陳倩男 郭奇峰 萬(wàn)思達(dá) 翟 濟(jì) 杜偉嘉 李 釗

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京100083;2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

海洋蘊(yùn)藏著豐富的海底礦產(chǎn)資源，包括海底表層沉積物和海底巖層中貯藏的礦產(chǎn)。目前開發(fā)利用最為廣泛的是海洋石油和天然氣，在整個(gè)海底礦產(chǎn)資源已開發(fā)產(chǎn)值中的占比超過(guò)90%。陸地礦產(chǎn)資源經(jīng)過(guò)多年開采，淺部資源枯竭，國(guó)內(nèi)外很多礦山進(jìn)入深部開采階段［1-2］，并且諸多近海礦山開始進(jìn)行海底礦產(chǎn)資源的開采［3-4］，其中日本的海底煤礦開采量達(dá)到總產(chǎn)量的30%，海底開采將成為未來(lái)礦產(chǎn)資源開發(fā)的發(fā)展方向。

海底基巖巖體存在大量節(jié)理裂隙，水和應(yīng)力通過(guò)節(jié)理裂隙進(jìn)行耦合作用，對(duì)海底資源開采過(guò)程的安全具有重要影響。因此，在海底資源開采必須深入調(diào)查水、節(jié)理裂隙和地應(yīng)力的分布特征，研究水和應(yīng)力的耦合作用機(jī)理。諸多學(xué)者開展了大量針對(duì)裂隙巖體中水和應(yīng)力等因素耦合作用的研究，主要工作集中在理論模型研究，試驗(yàn)分析和數(shù)值模擬應(yīng)用3 個(gè)方面。王啟平［5］、馬海濤等［6］基于理論研究和試驗(yàn)分析，采用數(shù)值模擬軟件，對(duì)強(qiáng)夯地基和露天采礦邊坡穩(wěn)定進(jìn)行了水力耦合分析，驗(yàn)證了水力耦合在工程應(yīng)用中的必要性和適用性。本課題以濱海礦山三山島金礦深井開采為背景開展水力研究，為水力耦合作用下的海底資源安全開采提供指導(dǎo)和保障。

1 水和地應(yīng)力調(diào)查

1.1 地下水分布

礦體及上覆頂板中的基巖裂隙含水是三山島金礦深部開采區(qū)域直接充水層。根據(jù)含水層與隔水控礦構(gòu)造F1的相對(duì)位置關(guān)系，直接影響礦坑充水的基巖裂隙含水帶可劃分為F3斷裂含水帶、F1上盤裂隙含水帶和F1下盤構(gòu)造裂隙含水帶。

上述含水帶中，F(xiàn)1下盤構(gòu)造裂隙含水帶分布廣泛，直接影響深部開采和井巷工程施工。根據(jù)構(gòu)造發(fā)育特征和補(bǔ)給條件的不同，劃分為F1下盤構(gòu)造裂隙富水區(qū)和F1下盤構(gòu)造裂隙含水區(qū)。F1下盤構(gòu)造裂隙富水區(qū)內(nèi)，北西向?qū)严栋l(fā)育，且裂隙規(guī)模和延伸較大，含水性較強(qiáng);北西端有海水補(bǔ)給，東南方向與F3斷裂構(gòu)造含水帶溝通，有區(qū)域鹵水補(bǔ)給。F1下盤構(gòu)造裂隙含水區(qū)逐漸遠(yuǎn)離F3，富水性較弱，北西向含水裂隙密度和規(guī)模逐漸變小，北西部有海水越流補(bǔ)給，并有少量的第四系孔隙水滲透補(bǔ)給。

1.2 地應(yīng)力場(chǎng)分布

礦山深部開采面臨“三高一擾動(dòng)”的問(wèn)題，其中地應(yīng)力是一個(gè)重要影響因素，其關(guān)系到井巷工程和開采工程的布置，直接影響深部開采的安全性。三山島金礦深部開采中，高應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，局部地區(qū)甚至出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象。為保證現(xiàn)有開采工程的安全，為更深層次的開拓和開采設(shè)計(jì)提供安全指導(dǎo)和保障，用套孔應(yīng)力解除法在深部－500 m 以下6 個(gè)水平開展9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量工作，結(jié)合2002 年在淺部3 水平4個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果［7］，共獲取三山島金礦13個(gè)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析，繪制三山島金礦深部主應(yīng)力隨深度變化曲線如圖1 所示。

圖1 主應(yīng)力隨深度變化曲線Fig.1 Variation curve of principal stresses with depth

礦區(qū)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的回歸方程為

2 巖體滲透性

2.1 節(jié)理裂隙分布

對(duì)中段運(yùn)輸平巷、采場(chǎng)、聯(lián)絡(luò)巷等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙調(diào)查，記錄節(jié)理傾向、傾角、走向、節(jié)理間距、充填物及滲水特征，共獲取854 組節(jié)理記錄，其傾向及傾角分布統(tǒng)計(jì)如表1 所示，繪制節(jié)理傾向玫瑰花圖和走向玫瑰花圖如圖2 和圖3 所示。

表1 節(jié)理分布特征Table 1 Joints distribution

圖2 節(jié)理傾向玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of joints＇strike

圖3 節(jié)理走向玫瑰花圖Fig.3 Rose diagram of joints＇dip

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，深部節(jié)理發(fā)育具有5 組優(yōu)勢(shì)傾向。第1 組優(yōu)勢(shì)傾向?yàn)?0° ～30°，平均傾角62°;第2組優(yōu)勢(shì)傾向?yàn)?10° ～150°，平均傾角57°; 第3 組優(yōu)勢(shì)傾向?yàn)?90° ～200°，平均傾角66°; 第4 組優(yōu)勢(shì)傾向?yàn)?70° ～280°，平均傾角54°; 第5 組優(yōu)勢(shì)傾向?yàn)?90° ～320°，平均傾角55°。走向具有5°、20° ～40°、270° ～280°3 組優(yōu)勢(shì)方位，傾角多分布在40° ～90°。深部節(jié)理裂隙的傾角均偏大，平均傾角超過(guò)55°。

2.2 巖體滲透特性

2.2.1 幾何測(cè)量計(jì)算

根據(jù)Snow［8］提出的滲透張量幾何計(jì)算方法，假定每個(gè)裂隙內(nèi)沒有填充物，均無(wú)限延伸且相互連通，但各裂隙的滲流互不影響。以地理N 向?yàn)閤 軸，地理E 向?yàn)閥 軸，則各裂隙滲透系數(shù)張量Ki的表達(dá)式為

式中，ρ 為地下水密度，kg/m3; g 為重力加速度，m/s2; bi為第i 組裂隙寬度，m; μ 為地下水動(dòng)力黏滯系數(shù)，kg/(m2·s); Kxxi= 1 － sin2αicos2βi; Kxyi= Kyxi=－sin2αicosβisinβi; Kzxi= Kxzi=－sinαicosαicosβi; Kyyi=1 －sin2αisin2βi; Kzzi= sin2αi;αi為第i 組裂隙傾向，0≤αi≤360°; βi為第i 組裂隙傾角，0≤βi≤90°。

作為二維張量，滲透系數(shù)張量的特征方程可表達(dá)為

滲透張量的3 個(gè)主值是上述特征方程( 5) 的3個(gè)特征根A1、A2和A3，則綜合滲透系數(shù)K［9-11］為

選取多個(gè)有代表性的上盤、礦體、下盤巖體典型表面裂隙特征調(diào)查窗口，詳細(xì)統(tǒng)計(jì)窗口內(nèi)的節(jié)理裂隙產(chǎn)狀和分布特征。依據(jù)上述滲透系數(shù)幾何計(jì)算原理，采用MATLAB 軟件計(jì)算測(cè)量區(qū)域內(nèi)上盤、礦體、下盤的綜合滲透系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表2 滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficients m/s

2.2.2 滲透系數(shù)修正

Snow 幾何量測(cè)法在進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算時(shí)，假定所有節(jié)理裂隙在裂隙網(wǎng)絡(luò)交叉空間相互連通，但現(xiàn)實(shí)巖體中節(jié)理的延伸范圍有限，各組節(jié)理并未呈現(xiàn)相互交切的形態(tài)。為了更準(zhǔn)確地掌握深部礦巖滲透特性，依據(jù)節(jié)理裂隙產(chǎn)狀、間距等分布特征，采用Monte －Carlo 隨機(jī)模擬法［12-13］對(duì)上盤、礦體、下盤3 類區(qū)域節(jié)理裂隙的滲透系數(shù)進(jìn)行修正。模擬結(jié)果顯示，上盤巖體的連通率為84.76%，礦體連通率為88.49%，下盤巖體連通率為85.13%。張有天［14］提出采用連通系數(shù)即連通率對(duì)理想條件下計(jì)算出的滲透系數(shù)進(jìn)行修正:

式中，k 為修正后的滲透系數(shù); k0為計(jì)算值; η 為連通率。將幾何計(jì)算得出的滲透系數(shù)乘以節(jié)理裂隙連通率即獲得修正后的上盤滲透系數(shù)為6.236 1 ×10－7m/s，礦體滲透系數(shù)為8.349 2 ×10－7m/s，下盤滲透系數(shù)為6.743 3 ×10－7m/s。

3 深部開采水力耦合分析

3.1 計(jì)算模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立深部開采水力耦合數(shù)值模型，模型標(biāo)高自－430 m 至－630 m。坐標(biāo)系以礦體走向?yàn)閤 軸，礦體厚度方向?yàn)閥 軸，鉛垂方向?yàn)閦 軸。計(jì)算模型在x 方向上的長(zhǎng)度為400 m，y方向上的長(zhǎng)度為300 m，z 方向上的高度為200 m，共劃分58 310 個(gè)單元，63 900 個(gè)節(jié)點(diǎn)。對(duì)中段F3斷層北側(cè)礦體進(jìn)行房柱交替式盤區(qū)上向分層充填模擬開采，盤區(qū)長(zhǎng)度選取80 m，盤區(qū)沿礦體走向共布置8 個(gè)采場(chǎng)進(jìn)行礦房礦柱交替上升式開采，每個(gè)采場(chǎng)寬10 m，采場(chǎng)長(zhǎng)度為礦體厚度，中段開采共分6 步進(jìn)行，如圖4 所示的1 ～6。

圖4 開采步驟Fig.4 Mining steps

3.2 邊界條件

根據(jù)三山島金礦深部詳查報(bào)告中地下水位長(zhǎng)期觀察和水位降低值的研究結(jié)果［15］，在模型上部和底部施加水頭邊界。依據(jù)深部地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律計(jì)算深部最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力值，對(duì)模型施加梯度應(yīng)力邊界。

3.3 力學(xué)參數(shù)

模型劃分上盤、礦體、下盤以及F3斷層4 大組，F(xiàn)3斷層傾角近90°，垂直礦體走向，礦體傾角45°，開采后直接充填。依據(jù)物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和滲透性計(jì)算數(shù)據(jù)，選取水力耦合數(shù)值模擬采用的力學(xué)參數(shù)和滲透系數(shù)如表3 所示。

表3 物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physico-mechanical parameters

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 采場(chǎng)位移變化

盤區(qū)內(nèi)最大豎向位移均發(fā)生在新開采區(qū)域的中心位置，豎向位移朝開采區(qū)域集中，由圖5 所示開采至第二步的采場(chǎng)礦體和充填體豎向位移等值線圖可見，各開采步驟豎向位移出現(xiàn)明顯分區(qū)，即1 到4 號(hào)采場(chǎng)為1 組，5 ～8 號(hào)為1 組，在4 和5 采場(chǎng)交界帶豎向位移值相對(duì)較小，呈現(xiàn)出對(duì)稱性。開采過(guò)程中，采場(chǎng)頂板沉降逐漸增大，變化較為穩(wěn)定，無(wú)明顯突變發(fā)生，在各采場(chǎng)開采接近頂柱時(shí)，頂板沉降達(dá)到最大值。

圖5 開采第二步的豎向位移等值線Fig.5 Vertical displacement isoline in 2nd mining step

為研究開采接近頂柱時(shí)的采場(chǎng)安全性，在中段每個(gè)采場(chǎng)上方對(duì)應(yīng)的頂柱設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)8 個(gè)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在中段開采過(guò)程中的豎向位移因房柱交替開采呈現(xiàn)階段跳躍式增長(zhǎng)，當(dāng)開采高度超過(guò)中段高度一半之后，其沉降增幅明顯，開采結(jié)束后2 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降達(dá)到9.276 cm，存在安全隱患。塑性區(qū)云圖也顯示各采場(chǎng)回采接近頂柱時(shí)出現(xiàn)塑性區(qū)貫通，應(yīng)加大支護(hù)密度和管理力度，關(guān)注采場(chǎng)頂板的安全穩(wěn)定性。

3.4.2 采場(chǎng)應(yīng)力變化

在6 個(gè)開采步驟過(guò)程中最大主應(yīng)力值分別為50.073、60.024、52.398、67.959，52.603，43.048 MPa，具有代表性的開采第2 步的最大主應(yīng)力等值線如圖6 所示。模擬結(jié)果顯示在整個(gè)盤區(qū)開采過(guò)程中，二步采引起的應(yīng)力集中要大于一步采，中間和兩翼的最大主應(yīng)力值較高，二步采階段采場(chǎng)穩(wěn)定性相對(duì)較差。最大主應(yīng)力的極值主要出現(xiàn)在1 號(hào)采場(chǎng)圍巖部位，5 號(hào)采場(chǎng)頂板應(yīng)力集中顯現(xiàn)也較為明顯，開采過(guò)程中需要對(duì)上述2 個(gè)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)支護(hù)和加固，確保生產(chǎn)安全。

圖6 開采第2 步的最大主應(yīng)力等值線Fig.6 Maximum principal stress isoline in 2nd mining step

各個(gè)開采步驟過(guò)程中均存在拉應(yīng)力區(qū)，極值分別為2.656、1.532、1.484、1.515、1.362、1.225 MPa，拉應(yīng)力主要集中在一步采和二步采的交替部位，其分布區(qū)域具有一定的時(shí)空變化規(guī)律，即一步采階段主要存在于2 和6 號(hào)采場(chǎng)，二步采階段主要存在于3 和7 號(hào)采場(chǎng)。針對(duì)上述拉應(yīng)力區(qū)的分布，回采過(guò)程中應(yīng)加大支護(hù)力度，保證充填體的強(qiáng)度和充填接頂效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 針對(duì)海底資源深井開采面臨的富水和高應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)三山島金礦地下水和地應(yīng)力進(jìn)行調(diào)查和測(cè)量，掌握了地下水的分布，建立了礦區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)模型，為礦山開采和優(yōu)化提供了基礎(chǔ)資料。

(2) 開展深部采場(chǎng)和巷道圍巖節(jié)理裂隙調(diào)查，統(tǒng)計(jì)深部巖體節(jié)理裂隙分布特征，采用幾何測(cè)量計(jì)算和結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬修正的方法研究了深部礦巖體的滲透特性。

(3) 建立水力耦合數(shù)值模型，對(duì)深部礦體房柱交替式上向分層充填開采進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。分析了分步開采過(guò)程中采場(chǎng)位移、應(yīng)力隨開采推進(jìn)的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)應(yīng)力集中、拉應(yīng)力破壞等危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了時(shí)空分析，確定了開采過(guò)程中需要重點(diǎn)支護(hù)的區(qū)域和時(shí)間，為海底資源水力耦合作用下的安全開采提供了保障。

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