756 m高程考虑，顶部边界视为潜水面边界，接受河流与地下水在潜水面边界上进行水量交换。②内边界条件。模拟区岩体裂隙、岩溶基本不发育，本次模型的底板至地表以下15 m深度范围内，按隔水层处理；地表以下15 m深度范围内为含水层；隔水层顶板以上设置为透水层，隔水层顶板以下设置为不透水层；按不利条件考虑隔水顶板以下矿体仍为透水层，设置较低的渗透系数。

3 数值模拟计算

3.1 数值计算模型建立

本次渗流分析的研究工作基于Flac3D软件开展，Flac3D软件可以模拟渗透性固体(如岩体和土体)中的渗流[11]。渗流分析可以与通常的力学计算同时进行，也可以单独进行，即流固耦合计算。为了全面分析三圣铁矿开采过程中各中段开采作业对地表建筑物、河流、地下主要井巷工程等稳定性的影响，采用Flac3D软件建立数值计算模型(如图2所示)。根据设计的开采方案，矿体分为4个中段进行开采，为保证地表河流不影响地下开采活动，在地表河流两侧外扩20 m，并根据岩移角圈定防水矿柱范围，防水矿柱高度为40 m。顶底柱高度为3 m。

图2 计算模型概况

由于矿区内构造条件简单，无构造破坏和软弱夹层，故此次计算中主要采用摩尔-库仑本构模型。根据室内试验测得的岩石力学强度参数，采用修正的Hoek-Brown岩体强度计算准则[12]将岩石的力学参数折减为岩体力学参数。由于围岩中含有多种类型的岩体，且混合分布，为方便计算，同时确保计算结果可靠，围岩参数选取力学参数较小岩体类型的参数。数值模拟中岩体力学参数如表1所示。

表1 岩体力学参数

3.2 渗流模型建立

渗流计算以前述力学计算使用的模型网格、单元分组为基础模型，并在此基础上添加水文边界条件，作为渗流计算初始模型，如图3所示。渗流计算水文边界条件及参数选取、应力条件假定如下：

图3 渗流计算模型概况

1)河水水位按照洪水水位756 m标高计算，水位面以下至隔水层顶板范围内，按照静水压力自动计算各单元孔隙水压力，并作为初始孔隙水压力。

2)隔水层顶板。地表以下15 m深度(风化层厚度)作为隔水层顶板。

3)隔水层顶板以上设置为透水层(渗透系数取1×10-7m/s)，隔水层顶板以下围岩设置为不透水层；按不利条件考虑隔水层顶板以下矿体仍为透水材料，设置较低的渗透系数(1×10-10m/s)。

4)地应力采用自重应力、水平应力按自重应力系数计算。

5)矿体、围岩力学参数参照力学计算模型选取。

4 矿体开采渗流影响分析

4.1 初始条件计算

矿区自重应力场分布结果如图4所示，自重应力大小及梯度变化规律符合一般认识。

图4 初始自重应力场

头道羊岔河洪水水位形成的初始孔隙水压力分布如图5所示，从756 m高程往下，至隔水层顶板之上的范围内，分布着初始孔隙水压力。矿体初始孔隙水压力分布如图6所示，顶部预留矿柱的孔隙水压力模拟结果清晰地反映了顶部715 m高程之上的预留矿柱受地下水充水影响，为避免矿坑涌水，设计顶部矿柱留存是非常必要的措施。