开采扰动下小湾沟铁矿渗流稳定性数值模拟分析研究

＊朱生青

（通化钢铁集团大栗子矿业有限责任公司 吉林 134600）

随着经济技术的发展，矿产资源需求增加，这一趋势已经成为当今全球经济体系的一个显著特征[1-2]。矿产资源，如煤炭、石油、金属矿物和稀土元素，一直以来都是现代社会不可或缺的重要元素，在建设、制造、能源生产以及高科技行业中发挥着不可或缺的作用[3]。为满足不断增长的需求，矿产资源的开采方式也在不断演变，其中一个显著的变化是从露天开采向地下开采的转变[4]。然而，地下开采也伴随着一系列挑战，其中在地下开采过程中可能产生的涌水、片帮、冒顶火灾等事故影响极为重大[5]。因此，针对具有涌水风险的矿山，开展井下开采渗流稳定性分析对保障矿山安全生产具有十分重要的实际意义。随着计算机技术的飞速发展，对渗流稳定性分析也取得了许多进展[6-7]。其中，张宇[8]利用ABAQUS基于强度折减法更准确高效的获取尾矿库的稳定安全系数；杜志锦[9]基于Geo-studio软件，构建尾矿库数值分析模型，并对其稳定性进行计算分析；周磊[10]基于强度折减法，利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立露天边坡在渗流作用下的有限元模型，为露天边坡治理与防护提供了参考意见；刘豪[11]依据渗流连续性方程和达西定律，利用FEFLOW建立三维非稳定的流数学模型，模拟开采条件下的地下水流场并预测矿坑涌水量；宋霁洪[12]利用FLAC3D对三圣铁矿井下开采扰动影响进行渗流特性分析，为井下安全开采提供参考意见。本文以小湾沟铁矿为研究背景，利用FLAC3D进行渗流稳定性分析，对井下开采采场涌水风险进行模拟分析，为矿山地下矿体安全回采提供支撑。

1.矿床开采技术条件

小湾沟铁矿矿区位于长白山系龙岗山脉东北部的南支脉，主体山脉走向以北北东～北东向为主，支脉走向东南，为海拔600～700m的低山切割地区，相对高差209m左右，区内最高海拔593.6m，最低侵蚀基准面标高408m，区内主矿体（1-1、18-1）分布标高449～48m。本区地下水补给来源是大气降水，而降水大部分沿山坡以地表径流的形式排泄到地表河流，只有部分下渗补给基岩风化裂隙水。基岩裂隙水以地下径流形式排泄于山间沟谷，局部地形有利地段以泉水形式排泄。第四系砂、砾石水补给来源为大气降水和裂隙的径流补给。此地下水与河水为互补关系。雨季多集中在7月、8月份，年平均降雨量600～800mm。矿区内的地表水主要为松花江水系支流蛟河支流西南岔河，位于设计圈定的岩移界线20m外，由西向东流经本区东部，常年有水，雨季流量1860L/s。设计圈定岩移范围内矿区内有暴雨时形成的一条小冲沟，大雨、暴雨时雨水汇集至冲沟，然后流入西南岔河中。冲沟地势相对较低，且位于采区中部，受采动影响较大。矿山设计中将275m标高以上矿体留作地表保安矿柱，对破碎带两侧按10m留设隔离保安矿柱；对西南岔河按I级保护留设防水保安矿柱，设计中将275m标高以上矿体不予回采，防水柱厚度为110m，并按照河床边界外推20m，按侧翼70°留设。地表水体及防水保安矿柱留设，如图1所示。前期研究发现通过设置保安矿柱和优化回采方案，地表是稳定的，但矿坑涌水风险影响重大，直接威胁井下人员和设备安全。因此，有必要开展小湾沟铁矿井下开采渗流稳定性分析研究，以论证开采过程中的渗流特征和涌水风险，保障矿山安全生产。

图1 计算模型图

2.开采扰动下的渗流规律模拟分析

(1)边界条件概化

①外边界条件。当研究范围的边界存在隔水层或地下水分水岭时，该边界视为隔水边界，即零流量边界。若研究范围边界距离核心区域足够远，则核心区域的渗流场扰动扩散至边界处，从而避免对边界处的渗流条件产生影响，则此时研究范围的边界可视为已知水头边界。②内边界条件。根据地质资料可知，本次模拟区域内岩体裂隙、岩溶基本不发育。综合矿山水文地质情况，选择的含水层为研究区域内地表以下35m范围，隔水层为研究区域地表以下35m至所建渗流计算网格模型的底部，并以隔水层为分界划分透水层和不透水层，其中隔水层顶板之上为透水层（渗透系数为1×10-7m/s），隔水层顶板之下为不透水层。考虑到实际情况和数值模拟分析的特点，需考虑不利条件，因此本次模拟分析将隔水顶板以下的矿体设置为透水层，并设置较低的渗透系数（1×10-10m/s）。根据挡水沟坝体标高，确定本次模拟的水头标高为+420m，其中将顶部边界设置为潜水面边界，进行河流与地下水的水量交换。同时确定初始孔隙水压力为水位面到隔水层范围内的各单元孔隙水压力。渗流计算模型如图1所示。

(2)应力条件设置

涉及到的应力条件包括地应力特征和矿体、围岩的物理力学参数，本次渗流计算应力条件假定如下：①由于矿体埋深较浅，只考虑自重，地应力采用自重应力；②矿体、围岩力学参数参照岩石物理力学参数表，通过折减后确定，结果如表1所示。

表1 岩石物理力学参数

(3)渗流模拟结果分析

根据矿山矿体赋存特征以及实际开采顺序，矿体开采顺序为下行式开采，开挖顺序分四步（对应四个中段）依次进行，分析不同开采工况下潜在的采场涌水问题。

①初始渗流结果分析

模型初始孔隙水压力分布特征，如图2所示。由图2可知：在地表河流和冲沟分布及汇集区域，从水头标高至隔水层顶板的范围内分布有初始孔隙水压力。研究结果表明：受地表水以及地表水与地下水交换的影响，该范围内保安矿柱存在潜在充水可能。

图2 初始孔隙水压力分布

②各中段矿体开采模拟结果

在245m中段、215m中段、185m中段和155m中段矿体开采条件下的采场孔隙水压力分布特征如图3～图6所示。由图可知：各中段回采时井下各采场孔隙水压力均为0，基本无充水，表明井下采场基本不受地表河流和冲沟渗流的影响，基本没有涌水风险。

图3 245m中段开采采场孔隙水压力分布

图4 215m中段开采采场孔隙水压力分布

图5 185m中段开采采场孔隙水压力分布

图6 155m中段开采采场孔隙水压力分布

综上，对比分析初始渗流场和各中段开采过程中的采场孔隙水压力分布结果可知，从+420m高程至隔水层顶板之上的范围内分布有一定的初始孔隙水压力，表明该区域存在充水现象。如不采取措施，后续矿体开采时，可能会引起由于地表水和地下水交换引起的涌水风险。通过留设防水矿柱，在开采245～155m中段矿体时，井下采场孔隙水压力均为0，无涌水风险。因此，为避免采场涌水，设计留设顶部防水矿柱是非常必要的。考虑到井下开采过程中扰动传播以及矿山岩体工程地质力学特性的复杂性，裂隙发育和扩展并可能贯通，尤其是在雨季生产，会增加涌水风险的可能。因此，在开采过程中仍有必要加强渗流监测，以更好的保障井下矿体安全高效回采。

3.结论

本文利用FLAC3D软件建立了小湾沟铁矿渗流网格模型，并开展了井下各中段开采的渗流计算模拟，对预留矿柱的防水安全性、采场涌水风险进行了分析，主要结论如下：（1）+420m高程至隔水层顶板之上的范围内分布有一定的初始孔隙水压力，存在充水现象，预留防水保安矿柱后，各中段矿体开采后各采场孔隙水压力均为0，地表水未进入下部采场，基本没有潜在涌水风险，留设防水保安矿柱是十分必要的措施。（2）鉴于矿山井下涌水风险对井下安全生产影响重大，虽然通过留设防水保安矿柱可以保障井下各中段开采过程中无潜在涌水风险，但是仍有必要加强渗流和涌水风险监测，从而更好的保障矿山安全生产。