＊朱生青

（通化鋼鐵集團(tuán)大栗子礦業(yè)有限責(zé)任公司 吉林 134600）

隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，礦產(chǎn)資源需求增加，這一趨勢(shì)已經(jīng)成為當(dāng)今全球經(jīng)濟(jì)體系的一個(gè)顯著特征[1-2]。礦產(chǎn)資源，如煤炭、石油、金屬礦物和稀土元素，一直以來(lái)都是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的重要元素，在建設(shè)、制造、能源生產(chǎn)以及高科技行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用[3]。為滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求，礦產(chǎn)資源的開(kāi)采方式也在不斷演變，其中一個(gè)顯著的變化是從露天開(kāi)采向地下開(kāi)采的轉(zhuǎn)變[4]。然而，地下開(kāi)采也伴隨著一系列挑戰(zhàn)，其中在地下開(kāi)采過(guò)程中可能產(chǎn)生的涌水、片幫、冒頂火災(zāi)等事故影響極為重大[5]。因此，針對(duì)具有涌水風(fēng)險(xiǎn)的礦山，開(kāi)展井下開(kāi)采滲流穩(wěn)定性分析對(duì)保障礦山安全生產(chǎn)具有十分重要的實(shí)際意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)滲流穩(wěn)定性分析也取得了許多進(jìn)展[6-7]。其中，張宇[8]利用ABAQUS基于強(qiáng)度折減法更準(zhǔn)確高效的獲取尾礦庫(kù)的穩(wěn)定安全系數(shù)；杜志錦[9]基于Geo-studio軟件，構(gòu)建尾礦庫(kù)數(shù)值分析模型，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析；周磊[10]基于強(qiáng)度折減法，利用COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立露天邊坡在滲流作用下的有限元模型，為露天邊坡治理與防護(hù)提供了參考意見(jiàn)；劉豪[11]依據(jù)滲流連續(xù)性方程和達(dá)西定律，利用FEFLOW建立三維非穩(wěn)定的流數(shù)學(xué)模型，模擬開(kāi)采條件下的地下水流場(chǎng)并預(yù)測(cè)礦坑涌水量；宋霽洪[12]利用FLAC3D對(duì)三圣鐵礦井下開(kāi)采擾動(dòng)影響進(jìn)行滲流特性分析，為井下安全開(kāi)采提供參考意見(jiàn)。本文以小灣溝鐵礦為研究背景，利用FLAC3D進(jìn)行滲流穩(wěn)定性分析，對(duì)井下開(kāi)采采場(chǎng)涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模擬分析，為礦山地下礦體安全回采提供支撐。

1.礦床開(kāi)采技術(shù)條件

小灣溝鐵礦礦區(qū)位于長(zhǎng)白山系龍崗山脈東北部的南支脈，主體山脈走向以北北東～北東向?yàn)橹?，支脈走向東南，為海拔600～700m的低山切割地區(qū)，相對(duì)高差209m左右，區(qū)內(nèi)最高海拔593.6m，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高408m，區(qū)內(nèi)主礦體（1-1、18-1）分布標(biāo)高449～48m。本區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水，而降水大部分沿山坡以地表徑流的形式排泄到地表河流，只有部分下滲補(bǔ)給基巖風(fēng)化裂隙水。基巖裂隙水以地下徑流形式排泄于山間溝谷，局部地形有利地段以泉水形式排泄。第四系砂、礫石水補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和裂隙的徑流補(bǔ)給。此地下水與河水為互補(bǔ)關(guān)系。雨季多集中在7月、8月份，年平均降雨量600～800mm。礦區(qū)內(nèi)的地表水主要為松花江水系支流蛟河支流西南岔河，位于設(shè)計(jì)圈定的巖移界線(xiàn)20m外，由西向東流經(jīng)本區(qū)東部，常年有水，雨季流量1860L/s。設(shè)計(jì)圈定巖移范圍內(nèi)礦區(qū)內(nèi)有暴雨時(shí)形成的一條小沖溝，大雨、暴雨時(shí)雨水匯集至沖溝，然后流入西南岔河中。沖溝地勢(shì)相對(duì)較低，且位于采區(qū)中部，受采動(dòng)影響較大。礦山設(shè)計(jì)中將275m標(biāo)高以上礦體留作地表保安礦柱，對(duì)破碎帶兩側(cè)按10m留設(shè)隔離保安礦柱；對(duì)西南岔河按I級(jí)保護(hù)留設(shè)防水保安礦柱，設(shè)計(jì)中將275m標(biāo)高以上礦體不予回采，防水柱厚度為110m，并按照河床邊界外推20m，按側(cè)翼70°留設(shè)。地表水體及防水保安礦柱留設(shè)，如圖1所示。前期研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)設(shè)置保安礦柱和優(yōu)化回采方案，地表是穩(wěn)定的，但礦坑涌水風(fēng)險(xiǎn)影響重大，直接威脅井下人員和設(shè)備安全。因此，有必要開(kāi)展小灣溝鐵礦井下開(kāi)采滲流穩(wěn)定性分析研究，以論證開(kāi)采過(guò)程中的滲流特征和涌水風(fēng)險(xiǎn)，保障礦山安全生產(chǎn)。

圖1 計(jì)算模型圖

2.開(kāi)采擾動(dòng)下的滲流規(guī)律模擬分析

(1)邊界條件概化

①外邊界條件。當(dāng)研究范圍的邊界存在隔水層或地下水分水嶺時(shí)，該邊界視為隔水邊界，即零流量邊界。若研究范圍邊界距離核心區(qū)域足夠遠(yuǎn)，則核心區(qū)域的滲流場(chǎng)擾動(dòng)擴(kuò)散至邊界處，從而避免對(duì)邊界處的滲流條件產(chǎn)生影響，則此時(shí)研究范圍的邊界可視為已知水頭邊界。②內(nèi)邊界條件。根據(jù)地質(zhì)資料可知，本次模擬區(qū)域內(nèi)巖體裂隙、巖溶基本不發(fā)育。綜合礦山水文地質(zhì)情況，選擇的含水層為研究區(qū)域內(nèi)地表以下35m范圍，隔水層為研究區(qū)域地表以下35m至所建滲流計(jì)算網(wǎng)格模型的底部，并以隔水層為分界劃分透水層和不透水層，其中隔水層頂板之上為透水層（滲透系數(shù)為1×10-7m/s），隔水層頂板之下為不透水層?？紤]到實(shí)際情況和數(shù)值模擬分析的特點(diǎn)，需考慮不利條件，因此本次模擬分析將隔水頂板以下的礦體設(shè)置為透水層，并設(shè)置較低的滲透系數(shù)（1×10-10m/s）。根據(jù)擋水溝壩體標(biāo)高，確定本次模擬的水頭標(biāo)高為+420m，其中將頂部邊界設(shè)置為潛水面邊界，進(jìn)行河流與地下水的水量交換。同時(shí)確定初始孔隙水壓力為水位面到隔水層范圍內(nèi)的各單元孔隙水壓力。滲流計(jì)算模型如圖1所示。

(2)應(yīng)力條件設(shè)置

涉及到的應(yīng)力條件包括地應(yīng)力特征和礦體、圍巖的物理力學(xué)參數(shù)，本次滲流計(jì)算應(yīng)力條件假定如下：①由于礦體埋深較淺，只考慮自重，地應(yīng)力采用自重應(yīng)力；②礦體、圍巖力學(xué)參數(shù)參照巖石物理力學(xué)參數(shù)表，通過(guò)折減后確定，結(jié)果如表1所示。

表1 巖石物理力學(xué)參數(shù)

(3)滲流模擬結(jié)果分析

根據(jù)礦山礦體賦存特征以及實(shí)際開(kāi)采順序，礦體開(kāi)采順序?yàn)橄滦惺介_(kāi)采，開(kāi)挖順序分四步（對(duì)應(yīng)四個(gè)中段）依次進(jìn)行，分析不同開(kāi)采工況下潛在的采場(chǎng)涌水問(wèn)題。

①初始滲流結(jié)果分析

模型初始孔隙水壓力分布特征，如圖2所示。由圖2可知：在地表河流和沖溝分布及匯集區(qū)域，從水頭標(biāo)高至隔水層頂板的范圍內(nèi)分布有初始孔隙水壓力。研究結(jié)果表明：受地表水以及地表水與地下水交換的影響，該范圍內(nèi)保安礦柱存在潛在充水可能。

圖2 初始孔隙水壓力分布

②各中段礦體開(kāi)采模擬結(jié)果

在245m中段、215m中段、185m中段和155m中段礦體開(kāi)采條件下的采場(chǎng)孔隙水壓力分布特征如圖3～圖6所示。由圖可知：各中段回采時(shí)井下各采場(chǎng)孔隙水壓力均為0，基本無(wú)充水，表明井下采場(chǎng)基本不受地表河流和沖溝滲流的影響，基本沒(méi)有涌水風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 245m中段開(kāi)采采場(chǎng)孔隙水壓力分布

圖4 215m中段開(kāi)采采場(chǎng)孔隙水壓力分布

圖5 185m中段開(kāi)采采場(chǎng)孔隙水壓力分布

圖6 155m中段開(kāi)采采場(chǎng)孔隙水壓力分布

綜上，對(duì)比分析初始滲流場(chǎng)和各中段開(kāi)采過(guò)程中的采場(chǎng)孔隙水壓力分布結(jié)果可知，從+420m高程至隔水層頂板之上的范圍內(nèi)分布有一定的初始孔隙水壓力，表明該區(qū)域存在充水現(xiàn)象。如不采取措施，后續(xù)礦體開(kāi)采時(shí)，可能會(huì)引起由于地表水和地下水交換引起的涌水風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)留設(shè)防水礦柱，在開(kāi)采245～155m中段礦體時(shí)，井下采場(chǎng)孔隙水壓力均為0，無(wú)涌水風(fēng)險(xiǎn)。因此，為避免采場(chǎng)涌水，設(shè)計(jì)留設(shè)頂部防水礦柱是非常必要的?？紤]到井下開(kāi)采過(guò)程中擾動(dòng)傳播以及礦山巖體工程地質(zhì)力學(xué)特性的復(fù)雜性，裂隙發(fā)育和擴(kuò)展并可能貫通，尤其是在雨季生產(chǎn)，會(huì)增加涌水風(fēng)險(xiǎn)的可能。因此，在開(kāi)采過(guò)程中仍有必要加強(qiáng)滲流監(jiān)測(cè)，以更好的保障井下礦體安全高效回采。

3.結(jié)論

本文利用FLAC3D軟件建立了小灣溝鐵礦滲流網(wǎng)格模型，并開(kāi)展了井下各中段開(kāi)采的滲流計(jì)算模擬，對(duì)預(yù)留礦柱的防水安全性、采場(chǎng)涌水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：（1）+420m高程至隔水層頂板之上的范圍內(nèi)分布有一定的初始孔隙水壓力，存在充水現(xiàn)象，預(yù)留防水保安礦柱后，各中段礦體開(kāi)采后各采場(chǎng)孔隙水壓力均為0，地表水未進(jìn)入下部采場(chǎng)，基本沒(méi)有潛在涌水風(fēng)險(xiǎn)，留設(shè)防水保安礦柱是十分必要的措施。（2）鑒于礦山井下涌水風(fēng)險(xiǎn)對(duì)井下安全生產(chǎn)影響重大，雖然通過(guò)留設(shè)防水保安礦柱可以保障井下各中段開(kāi)采過(guò)程中無(wú)潛在涌水風(fēng)險(xiǎn)，但是仍有必要加強(qiáng)滲流和涌水風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，從而更好的保障礦山安全生產(chǎn)。