趙恰,蘇偉,王旭,郭曉強(qiáng),彭云

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司,福建 廈門 361016)

我國金屬非金屬礦山灰?guī)r巖溶含水層富水性較強(qiáng),礦山在開拓過程中受限于工作面排水能力,往往面臨較高的水患風(fēng)險(xiǎn),因此井巷工程在灰?guī)r巖溶含水層掘進(jìn)之前,一般采用預(yù)注漿技術(shù)在擬掘進(jìn)的巷道周邊形成注漿帷幕體,封堵過水通道,減少涌水量[1-2].近年隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步,針對(duì)流固耦合條件下的圍巖穩(wěn)定性及滲流特性方面開展了大量研究,如傅鶴林等在充分考慮地下水的影響條件下,提出了流固耦合的數(shù)學(xué)模型[3-4];路平基于MIDAS GTS有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)富水軟巖隧道預(yù)注漿前后圍巖變形與應(yīng)力特性、滲流控制因素進(jìn)行了模擬分析,評(píng)價(jià)了預(yù)注漿效果[5];程正剛等通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬分析,認(rèn)為朱村煤礦運(yùn)輸大巷的預(yù)注漿工程大幅度減少了巷道涌水量[6];徐波等采用ABAQUS軟件構(gòu)建了千米深井工作面注漿三維數(shù)值模型,對(duì)安居煤礦井筒工作面預(yù)注漿效果進(jìn)行了模擬分析[7].大量研究成果對(duì)評(píng)價(jià)開拓巷道預(yù)注漿工程效果起到了積極作用.

本文以某礦山灰?guī)r巖溶含水層水文地質(zhì)資料為基礎(chǔ),基于Phase2軟件分別模擬井巷直接開挖和預(yù)注漿后開挖這2種條件下的巷道位移、地下水流場和巷道涌水量,評(píng)價(jià)預(yù)注漿工程的堵水率和有效性.

1 工程概況

某鉛鋅礦-160 m中段運(yùn)輸巷在延伸過程中需穿過灰?guī)r巖溶含水層,根據(jù)礦區(qū)水文地質(zhì)資料,灰?guī)r巖溶含水層滲透系數(shù)為0.100～0.736 m/d,鉆孔巖溶率為0.16%～1.96%,富水性中等.根據(jù)水文觀測孔資料,該區(qū)域地下水位在標(biāo)高68 m左右,因此-160 m中段運(yùn)輸巷開拓期間將面臨2.0 MPa以上的高壓水威脅.為防止-160 m中段運(yùn)輸巷開拓過程中突水事故發(fā)生,參考國內(nèi)外相關(guān)礦山防治水經(jīng)驗(yàn),在開拓掘進(jìn)過程中采區(qū)工作面采用預(yù)注漿防治水技術(shù).

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)礦山的水文地質(zhì)模型采用Phase2彈塑性有限元分析軟件,構(gòu)建流固耦合模型,模擬分析不同工況條件下的圍巖變形和地下水滲流,對(duì)比分析巷道預(yù)注漿工程的效果.

2.1 地質(zhì)模型建立

數(shù)值模擬是構(gòu)建在地質(zhì)體物理模型、本構(gòu)模型和力學(xué)形態(tài)基礎(chǔ)上,采用有限元等數(shù)值分析方法,計(jì)算其應(yīng)變和破壞狀態(tài)的變化過程.所以,首先應(yīng)根據(jù)模擬對(duì)象(地質(zhì)體)的地質(zhì)特征進(jìn)行分析,構(gòu)建符合研究對(duì)象的地質(zhì)模型[8-9].根據(jù)礦山采區(qū)設(shè)計(jì)-160 m中段開拓工程中約560 m主巷位于灰?guī)r巖溶含水層中,巷道斷面設(shè)計(jì)尺寸為3.200 m×3.067 m,漿液有效擴(kuò)散范圍為3 m,如圖1所示.

圖1 灰?guī)r含水層開拓巷道地質(zhì)模型

依據(jù)圣維南原理,模型尺寸須大于巷道開挖尺寸的5倍[10],所以建立模型尺寸為40 m×40 m,模型采用三角形網(wǎng)格剖分,如圖2所示.

圖2 模型概化與網(wǎng)格剖分

2.2 邊界條件及自重應(yīng)力場

模型位移邊界:采用水平和垂直方向約束,取x和y方向位移為0[11].

自重應(yīng)力場:上覆巖體自重q可按式(1)計(jì)算.

q=-∑γihi.

(1)

式中:γi為巖體容重,其中第四系取22.6 kN/m3,灰?guī)r取27.2 kN/m3;hi為地層厚度,模型上部第四系地層厚20 m,灰?guī)r地層厚240 m.

經(jīng)式(1)計(jì)算,整個(gè)模型施加上覆壓力的等效荷載為-6.98 MPa(模型中負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力).

2.3 水力邊界條件

擬開拓區(qū)域?qū)崪y地下水位標(biāo)高為68 m,-160 m開拓中段位于地下水位線以下,故模型取定水頭邊界,四周水頭邊界均為68 m.巷道開挖后,巷道四周為排水泄壓狀態(tài),故開挖后巷道四周水頭邊界取0 m.

2.4 本構(gòu)模型

將模型中的灰?guī)r地質(zhì)體概化為彈塑性材料,本次模擬計(jì)算選用摩爾-庫倫理想彈塑性模型:

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ.

(2)

式中:fs為剪應(yīng)力;σ1為最大主應(yīng)力;σ3為最小主應(yīng)力;c為內(nèi)聚力;φ為內(nèi)摩擦角.

從式(2)可以看出,剪應(yīng)力取決于最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3,而第二主應(yīng)力σ2對(duì)材料屈服不產(chǎn)生影響.在材料達(dá)到屈服后,其應(yīng)力不再隨應(yīng)變而變化,塑性階段的應(yīng)變只有塑性應(yīng)變[12-14].

2.5 材料參數(shù)

2.5.1 滲透系數(shù)

利用擬開拓區(qū)域215/SK2水文孔,對(duì)灰?guī)r巖溶含水層開展壓(注)水試驗(yàn),壓(注)水試驗(yàn)數(shù)據(jù):壓水流量155 m3/d,試驗(yàn)水頭40 m,試段長度30 m,鉆孔半徑0.045 m.依據(jù)《水利水電工程鉆孔壓水試驗(yàn)規(guī)程》(SL 31—2003)地層滲透系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中:K為巖體滲透系數(shù),m/d;Q為壓水流量,m3/d;H為試驗(yàn)水頭,m;L為試段長度,m;r為鉆孔半徑,m.

將壓(注)水試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(3),可得擬開拓區(qū)域灰?guī)r巖溶含水層滲透系數(shù)K=0.134 m/d.圍巖注漿后的滲透系數(shù)參照礦山注漿工程結(jié)石體滲透性檢測報(bào)告，取滲透系數(shù)K=2.6×10-4m/d.

2.5.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)礦山工程地質(zhì)條件,巖組為灰?guī)r和注漿體.根據(jù)礦山巖石力學(xué)試驗(yàn)選取巖石物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示.

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 巷道直接開挖與預(yù)注漿后開挖位移對(duì)比分析

模擬巷道直接開挖與預(yù)注漿后開挖,得到位移云圖如圖3所示.從圖3可知：灰?guī)r巖溶地層直接開挖時(shí),巖體變形影響范圍較大,巷道頂板的最大位移為3 mm;預(yù)注漿治理后,巖體的抗拉強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量均得到了提升,提高了巖體的抗變形能力,巷道開挖后巖體的變形影響范圍大幅減小,且開挖后巷道頂板的最大位移減小至1.6 mm,僅為直接開挖時(shí)最大位移的53.3%,說明預(yù)注漿對(duì)圍巖的加固效果明顯,提高了圍巖的抗變形能力,有效減小了開挖過程中圍巖的破壞強(qiáng)度和影響范圍,達(dá)到減小巷道周邊過水通道尺寸和范圍的目的.

圖3 直接開挖與預(yù)注漿后開挖位移對(duì)比

3.2 巷道直接開挖與預(yù)注漿后開挖周邊滲流場對(duì)比分析

圖4為直接開挖與預(yù)注漿后開挖巷道周邊流場圖,圖4中的箭頭代表流線,箭頭方向代表水流方向,流線越密集則水流越集中.從圖4的流線分布上可以看出:在地下水位68 m條件下,巷道開挖后主要從頂板涌水,直接開挖后巷道頂板的地下水最大流速達(dá)到4×10-5m/s,平均流速達(dá)到2×10-5m/s;預(yù)注漿后開挖巷道頂板的最大流速為3.3×10-7m/s,平均流速為3×10-7m/s.預(yù)注漿后開挖相比直接開挖,地下水向巷道滲流速度大幅減小.

圖4 直接開挖與預(yù)注漿后開挖巷道周邊流場對(duì)比

3.3 巷道直接開挖與預(yù)注漿后開挖巷道涌水量對(duì)比分析

巷道單位涌水量等于流速乘以過流斷面面積.分別將模型計(jì)算的直接開挖和預(yù)注漿后巷道開挖時(shí)的地下水流速與設(shè)計(jì)巷道斷面面積相乘就可以得到直接開挖和預(yù)注漿后開挖時(shí)的巷道涌水量,計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 巷道涌水量計(jì)算結(jié)果

從表3可以看出:在灰?guī)r巖溶含水層地下水位68 m條件下,直接開挖時(shí)巷道的涌水量將達(dá)到22.11 m3/d,而預(yù)注漿后開挖單位巷道涌水量僅為0.21 m3/d,巷道超前帷幕預(yù)注漿的堵水率達(dá)到99%以上.采用預(yù)注漿治理后巷道可在少水或無水的條件下掘進(jìn),有效避免巷道掘進(jìn)中的突水事故發(fā)生.

4 結(jié)論

1)在流固耦合的相關(guān)理論基礎(chǔ)上,利用phase2軟件開展巷道掘進(jìn)滲流模擬研究,能預(yù)測巷道掘進(jìn)時(shí)的涌水量,可作為巷道防治水治理效果評(píng)價(jià)的依據(jù).

2)預(yù)注漿治理,在巷道周邊形成注漿固結(jié)體,封堵過水通道,有效減少擬開挖區(qū)域與灰?guī)r巖溶含水層之間的水力聯(lián)系,大幅減小巷道涌水量,使巷道在少水或無水的條件下掘進(jìn),避免巷道掘進(jìn)中的突水事故發(fā)生.