冀　東　徐　晨　李騰飛　魏嘉新　孫　璽

(①青島市勘察測繪研究院　青島　266032)

(②青島巖土工程技術(shù)研究中心　青島　266032)

(③北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院　北京　100083)

?

濱海深部開采礦山水文地質(zhì)環(huán)境調(diào)查與滲流場特征分析*

冀東①②③徐晨①②李騰飛①②魏嘉新①②孫璽①②

(①青島市勘察測繪研究院青島266032)

(②青島巖土工程技術(shù)研究中心青島266032)

(③北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京100083)

山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦位于山東省萊州灣濱海地帶，特殊地理位置使礦山采掘工程面臨更為復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，大規(guī)模深部濱海開采存在涌、突水的安全隱患。在此背景下，考慮區(qū)域內(nèi)發(fā)育斷裂帶的影響，對礦山的水文地質(zhì)特征進(jìn)行區(qū)域劃分與評價；在礦區(qū)深部3個水平中段進(jìn)行了節(jié)理裂隙現(xiàn)場調(diào)查，統(tǒng)計分析了上盤、礦體、下盤巖體的節(jié)理裂隙分布規(guī)律；基于裂隙幾何參數(shù)量測與Monte-Carlo結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬方法，計算并修正了深部工程巖體的滲透系數(shù)；借助FLAC3D數(shù)值計算手段，對礦區(qū)未來深部開采過程中滲流場的演化規(guī)律及影響范圍進(jìn)行了預(yù)測。研究對于保障復(fù)雜水文地質(zhì)條件礦山深部開采活動的安全進(jìn)行具有一定的指導(dǎo)與借鑒意義。

金屬礦山濱海深部開采水文地質(zhì)節(jié)理裂隙測量滲流場分析

0　引　言

礦井突水是因井巷、工作面與地表水體或含水的裂隙帶、構(gòu)造破碎帶等接近或貫通而突然發(fā)生的出水事故(仵彥卿，1995；錢鳴高等，2000)。地下水大量涌入礦山坑道，會使施工復(fù)雜化和采礦成本增高，甚至威脅礦山工程和人身安全。地下巖體受采礦活動影響內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生重新分布，巖體裂隙發(fā)育貫通產(chǎn)生破裂損傷，圍巖滲透性發(fā)生改變進(jìn)而誘發(fā)斷裂帶、頂板、底板突水甚至造成安全事故(陳紅江等，2009；劉洪磊等，2010)。據(jù)統(tǒng)計，約60%的礦井事故與地下水作用有關(guān)，礦井突水已成為我國礦山生產(chǎn)過程中最具威脅的災(zāi)害之一(楊天鴻等，2007)。

三山島金礦地質(zhì)儲量大，緊鄰渤海，且礦區(qū)主要可采礦體均賦存于海底下部巖體中，礦區(qū)深部開采過程中面臨涌、突水甚至海水潰入的潛在危險。系統(tǒng)研究深部濱海開采的安全性問題，尤其是明確礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境、巖體滲透特性與深部開采滲流場演化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出防治技術(shù)與安全對策，具有重要的現(xiàn)實意義。在此背景下，文章對三山島金礦水文地質(zhì)環(huán)境與滲流場分布特征做了系統(tǒng)的研究，為濱海深部開采活動的安全進(jìn)行提供支持與保障(Ji et al.，2013)。

1　工程概況

三山島金礦是山東黃金集團(tuán)有限公司的主體礦山之一，其礦物開采的技術(shù)水平及機(jī)械化程度均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。礦山保有地質(zhì)儲量1025萬噸，金金屬量34.24t，礦床遠(yuǎn)景儲量十分豐富。2006年經(jīng)資源整合后，三山島金礦下設(shè)直屬、新立和平里店3個礦區(qū)。

三山島金礦位于萊州灣濱海地帶，其北、西兩面瀕臨海，僅東南與陸地相連，礦體距海岸線的最近距離不足一百米，開采礦體全部位于海平面以下。第四系含水層儲水豐富，且礦區(qū)內(nèi)的裂隙含水帶與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，屬構(gòu)造裂隙充水礦床。礦區(qū)經(jīng)歷3期工程建設(shè)和20多年的開采，目前淺部礦體開采已經(jīng)基本結(jié)束，生產(chǎn)主要區(qū)段移至-500m以下，已經(jīng)進(jìn)入深部開采，采掘工程的深度超過了-690m。同時，北部探礦工程也已經(jīng)進(jìn)入海底區(qū)域。由于F3斷層貫穿整個礦區(qū)并導(dǎo)通海底含水巖層，其較強(qiáng)的導(dǎo)水能力也對采場形成了較大威脅；修國林等(2011)的研究表明，目前礦坑總涌水量在14000m3·d-1左右，井下單點突水量有隨開采深度增加而增大的趨勢。由于礦山屬于完全意義上的濱海和海底開采，如何在高強(qiáng)度開采條件下保障深部采礦活動的安全已經(jīng)成為礦山迫切需要解決的首要問題。

2　礦區(qū)水文地質(zhì)環(huán)境研究

礦區(qū)位于濱海南岸的海濱平原，由北部的海濱沙崗向南部的王河河灘緩慢傾斜，西北部有3個小三包。渤海在北，西和南面三面環(huán)繞礦區(qū)。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有控礦斷裂F1，礦體產(chǎn)狀與F1基本一致，且主裂面位于距礦體1～10m處，且斷裂兩側(cè)普遍存在一定范圍的碎裂巖。F2斷裂北部接海，南端被第四系覆蓋，物探結(jié)果顯示其為明顯的低阻，說明其本身的導(dǎo)水性能好。F3斷裂是區(qū)域性斷裂，發(fā)育深度大，在-600m中段以下的仍發(fā)現(xiàn)有F3斷裂發(fā)育，而且由于其充填性差，其對礦坑的涌水量有明顯的影響作用。通過對研究區(qū)水文地質(zhì)條件及構(gòu)造條件分析，主要依據(jù)斷層及地質(zhì)界限為分界線，可將礦區(qū)的水文地質(zhì)特征劃分為5個區(qū)域進(jìn)行研究(圖1)，同時對區(qū)域內(nèi)發(fā)育的斷裂帶F3及F1單獨進(jìn)行考慮。

圖1　礦區(qū)水文地質(zhì)特征區(qū)域示意圖Fig.1　Schematic diagram of hydrogeology characteristics of Sanshandao gold mine

2.1Ⅰ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)

Ⅰ區(qū)主要分布在F2斷裂以西，該區(qū)花崗巖廣泛分布，NE向節(jié)理發(fā)育，而NW向少見，雖緊靠海岸，但是由于隔水層的阻隔作用并不能對礦區(qū)涌水量產(chǎn)生明顯的影響?？紤]到該區(qū)域靠近渤海，且F2斷裂與F3斷裂帶存在相交的可能性，不宜直接把該區(qū)域處理成隔水巖體，而是把該區(qū)域巖體的滲透系數(shù)賦相對較小的值，適當(dāng)考慮其對礦區(qū)涌水量的補(bǔ)給作用。

Ⅳ，Ⅴ區(qū)分布在F3斷裂以南，裂隙不發(fā)育，坑道揭露無漏水現(xiàn)象，同樣物探結(jié)果顯示無大的含水通道發(fā)育的可能，雖然該區(qū)有地表河流——王河穿過，且Ⅴ區(qū)靠近海岸，但是由于缺少導(dǎo)水通道，可確定這兩個分區(qū)地下水及海水很難實現(xiàn)對礦區(qū)的補(bǔ)給。

2.2Ⅱ區(qū)

主要分布在控礦斷裂以西的破碎帶內(nèi)，北臨渤海，東部與F1斷層附近的含水帶重疊，向內(nèi)陸延伸有與區(qū)域斷裂相交的趨勢。物探及鉆探結(jié)果顯示在該區(qū)域的-600m處含水帶依然存在。該含水帶北部接受海水的補(bǔ)給，同時有少量的大氣降雨成因的補(bǔ)給來源，水源補(bǔ)給充足。根據(jù)開采初期的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全礦區(qū)總涌水量中很大一部分主要來自該分區(qū)。

2.3Ⅲ區(qū)

分布在F1斷層以東，主要覆蓋花崗巖和變質(zhì)巖，風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙發(fā)育。分區(qū)部分邊界靠近大海，另一部分邊界主要靠近陸地，受地形條件的限制，缺少側(cè)向補(bǔ)給來源。該區(qū)主要通過海水及大氣降水對礦區(qū)進(jìn)行補(bǔ)給，考慮到F1上盤隔水帶發(fā)育，其對礦區(qū)涌水量的影響主要可能通過F3斷層與F1斷層的相交區(qū)域。

2.4F3斷層

F3斷裂為橫貫礦區(qū)的區(qū)域性大斷裂三元—陳家大斷裂的NW尾端，走向NW 300°～310°，傾向SW 80°～90°，與各巖脈巷近于直交，走向延伸遠(yuǎn)，北西端入海。斷層帶寬度上從西向東呈增大趨勢，發(fā)育寬度為15～36m，平均25m。在-250m以上區(qū)域，F(xiàn)3斷裂帶隨著深度的增加由3m增加為30m。在-300m以下區(qū)域，F(xiàn)3斷裂帶的寬度變窄，但至-600m水平仍明顯存在。

F3斷裂帶規(guī)模較大，且構(gòu)造活動導(dǎo)致破碎帶內(nèi)巖石普遍破碎嚴(yán)重，膠結(jié)程度差，斷裂帶內(nèi)的地下水儲量非常豐富，且具有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力。地下水對斷層泥和破碎帶的長期浸泡使其力學(xué)性質(zhì)變差。此外，因F3的切割錯動，使F1的隔水性能在局部遭到破壞，所以成為溝通SE區(qū)域地下水的導(dǎo)水構(gòu)造。雖西北端入海，但由于封閉條件并未大量導(dǎo)入海水。

2.5F1斷層

其為縱貫礦區(qū)的控礦構(gòu)造，走向NE40°，傾向SE35°～43°，兩端被第四系覆蓋。該斷裂為多起構(gòu)造活動的產(chǎn)物，成礦前形成韌性剪切帶，控制了1號蝕變帶和礦化，使礦體產(chǎn)狀與其基本一致，而且其主裂面位于礦體頂部1～10m處，在斷裂面兩側(cè)普遍存在約1～10m厚的碎裂巖帶。根據(jù)鉆探結(jié)果，在-600m標(biāo)高以下區(qū)域內(nèi)碎裂帶仍存在。然而F1斷層有一層3～20cm厚的斷層泥，同時主裂面兩側(cè)還有一糜棱巖化帶，厚度在10m左右，阻斷了上盤裂隙水對礦坑的補(bǔ)給。故F1上盤的地下水很難進(jìn)入礦坑，而且兩端也不可能導(dǎo)入海水及區(qū)域地下水。

綜上所述，三山島金礦為構(gòu)造裂隙充水為主的礦床，主要礦體位于當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下；主要充水含水層富水性強(qiáng)，補(bǔ)給條件較好；構(gòu)造破碎帶發(fā)育，導(dǎo)水性好，礦床水文地質(zhì)條復(fù)雜程度為中等-復(fù)雜。礦坑的主要充水來源為構(gòu)造裂隙含水帶，F(xiàn)1上盤裂隙含水帶下部的F1斷層泥和糜棱巖對該含水帶內(nèi)的地下水進(jìn)入礦坑有很好的阻隔作用。F3斷裂構(gòu)造含水帶，規(guī)模大，貯存有較為豐富的地下水，且具有較強(qiáng)的導(dǎo)水能力。F1下盤構(gòu)造裂隙含水帶NW向?qū)严栋l(fā)育，北西端接受海水越流補(bǔ)給，海水沿多條導(dǎo)水構(gòu)造進(jìn)入礦坑，為礦坑充水的主要補(bǔ)給源。

3　深部礦巖節(jié)理裂隙調(diào)查分析

節(jié)理裂隙是受巖體中應(yīng)力作用而形成的一種構(gòu)造斷裂結(jié)構(gòu)面。節(jié)理裂隙一般無位移或位移很小，延長性及縱深發(fā)展都不明顯，但數(shù)目眾多且分布廣泛。節(jié)理裂隙發(fā)育的形態(tài)、大小及數(shù)量，很大程度上影響礦體及其圍巖的穩(wěn)定性、破壞模式和破壞程度。作為一種構(gòu)造行跡，節(jié)理裂隙可以反映出區(qū)域內(nèi)主要構(gòu)造的輪廓與構(gòu)造活動特點。因此，對節(jié)理裂隙的調(diào)查、統(tǒng)計和分析具有非常重要的意義(李國慶等，2008；伍法權(quán)等，2014)。

3.1現(xiàn)場節(jié)理裂隙調(diào)查方法與測線布置原則

節(jié)理裂隙現(xiàn)場調(diào)查一般常采用測線測量法與窗口測量法。測線測量法通過在巖體揭露面上布設(shè)一定方向的測線，對與測線相交的巖體節(jié)理裂隙的位置、產(chǎn)狀及特征進(jìn)行觀測，覆蓋性較好。本次工作選擇測線法對三山島金礦深部巖體的節(jié)理裂隙進(jìn)行調(diào)查，現(xiàn)場主要對調(diào)查區(qū)域內(nèi)節(jié)理裂隙的產(chǎn)狀、間距、延展性、充填物等特征進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計。

在確定測線位置時，應(yīng)遵循以下要求：每條測線應(yīng)有足夠的取樣數(shù)，以確保測量結(jié)果的統(tǒng)計意義，一般不少于50條。每條測線的設(shè)置高度應(yīng)在盡可能全面反映巖體揭露面整體情況的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場實施的可行性，一般選取測線高度為1.2～1.6m；測線內(nèi)地層巖性應(yīng)盡可能單一，不跨越不同的構(gòu)造單元，盡可能避開卸荷擾動帶的影響范圍。

圖2　測線布置與節(jié)理裂隙現(xiàn)場測量Fig.2　Scanline arrangement and site measurement

3.2節(jié)理裂隙調(diào)查數(shù)據(jù)與分布規(guī)律

基于上述節(jié)理裂隙調(diào)查工作方法，共在礦區(qū)-690m～-600m中段內(nèi)巷道、采場范圍的圍巖布設(shè)測線16條，總長318m，測得節(jié)理裂隙1066條。對裂隙的產(chǎn)狀、規(guī)模、充填物特征、裂隙面形態(tài)特征及地下水情況進(jìn)行了調(diào)查研究。借助節(jié)理裂隙產(chǎn)狀玫瑰圖，按照礦體、上盤、下盤以及不同中段對調(diào)查所獲取的節(jié)理特征進(jìn)行區(qū)分研究。其中下盤巖體節(jié)理裂隙產(chǎn)狀分布圖(圖3)。

圖3　下盤節(jié)理產(chǎn)狀特征圖Fig.3　Occurrence characteristics of footwall joint

分析統(tǒng)計數(shù)據(jù)和節(jié)理分布特征可以發(fā)現(xiàn)，上盤圍巖受F1斷層活動影響，節(jié)理較為發(fā)育，而礦體與下盤的圍巖則相對較為完整。礦區(qū)深部巖體的節(jié)理裂隙傾角多呈40°～80°；多數(shù)巷道圍巖的節(jié)理產(chǎn)狀無顯著的整體優(yōu)勢方位，分布較為分散。礦區(qū)深部巖體的傾向大多位于40°～80°、90°～140°、290°～340°之間的范圍內(nèi)。對比各中段的統(tǒng)計結(jié)果可知，隨著開采深度的增大，巖體的節(jié)理裂隙有越密集發(fā)育的趨勢；總體上來說，節(jié)理裂隙發(fā)育密度相差不明顯，測線內(nèi)巖體節(jié)理間距約為25～40cm。巖體的完整性由下盤、礦體、上盤依次遞減；隨著開采深度的不斷加大，各中段巖體的節(jié)理發(fā)育越來越密集，巖體穩(wěn)定性亦越差。

4　深部開采滲流場的數(shù)值模擬研究

4.1深部巖體滲透性能研究

對于含M組節(jié)理裂隙的巖體，假設(shè)節(jié)理裂隙無限延伸且內(nèi)無充填物。獲取節(jié)理裂隙寬度寬和間距、傾角α、傾向β，則在地理北極為坐標(biāo)X軸，東極為Y軸的情況下可通過下述方法計算滲透系數(shù)張量(劉曉麗等，2008；張彥洪等，2009)。

定義第i組節(jié)理裂隙的滲透系數(shù)張量為：

(1)

式中，Kxxi=1-sin2αicos2βi；

Kxyi=Kyxi=-sin2αicosβisinβi；

Kzxi=Kxzi=-sinαicosαicosβi；

Kyyi=1-sin2αisin2βi；Kzzi=1-cos2αi；

αi表示傾角，βi表示傾向，bi為節(jié)理裂隙寬度，Si為節(jié)理裂隙間距，ρ為水密度，μ為水的動力黏滯系數(shù)。

對于含有M組節(jié)理裂隙的巖體滲透系數(shù)張量表達(dá)式為：

(2)

式中，αxi=cosβisinαi；αyi=sinαisinβi；αzi=cosαi；αi為第i組節(jié)理裂隙傾角，0≤αi≤360°；βi為第i組節(jié)理裂隙傾向(方位角)，0≤βi≤360°。

為了便于計算，在礦區(qū)滲流場數(shù)值模擬過程中將工程巖體劃分為上盤、礦體、下盤3個模塊，依據(jù)節(jié)理裂隙統(tǒng)計分析結(jié)果，借助式(1)-式(2)進(jìn)行巖體的滲透系數(shù)計算，作為整個礦區(qū)的巖體滲透性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。各巖體滲透系數(shù)計算結(jié)果(表1)。

表1　深部巖體滲透系數(shù)計算結(jié)果

Table 1　Calculation results of permeability coefficient for rock mass at deep position

巖類最大值/m·s-1最小值/m·s-1平均值/m·s-1上盤1.4418×10-61.3985×10-71.0545×10-6礦體1.1584×10-67.9246×10-89.3193×10-7下盤9.9510×10-78.0153×10-87.6546×10-7

4.2巖體滲透系數(shù)的修正

在基于幾何量測法的滲透系數(shù)計算中，一般假定巖體不同方向裂隙組在裂隙網(wǎng)絡(luò)交叉空間中是連接貫通的。實際上，巖體中的節(jié)理延伸范圍有限，各組節(jié)理也并非相互交切。為此，于青春等(1992，2005)引入了連通率的概念，用以修正理想條件下計算出的滲透系數(shù)：

(3)

式中，k為修正后的滲透系數(shù)，k0為計算值，η為連通率。

圖4　基于Monte-Carlo法的巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬圖Fig.4　Simulation figure of rock mass discontinuity based on Monte-Carlo methoda.上盤；b.礦體；c.下盤

利用概率統(tǒng)計分析處理觀測數(shù)據(jù)，以模擬方位、模擬區(qū)范圍、結(jié)構(gòu)面組數(shù)、各組結(jié)構(gòu)面幾何特征為輸入?yún)?shù)，采用Monte-Carlo結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬軟件對三山島金礦深部巖體的節(jié)理裂隙面特征進(jìn)行隨機(jī)模擬。模擬結(jié)果的節(jié)理裂隙連通情況(圖4)，其中上盤巖體的連通率為86.57%，礦體連通率為89.31%，下盤巖體連通率為87.75%。根據(jù)式(2)計算修正后的巖體滲透系數(shù)：上盤滲透系數(shù)為9.1288×10-7m·s-1，礦體滲透系數(shù)為8.3227×10-7m·s-1，下盤滲透系數(shù)為6.7169×10-7m·s-1。

4.3未來深部開采過程中礦區(qū)滲流場分布特征

作為國內(nèi)少有的濱海開采的大型金屬礦山，三山島金礦可借鑒的安全生產(chǎn)經(jīng)驗與案例較少；而海底礦產(chǎn)的開采相較陸上開采相比，將面臨更嚴(yán)峻的礦山水文地質(zhì)問題。在海水壓力、巖體內(nèi)部滲流場的共同作用下，深部開采擾動所引起的巖體移動變形規(guī)律、滲流場分布特征更為復(fù)雜(Kim et al.，1999)。裂隙擴(kuò)展、斷層活化可能對濱海開采帶來涌水、突水甚至海水潰入的潛在危險。在礦山水文地質(zhì)環(huán)境調(diào)查、節(jié)理裂隙現(xiàn)場測量與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗的基礎(chǔ)上，運用有限差分法數(shù)值軟件FLAC3D模擬計算未來深部開采過程中巖體的滲流場分布特征，為深部采掘工程的設(shè)計施工、礦山水患防治提供一定的指導(dǎo)。

表2　數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)數(shù)值表

Table 2　Physico-mechanical parameters employed in simulation

位置密度/kg·m-3體積模量/GPa剪切模量/GPa泊松比凝聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa滲透系數(shù)/m·s-1上盤27063.372.80.2111.431.348.24.379.13×10-7下盤26355.483.450.2442.836.960.15.986.72×10-7斷層19250.5950.3780.260.12818.420.60.01981.38×10-5礦體27102.511.350.1921.533.157.63.448.32×10-7充填體16100.3040.02450.170.26135.67.430.2124.78×10-6

根據(jù)三山島金礦直屬礦區(qū)未來深部開采的計劃以及礦體賦存狀況建立三維數(shù)值計算模型。模型在X(礦體走向方向)、Y(礦體厚度方向)、Z(鉛垂方向)3個方向上的長度分別為：1100m、750m及950m，模型標(biāo)高為-1255m～-305m；模型共劃分為68680單元，77595節(jié)點(圖5)。按礦床的工程地質(zhì)條件概化后，模型大致可分為5個區(qū)：上盤巖體組、礦體組、下盤巖體組、斷層組以及充填體組。礦區(qū)深部主要巖石的物理力學(xué)參數(shù)選取主要參考修國林等(2011)與冀東(2014)相關(guān)研究中的巖石力學(xué)試驗結(jié)果，巖體和充填體的具體物理力學(xué)數(shù)值參數(shù)(表2)。模型的應(yīng)力邊界依據(jù)蔡美峰等(2013)研究中三山島金礦直屬礦區(qū)現(xiàn)場實測地應(yīng)力的結(jié)果施加。設(shè)定模型力學(xué)邊界條件為底部(z=0)為固定約束邊界，頂部(z=950m)為應(yīng)力邊界，模型其余邊界為單向邊界；滲流場計算邊界為滲透自由邊界。為了更接近三山島金礦深部開采的過程，采用分步開挖的方式進(jìn)行礦山深部開采的模擬。數(shù)值計算自標(biāo)高-555m至標(biāo)高-1005m的深部開采過程，每45m開挖一次，共分10步進(jìn)行開挖。

圖5　三山島金礦深部開采數(shù)值計算模型Fig.5　Numerical calculation model for deep mining in Sanshandao gold mine

通過模擬計算，得到了三山島金礦未來深部開采過程中滲流場分布特征。提取開挖至第十步(標(biāo)高-1005m)時，礦區(qū)整體的孔隙水壓力分布圖(圖6)。模擬計算結(jié)果顯示，礦區(qū)孔隙水壓力變化范圍主要集中在礦體開挖區(qū)域：隨礦體的不斷開采，沿開挖體形成了良好的滲透通道。由于受F3斷層導(dǎo)水帶的影響，沿礦體走向方向靠近該斷層的孔隙水壓變化梯度較大，形成了高滲透水壓力。伴隨著深部高應(yīng)力區(qū)巖體的開挖卸荷作用，巖體裂隙不斷發(fā)育，其滲透特性發(fā)生變化；較高滲透系數(shù)的充填體代替原有礦體后，將進(jìn)一步擴(kuò)大滲流應(yīng)力耦合作用的影響深度和范圍。

圖6　開采至-1005m時礦區(qū)孔隙水壓力云圖Fig.6　Nephogram for pore water pressure when mining to-1005m depth

由于開采卸荷作用及地下水的不斷侵蝕，巖石裂隙不斷發(fā)育，采場區(qū)域內(nèi)巖體滲流場影響范圍伴隨著礦體的開采不斷擴(kuò)大。當(dāng)模擬開采第十步時，滲流場的變化范圍已經(jīng)擴(kuò)展至F3斷層附近區(qū)域。由此分析可知，未來三山島金礦千米深度以下開采過程中，采場圍巖在開挖卸荷、高滲透水壓及地下水作用下有形成新導(dǎo)水通道的可能，這將對采場穩(wěn)定性產(chǎn)生更為顯著的影響。

5　結(jié)　論

針對三山島金礦深部濱海開采特殊的工程環(huán)境，圍繞礦山突水災(zāi)害防治這一問題，詳細(xì)調(diào)查了礦區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境；通過礦坑巖體節(jié)理面測量與結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計，依據(jù)幾何量測法計算了深部巖體的滲透系數(shù)；在現(xiàn)場調(diào)研與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，借助FLAC3D數(shù)值計算手段，對礦區(qū)未來深部開采過程中滲流場的影響范圍進(jìn)行了預(yù)測。研究取得的主要結(jié)論如下：

(1)三山島金礦床屬水文地質(zhì)條件中等-復(fù)雜的裂隙充水礦床。礦坑充水的主要補(bǔ)給源包括海水、基巖鹵水與第四系孔隙潛水。礦區(qū)未來高強(qiáng)度的濱海深部開采過程中可能面臨礦坑涌、突水甚至海水潰入的潛在危險。

(2)礦區(qū)-600m中段、-645m中段、-690m中段3個水平的礦體、上盤及下盤圍巖的節(jié)理裂隙測量與統(tǒng)計結(jié)果表明：巖體的完整性由下盤、礦體、上盤依次遞減；隨著開采深度的不斷加大，各中段巖體的節(jié)理發(fā)育越來越密集，巖體穩(wěn)定性亦越差。

(3)在節(jié)理裂隙調(diào)查統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，采用裂隙幾何量測計算與Monte-Carlo結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬修正的方法確定了礦區(qū)深部巖體的平均滲透系數(shù)：上盤9.1288×10-7m·s-1，礦體8.3227×10-7m·s-1，下盤6.7169×10-7m·s-1，為深部開采滲流場的數(shù)值模擬提供了可靠的計算參數(shù)。

(4)未來三山島金礦千米深度以下開采過程中，采場圍巖在開挖卸荷、高滲透水壓作用下有形成新導(dǎo)水通道的可能，這將對采場穩(wěn)定性產(chǎn)生更為顯著的影響。井巷開拓、回采工程的設(shè)計與施工應(yīng)充分考慮地下水的滲流因素。

Cai M F，Ji D，Guo Q F.2013.Study of rockburst prediction based on in-situ stress measurement and theory of energy accumulation caused by mining disturbance[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，32(10)：1973～1980．

Chen H J，Li X B，Liu A H.2009.Studies of water source determination method of mine water inrush based on Bayes’ multi-group stepwise[J].Rock and Soil Mechanics，30(12)：3655～3659．

Ji D，Peng C，Zhao L，et.al.2013.Application research of ground pressure coupling monitoring network for deep mining in Sanshandao gold mine[J].International Journal of Digital Content Technology and its Applications，7(7)：989～997.

Ji D.2014.Experimental analysis and application research on granite damage under the action of acidic chemical solutions[D].Beijing：University of Science and Technology Beijing.

Kim Y L，Amadei B，Pan E.1999.Modeling the effect of water，excavation Sequence and rock reinforcement with discontinuous deformation analysis[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，36(7)：949～970.

Li G Q，Ma F S，Deng Q H，et al.2008.Seepage characteristic of rock mass in the Xinli mining area based on fracture geometry measurement method[J].Hydrogeology and Engineering Geology，35(2)：54～57，91．

Liu H L，Yang T H，Chen S K，et al.2010.The mechanism of hydraulic fracturing and the engineering meaning of water outburst during rockmass failure[J].Journal of Mining and Safety Engineering，27(3)：356～362．

Liu X L，Wang E Z，Wang S J，et al.2008.Representation method of fractured rock mass and its hydraulic properties study[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，27(9)：1814～1821．

Qian M G，Miao X X，Xu J L，et al.2000.Key strata theory in ground control[M].Beijing：China University of Mining and Technology Press．

Wu F Q，Qi S W.2014.Statistical mechanics on the structure effects of rock masses[J].Journal of Engineering Geology，22(4)：601～609．

Xiu G L，Cai M F.2011.Research on rock mechanics and rock controltechnology in Sanshandao Gold Mine[R].Beijing：University of Science and Technology Beijing．

Yang T H，Tang C A，Tan Z H，et al.2007.State of the art of inrush models in rock mass failure and developing trend for prediction and forecast of groundwater inrush[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，26(2)：268～277．

Wu Y Q，Zhang Z Y.1995.Introduction to rock mass hydraulics[M].Chengdu：Southwest Jiaotong University Press．

Yu Q C，Huang X X.1992.Discrete fracture network flow modeling[J].Hydrogeology and Engineering Geology，19(3)：20～24．

Yu Q C，liu F S，Yuzo O.2005.Three-dimensional planar model for fluid flow in discrete fracture network of rock masses[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，24(4)：662～668．

Zhang Y H，Chai J R.2009.Study on fractal property of fractured rock mass considering seepage characteristics[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，28(S2)：3423～3429．

蔡美峰，冀東，郭奇峰.2013.基于地應(yīng)力現(xiàn)場實測與開采擾動能量積聚理論的巖爆預(yù)測研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，32(10)：1973～1980.

陳紅江，李夕兵，劉愛華.2009.礦井突水水源判別的多組逐步Bayes判別方法研究[J].巖土力學(xué)，30(12)：3655～3659．

冀東.2014.酸性化學(xué)溶液作用下花崗巖損傷機(jī)理的試驗分析與應(yīng)用研究[D].北京：北京科技大學(xué)．

李國慶，馬鳳山，鄧清海，等.2008.基于裂隙量測法的新立礦區(qū)工程巖體滲透性分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，35(2)：54～57，91．

劉洪磊，楊天鴻，陳仕闊，等.2010.巖體破壞突水失穩(wěn)的水壓致裂機(jī)理及工程應(yīng)用分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，27(3)：356～362．

劉曉麗，王恩志，王思敬，等.2008.裂隙巖體表征方法及巖體水力學(xué)特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，27(9)：1814～1821．

錢鳴高，繆協(xié)興，徐家林，等.2000.巖層控制的關(guān)鍵層理論[M].北京：中國礦業(yè)大學(xué)出版社．

伍法權(quán)，祁生文.2014.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的統(tǒng)計巖體力學(xué)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，22(4)：601～609.

仵彥卿，張倬元.1995.巖體水力學(xué)導(dǎo)論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社．

修國林，蔡美峰.2011.三山島金礦巖石力學(xué)與巖層控制技術(shù)研究[R].北京：北京科技大學(xué)．

楊天鴻，唐春安，譚志宏，等.2007.巖體破壞突水模型研究現(xiàn)狀及突水預(yù)測預(yù)報研究發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，26(2)：268～277．

于青春，黃喜新.1992.非連續(xù)裂隙網(wǎng)絡(luò)水流計算機(jī)模擬[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，19(3)：20～24．

于青春，劉豐收，大西有三.2005.巖體非連續(xù)裂隙網(wǎng)絡(luò)三維面狀滲流模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，24(4)：662～668．

張彥洪，柴軍瑞.2009.考慮滲流特性的巖體結(jié)構(gòu)面分形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，28(S2)：3423～3429．

HYDROGEOLOGY INVESTIGATION AND CHARACTERISTICS ANALYSIS OF SEEPAGE FIELD FOR COASTAL MINE IN DEEP EXPLOITATION

JI Dong①②③XU Chen①②LI Tengfei①②WEI Jiaxin①②SUN Xi①②

(①Q(mào)ingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao266032)

(②Geotechnical Engineering Technology Center of Qingdao，Qingdao266032)

(③School of Civil and Environment Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083)

Sanshandao gold mine is located in coastal zone of Lai-Zhou Bay of Shandong Province.It is one of the main mines of Shandong(Laizhou) Gold Group Co.，Ltd.Owing to its special geographical location and complex hydrogeological conditions，large-scale mining engineering is confronted with water-bursting hidden danger.Based on this background，hydrogeological characteristics of the gold mine is regionally divided and evaluated through consideration of fault influence.Joint fracture survey work for 3 levels，where located in deep position of mine area，is implemented.In addition，joints distribution laws of hanging wall，orebody and footwall are studied.Permeability coefficient of deep rock is calculated and reasonably modified on basis of geometry parameters measurement and Monte-Carlo method.With the help of FLAC3Dnumerical calculation means，evolution characteristics and influence scope of seepage field during future deep mining process are forecasted.Achieved results can provide certain guiding significance to safety ensuring projects of deep exploitation mine under complex hydrogeological conditions．

Metal mine，Deep mining near coast，Hydrogeology，Joint fracture measurement，Analysis of seepage fields

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.025

2015-07-15;

2015-11-05.

“十二五”國家科技支撐計劃課題(No.2012BAB08B01)，國家自然科學(xué)基金項目(No.51034001)，河北省自然科學(xué)基金(No.E2013403032)資助.

冀東(1987-)，男，博士，工程師，主要從事巖石力學(xué)與工程、巖土工程勘察技術(shù)研究工作.Email: qdkcyjd@163.com

P641.4

A