王鵬飛，李長洪

(1.黃山學(xué)院建筑工程學(xué)院，安徽 黃山 245041； 2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

礦井水害是影響和制約我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用的主要因素之一[1-2]。近年來，隨著淺部易采礦產(chǎn)資源在常年高強(qiáng)度消耗過程中日益枯竭，礦井開采深度不斷增大，受“三高一擾動”(即高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈開采擾動)復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的影響[3-5]，礦井深部圍巖所承受的地壓和水壓越來越大，水文地質(zhì)條件也變得更加復(fù)雜，致使礦井水害威脅日趨嚴(yán)重。從目前已有的各礦井突水事故統(tǒng)計(jì)資料來看，大部分突水事故都是由于斷裂構(gòu)造引起的，占各類突水事故的80%以上[6-7]。由此可見，礦井突水問題的實(shí)質(zhì)就是斷裂構(gòu)造的突水問題。

三山島金礦位于膠東半島西北部，是我國最大的海底黃金開采礦山[8]。目前，礦井采掘深度超過-1 000 m，已進(jìn)入深部開采階段。以往的調(diào)查研究及開挖揭露表明[9-10]，三山島金礦導(dǎo)水裂隙發(fā)育特征主要受區(qū)域性張扭斷裂F3控制，隨著開采深度的增加，構(gòu)造裂隙水逐漸成為礦坑充水的直接補(bǔ)給來源。除此之外，由于三山島金礦主礦體均位于F3斷層兩側(cè)(圖1)，井下各中段回采時(shí)均需穿過F3斷層[11]，采掘工作面通過F3斷層時(shí)，在斷層帶兩側(cè)影響范圍內(nèi)，巖體破碎程度明顯增強(qiáng)，巷道內(nèi)濕度大溫度高，淋水嚴(yán)重。

圖1 三山島金礦礦區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geological map of Sanshandao Gold Mine

對于深部開采構(gòu)造型突水，目前的研究主要集中在礦井突水危險(xiǎn)性評價(jià)和斷裂構(gòu)造探查方面[12-15]，而針對一定采動條件下采場通過斷裂構(gòu)造過程中礦井突水的危險(xiǎn)性演化規(guī)律研究依然不足?；诖耍疚囊匀綅u金礦為工程背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立礦井三維數(shù)值模型[16]，并以-825 m中段為主要研究區(qū)域，采用房柱式交替向上充填采礦法，在模擬采動條件下，尤其是采場通過F3斷層時(shí)，礦體、充填體內(nèi)滲流場以及塑性區(qū)的演化過程，對礦井不同開采時(shí)段、不同開采區(qū)域的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。這對于正確認(rèn)識深部構(gòu)造型突水演化行為，準(zhǔn)確預(yù)測礦井突水危險(xiǎn)性，合理確定治理方案，實(shí)現(xiàn)礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 工程概況

三山島金礦屬于典型的破碎帶蝕變巖型金礦，礦區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的斷層有3條[17]。其中，F(xiàn)1斷層，走向?yàn)?5°，傾向東南，傾角范圍35°～45°，礦體位于F1斷層下盤，天然狀態(tài)下F1斷層擠壓緊密，呈硬塑狀，是良好的天然隔水屏障；F2斷層距礦體開采區(qū)較遠(yuǎn)，因此對井下采場穩(wěn)定和突水災(zāi)害影響不是很大；F3斷層貫穿整個礦區(qū)，延深大于900 m，走向290°～300°，傾向東北，傾角在85°以上，是礦區(qū)主要的導(dǎo)水構(gòu)造。

根據(jù)礦區(qū)開采技術(shù)條件及水文地質(zhì)條件，三山島金礦采用房柱式交替向上充填采礦法，如圖2所示，該方法屬于“無間柱連續(xù)采礦”范疇。

圖2 房柱交替向上充填采礦法示意圖Fig.2 Schematic diagram of room pillar alternate upward filling mining method

目前，三山島金礦深部采場(標(biāo)高為-735～-915 m)的采準(zhǔn)設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，即將運(yùn)用房柱式交替上升式充填法進(jìn)行生產(chǎn)。深部采場礦體平均厚度約為20 m，沿礦體走向方向長度每80 m設(shè)置為一個盤區(qū)，盤區(qū)下設(shè)8個連續(xù)采場：1#采場、2#采場、3#采場、4#采場、5#采場、6#采場、7#采場、8#采場。盤區(qū)高度為45 m，礦體傾角45°，頂柱留3 m左右厚度的礦體暫不開采。

盤區(qū)采場開挖充填的順序?yàn)椋孩?#采場、4#采場、6#采場、8#采場一步采至高度9 m；②接頂充填2#采場、4#采場、6#采場、8#采場，1#采場、3#采場、5#采場、7#采場回采至高度18 m，其中，前9 m為二步采，后9 m為一步采；③接頂充填1#采場、3#采場、5#采場、7#采場，2#采場、4#采場、6#采場、8#采場回采至高度27 m，其中，前9 m為二步采，后9 m為一步采；④接頂充填2#采場、4#采場、6#采場、8#采場，1#采場、3#采場、5#采場、7#采場回采至高度36 m，其中，前9 m為二步采，后9 m為一步采；⑤接頂充填1#采場、3#采場、5#采場、7#采場，2#采場、4#采場、6#采場、8#采場回采至高度42 m，其中，前9 m為二步采，后6 m為一步采；⑥接頂充填2#采場、4#采場、6#采場、8#采場，1#采場、3#采場、5#采場、7#采場二步采至高度42 m；⑦接頂充填1#采場、3#采場、5#采場、7#采場，除預(yù)留頂柱部分外，盤區(qū)內(nèi)的礦體回采完畢(圖3)。

①-一步采；②-二步采；1#、2#等-采場圖3 三山島礦區(qū)深部采場回采順序Fig.3 Mining sequence of deep stope inSanshandao Mining Area

2 深部開采數(shù)值模型構(gòu)建

2.1 模型建立

由于三山島金礦礦體賦存形態(tài)復(fù)雜，本文首先采用CAD軟件完成初步建模，然后將CAD實(shí)體模型導(dǎo)入到MIDAS-GTS軟件中，對模型邊緣優(yōu)化處理后劃分網(wǎng)格，最后在FLAC3D5.0軟件中完成深部開采流-固耦合數(shù)值模擬計(jì)算，建立的數(shù)值模型如圖4所示，模型尺寸為600 m×1 200 m×900 m。計(jì)算模型主要由上盤巖體、下盤巖體、礦體、開挖礦體、頂柱、F3斷層、F1斷層和覆土等8個部分組成，生成的實(shí)體模型建立共享面后，分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分為335 130個單元和58 502個節(jié)點(diǎn)。

圖4 深部開采流-固耦合數(shù)值模擬計(jì)算模型Fig.4 Numerical simulation model of fluid structurecoupling in deep mining

2.2 物理力學(xué)參數(shù)

三山島金礦中與采礦工程穩(wěn)定性關(guān)系較為密切的礦巖主要有二長花崗巖、絹英巖化花崗巖、絹英巖和下盤花崗巖。通過開展室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，獲取了礦巖密度、體積模量、抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)指標(biāo)。在現(xiàn)場工程與水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖石類型、巖體分級RMR值、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度GSI值、抗壓強(qiáng)度等相關(guān)特征參數(shù)，對主要礦巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了折減處理，獲得了相關(guān)巖體的力學(xué)參量，見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.3 模型邊界條件

對于應(yīng)力場，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力的測量結(jié)果，三山島礦區(qū)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力均隨深度變化呈線性增加趨勢，描述可見式(1)。

(1)

式中：σh,max為最大水平主應(yīng)力；σh,min為最小水平主應(yīng)力；σv為垂直主應(yīng)力；H為測點(diǎn)埋深，m。

對于滲流場，根據(jù)現(xiàn)場孔隙水壓監(jiān)測結(jié)果，在深部開采流-固耦合數(shù)值模型中，自開挖區(qū)域頂端至模型底部設(shè)梯度增加孔隙水壓力，從而形成滲流場，其中底部最大水壓力為3.6 MPa。

3 數(shù)值模擬方案及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬方案

三山島金礦采用房柱式交替向上充填采礦法開采，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，本次模擬開挖區(qū)域設(shè)在-825 m中段，在該中段選取3個盤區(qū)，分別記為-825 m-1盤區(qū)、-825 m-2盤區(qū)和-825 m-3盤區(qū)，其中，-825 m-2盤區(qū)和-825 m-3盤區(qū)之間為F3斷層。為研究F3斷層內(nèi)孔隙水壓隨回采活動的變化情況，在斷層內(nèi)布置兩個孔隙水壓監(jiān)測點(diǎn)記為1#監(jiān)測點(diǎn)和2#監(jiān)測點(diǎn)，1#監(jiān)測點(diǎn)位于-825 m中段上表面，2#監(jiān)測點(diǎn)位于-825 m中段下表面，如圖5所示。模擬計(jì)算時(shí)，中段內(nèi)盤區(qū)開采順序由-825 m-1盤區(qū)至-825 m-3，各個盤區(qū)內(nèi)采場布置、尺寸和開挖充填順序不變，需要指出的是，在模型F3斷層兩側(cè)，各留設(shè)有8 m礦柱不開挖。

圖5 數(shù)值模型開挖中段內(nèi)盤區(qū)劃分Fig.5 Partition of inner panel in excavation sectionof numerical model

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 -825 m-1盤區(qū)回采

圖6為-825 m-1盤區(qū)回采過程中采空區(qū)圍巖及充填體中孔隙水壓變化云圖。由圖6可知，初始狀態(tài)下，F(xiàn)3斷層附近孔隙水壓明顯大于周邊巖體，尤其是在深部區(qū)域；隨著回采活動的進(jìn)行，-825 m-1盤區(qū)內(nèi)的孔隙水壓迅速降低，與其相鄰的-825 m-2盤區(qū)以及F3斷層深部的孔隙水壓整體也有所下降，說明采用房柱式交替向上充填法開采不僅可以保證滿足礦柱等采場結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性要求，而且可以起到降低采場附近孔隙水壓的作用，避免突水事故的發(fā)生；此外，隨著礦體的回采，-825 m-1盤區(qū)和-825 m-2盤區(qū)交界位置巖體內(nèi)的孔隙水壓逐漸升高，且變化非常顯著，呈現(xiàn)“U”型變化趨勢。

圖6 -825 m-1盤區(qū)回采過程中孔隙水壓變化云圖Fig.6 Cloud chart of pore water pressure change during -825 m-1 panel mining

圖7展示了-825 m-1盤區(qū)回采過程中圍巖及充填體中塑性區(qū)分布云圖。由圖7可知，初始狀態(tài)下，由于受深部地應(yīng)力影響，F(xiàn)3斷層附近已發(fā)生剪切破壞，其他區(qū)域均未發(fā)生破壞；第一步回采過后，采空區(qū)頂板和兩幫主要發(fā)生拉破壞，范圍較小；隨著第二步回采活動完成，對第一步采空區(qū)進(jìn)行充填，此時(shí)充填體和上部礦體的塑性區(qū)破壞模式具有明顯區(qū)別，充填體內(nèi)發(fā)生剪切破壞，礦體內(nèi)主要為拉破壞，在接下來的幾步回采充填過程中也會出現(xiàn)這種現(xiàn)象；此外，-825 m-1盤區(qū)與-825 m-2盤區(qū)交界位置巖體也發(fā)生了塑性破壞，這是導(dǎo)致該區(qū)域孔隙水壓逐漸升高的主要原因。

圖7 -825 m-1盤區(qū)回采過程中塑性區(qū)分布云圖Fig.7 Distribution map of plastic distinction in -825 m-1 panel mining process

3.2.2 -825 m-2盤區(qū)回采

圖8為-825 m-2盤區(qū)回采過程中采空區(qū)圍巖及充填體內(nèi)孔隙水壓變化云圖。 由圖8可知，-825 m-2盤區(qū)逐漸進(jìn)入F3斷層影響范圍，隨著回采活動的進(jìn)行，盤區(qū)內(nèi)孔隙水壓迅速降低，與其相鄰的-825 m-3盤區(qū)和F3斷層附近孔隙水壓也有大幅下降。此外，由于巖體內(nèi)節(jié)理裂隙不斷延伸擴(kuò)展并與斷層溝通，形成滲流通道，導(dǎo)致礦坑涌水量迅速升高，斷層內(nèi)孔隙水壓下降。因此，在現(xiàn)場回采過程中，當(dāng)工作面接近或通過斷層帶時(shí)，是礦井發(fā)生突水危險(xiǎn)性最大的時(shí)刻，應(yīng)做重點(diǎn)監(jiān)測，可通過注漿等手段防止水害事故的發(fā)生。此外，-825 m-2盤區(qū)與F3斷層間留設(shè)礦柱內(nèi)的孔隙水壓逐漸升高，形成的“U”型趨勢更為明顯。

圖8 -825 m-2盤區(qū)回采過程中孔隙水壓變化云圖Fig.8 Cloud chart of pore water pressure change in -825 m-2 panel mining process

圖9展示了-825 m-2盤區(qū)回采過程中圍巖及充填體中塑性區(qū)分布云圖。由圖9可知，隨著開采活動的進(jìn)行，各盤區(qū)內(nèi)塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，與-825 m-1盤區(qū)類似，充填體和礦體塑性區(qū)破壞模式具有明顯區(qū)別；由于距離較近，受-825 m-2盤區(qū)回采活動影響，F(xiàn)3斷層帶巖體再次發(fā)生剪切破壞。

3.2.3 -825 m-3盤區(qū)回采

圖10為-825 m-3盤區(qū)回采過程中采空區(qū)圍巖及充填體內(nèi)孔隙水壓變化云圖。由圖10可知，通過F3斷層繼續(xù)回采，-825 m-3盤區(qū)和F3斷層內(nèi)孔隙水壓呈現(xiàn)下降趨勢，受-825 m-2盤區(qū)回采降壓作用的影響，孔隙水壓整體較小；-825 m-3盤區(qū)側(cè)留設(shè)礦柱內(nèi)孔隙水壓略有升高，幅度不大；回采結(jié)束后，F(xiàn)3斷層內(nèi)仍保持一定的孔隙壓力，并逐漸向兩側(cè)采空區(qū)充填體擴(kuò)散降低。

圖10 -825 m-3盤區(qū)回采過程中孔隙水壓變化云圖Fig.10 Cloud chart of pore water pressure change in -825 m-3 panel mining process

圖11展示了-825 m-3盤區(qū)回采過程中圍巖及充填體內(nèi)塑性區(qū)分布云圖。由圖11可知，隨著回采活動的進(jìn)行，-825 m-3盤區(qū)內(nèi)塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，且F3斷層受其影響較小，充填體和礦體破壞模式與-825 m-1盤區(qū)類似。

圖11 -825 m-3盤區(qū)回采過程中塑性區(qū)分布云圖Fig.11 Distribution map of plastic distinction in -825 m-3 panel mining process

圖12為回采過程中F3斷層內(nèi)1#監(jiān)測點(diǎn)、2#監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓監(jiān)測結(jié)果。對于1#監(jiān)測點(diǎn)，孔隙水壓變化可劃分為上升階段、第一次下降階段和第二次下降階段三個階段。-825 m-1盤區(qū)回采時(shí)，盤區(qū)內(nèi)孔隙水壓下降，此時(shí)F3斷層受其影響較小，塑性區(qū)范圍變化不大，斷層內(nèi)水流積聚，孔隙水壓升高；由于-825 m-2盤區(qū)和-825 m-3盤區(qū)距F3斷層較近，回采活動使得斷層帶巖體裂隙擴(kuò)展聯(lián)通，活化導(dǎo)滲，帶內(nèi)孔隙水壓迅速下降。對于2#監(jiān)測點(diǎn)，由于礦井涌水水源來自深部，2#監(jiān)測點(diǎn)孔隙水壓明顯大于1#監(jiān)測點(diǎn)，隨著回采活動的進(jìn)行，逐漸降低；此外還可以看出，-825 m-2盤區(qū)和-825 m-3盤區(qū)回采活動影響程度要大于-825 m-1盤區(qū)。

圖12 回采過程中F3斷層滑動破碎帶孔隙水壓監(jiān)測結(jié)果Fig.12 Monitoring results of pore water pressure in F3 fault sliding fracture zone during mining

4 結(jié) 論

本文以三山島金礦為工程背景，采用房柱式交替向上充填采礦法，通過開展數(shù)值模擬試驗(yàn)，在模擬采動條件下，尤其是采場通過F3斷層時(shí)，礦體、充填體內(nèi)滲流場以及塑性區(qū)的演化過程，對礦井不同開采時(shí)段、不同開采區(qū)域的突水危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，取得結(jié)論如下所述。

1) 距離斷層較遠(yuǎn)時(shí)(-825 m-1盤區(qū))，隨著回采活動的進(jìn)行，盤區(qū)內(nèi)的孔隙水壓迅速降低，同時(shí)對相鄰盤區(qū)和斷層內(nèi)的孔隙水壓也有一定降低作用，但不明顯；盤區(qū)內(nèi)塑性區(qū)的范圍逐漸擴(kuò)大，充填體發(fā)生剪切破壞，礦體發(fā)生拉破壞。

2) 距離斷層較近時(shí)(-825 m-2盤區(qū))，隨著回采活動的進(jìn)行，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙不斷延伸擴(kuò)展并與斷層溝通，形成滲流通道，導(dǎo)致礦坑涌水量迅速升高，斷層內(nèi)孔隙水壓下降。因此，現(xiàn)場回采過程中，當(dāng)工作面接近或通過斷層帶時(shí)，是礦井發(fā)生突水危險(xiǎn)性最大的時(shí)刻，應(yīng)做重點(diǎn)監(jiān)測，可通過注漿等手段防止水害事故的發(fā)生。

3) 通過斷層之后(-825 m-3盤區(qū))，受回采降壓作用影響，盤區(qū)內(nèi)孔隙水壓整體較小，并逐漸向兩側(cè)采空區(qū)充填體擴(kuò)散降低；此外，隨著埋深的增加，斷層突水危險(xiǎn)性迅速升高。