基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型的新立礦區(qū)巖體滲透性分析

王劍波 張永亮,2 李 威(.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 煙臺 265607；2.青島理工大學(xué)黃島校區(qū)汽車學(xué)院,山東 青島 266520)

·地質(zhì)與測量·

基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型的新立礦區(qū)巖體滲透性分析

王劍波1張永亮1,2李 威1(1.山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦,山東 煙臺 265607；2.青島理工大學(xué)黃島校區(qū)汽車學(xué)院,山東 青島 266520)

為了掌握三山島金礦井下巖體滲水特性，確保海底采礦的生產(chǎn)安全，分析了新立礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，調(diào)查了-105 m、-135 m 2個(gè)中段礦坑出水點(diǎn)并建立各中段滲水區(qū)水力聯(lián)系，研究新立礦區(qū)巖體滲透系數(shù)張量，在一個(gè)測量面內(nèi)把大測量區(qū)劃分成許多小測區(qū)，把一定數(shù)量的小測區(qū)測量結(jié)果合并，得到不同大小測量面的結(jié)果。開發(fā)滲透張量計(jì)算程序，計(jì)算得出-105 m、-135 m中段巖體滲透系數(shù)張量和綜合滲透系數(shù)，基于對新立礦區(qū)現(xiàn)場巖石露頭的抽樣統(tǒng)計(jì)，建立巖體結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)概率分布模型，通過對新立礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面進(jìn)行隨機(jī)模擬計(jì)算，得出巖體結(jié)構(gòu)面連通率，修正了礦區(qū)巖體滲透系數(shù)。實(shí)測結(jié)果表明，采用連通率修正理想條件下計(jì)算出的滲透系數(shù)，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

地下礦山 滲透系數(shù) 巖體 結(jié)構(gòu)模型

礦山生產(chǎn)安全已成為世界礦業(yè)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，國內(nèi)外大量采礦工程實(shí)踐表明，對于地下含水豐富的礦山，準(zhǔn)確掌握礦床巖體的滲透性，了解礦區(qū)水文地質(zhì)條件，據(jù)此判斷可能發(fā)生的涌水地段，是礦山安全生產(chǎn)必須要解決的重要問題[1-5]。山東黃金礦業(yè)(萊州)有限公司三山島金礦新立礦區(qū)地質(zhì)儲量大，緊鄰渤海，主要可采礦體均賦存于海底下部巖體中，礦區(qū)投產(chǎn)后，將成為中國最大的海底黃金開采礦山，礦區(qū)存在涌、突水甚至海水潰入的潛在危險(xiǎn)[6-9]。對新立礦山而言，地下礦山巖體工程的安全受到采礦技術(shù)條件、巖石成分及其地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)所制約，同時(shí)，還進(jìn)一步受礦區(qū)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及巖體工程條件的控制，這就要求在采礦過程中保證地下采場側(cè)向和前緣井巷巖體的穩(wěn)定性，預(yù)防涌水和水淹。

1 新立礦區(qū)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

礦山開采過程中出現(xiàn)的采空區(qū)很容易破壞礦山地質(zhì)原有的平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致地質(zhì)力學(xué)場和地下水流場失去原有平衡，這些是礦井涌水的主要原因。對礦山地質(zhì)涌水預(yù)測預(yù)報(bào)，必須要掌握礦山地質(zhì)水文條件，明確具體礦山特定的工程采掘、地下含水量、地應(yīng)力場條件等客觀因素[10-13]。

1.1 單中段礦坑出水點(diǎn)分區(qū)分析

(1)-105 m中段巷道出水點(diǎn)分布特征。礦區(qū)已開拓巷道中，-105 m中段處于最上層，巷道調(diào)查總米數(shù)1 135.1 m，調(diào)查水點(diǎn)數(shù)217處。從現(xiàn)場各個(gè)中段的調(diào)查情況對比來看，該中段的滲水、滴水最為嚴(yán)重，并且局部存在常流水的現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，-105 m中段巷道出水情況按其特征可劃分為圖1所示①～⑤幾個(gè)區(qū)域。

圖1 -105 m中段水點(diǎn)分區(qū)

(2)-135 m中段巷道出水點(diǎn)分布特征。-135 m中段巷道調(diào)查水點(diǎn)數(shù)220處。出水強(qiáng)度明顯弱于上覆-105 m中段，但相對其他中段來說，-135 m中段依然是滲水、滴水較為嚴(yán)重的中段。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查的出水情況，-135 m中段出水主要表現(xiàn)在圖2所示①～④幾個(gè)區(qū)域。

圖2 -135 m中段出水點(diǎn)分區(qū)

1.2 各中段滲水區(qū)水力聯(lián)系分析

對于礦區(qū)已開拓并成一定規(guī)模的-105 m中段到-135 m中段，在縱深方向揭露上、下盤基巖含水帶30 m，這些中段巷道所揭露的滲水點(diǎn)基本上可以反映目前這種工程狀態(tài)下礦區(qū)的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。因此搞清目前各中段滲水區(qū)域的水力聯(lián)系，對于摸清礦區(qū)不同空間部位水力的特征和掌握礦區(qū)各水文地質(zhì)單元之間的聯(lián)系及預(yù)測其今后動(dòng)態(tài)變化都有著十分重要的意義。通過前面單中段的分析，可以得出-105 m中段與-135 m滲水區(qū)投影疊加圖(見圖3)。

圖3 -105 m中段滲水區(qū)與-135 m中段滲水區(qū)疊加圖

由于這2個(gè)中段都是未開采中段，下部相近的-200 m開采中段開采時(shí)間不長、開采強(qiáng)度也不高，因此巷道的水點(diǎn)分布與滲水強(qiáng)度受采礦工程活動(dòng)影響很小。從圖3可以看出，2個(gè)中段的水點(diǎn)分布很密切，現(xiàn)場調(diào)查時(shí)也發(fā)現(xiàn)這2個(gè)中段的整體滲水較其他中段更為強(qiáng)烈，主要表現(xiàn)在水點(diǎn)分布較多，巷道壁面大多濕水連片。-105 m中段局部較大出水點(diǎn)的出水強(qiáng)度大于-135 m中段，這從2個(gè)中段取水樣的流量反映較為明顯。

這2個(gè)中段在沿脈大巷、川脈以及上盤措施井石門的滲水區(qū)域都對應(yīng)分布，相對滲水特征也比較相似，下面對2中段上下相對應(yīng)的-105 m中段下盤滲水②區(qū)和-135 m中段下盤滲水①區(qū)采用節(jié)理統(tǒng)計(jì)等密度圖進(jìn)行詳細(xì)分析(見圖4、圖5)。

圖4 -105 m中段滲水②區(qū)節(jié)理統(tǒng)計(jì)等密度圖

圖5 -135 m中段滲水①區(qū)節(jié)理統(tǒng)計(jì)等密度圖

從圖4可以看出，滲水嚴(yán)重的②區(qū)存在4組占優(yōu)勢的節(jié)理組；從圖5可以看出，滲水較嚴(yán)重的①區(qū)存在較多組節(jié)理；從產(chǎn)狀分布上可以看到，第1組節(jié)理和第4組節(jié)理實(shí)為1組節(jié)理(傾向相差近180°，平均傾角相同)，所以對于滲水①區(qū)存在4組優(yōu)勢節(jié)理。由此，對于2中段上下對應(yīng)的這2個(gè)滲水區(qū)域，相對應(yīng)的占優(yōu)勢的節(jié)理組發(fā)育較好，-105 m中段滲水②區(qū)的第4組、第3組與-135 m中段滲水①區(qū)的第5組、第4組和第1組基本上是同組裂隙，因此滲水裂隙連通性比較明顯，水力聯(lián)系較好。

2 礦床巖體滲透張量計(jì)算與分析

根據(jù)新立礦區(qū)的特點(diǎn)，研究其巖體滲透系數(shù)張量時(shí)，在一個(gè)測量面內(nèi)把大測量區(qū)劃分成許多小測區(qū)，然后對每個(gè)小測區(qū)分別進(jìn)行測量。在數(shù)據(jù)分析中，把一定數(shù)量的小測區(qū)合并，即可得到不同大小測量面的結(jié)果。在測量面選擇中，一個(gè)要注意的問題是測量面應(yīng)盡可能與幾組裂隙相交，或者在同一測量地點(diǎn)選幾個(gè)不同走向的測量面，以防那些平行于某一測量面的裂隙漏測。在實(shí)際測量中，測量面的位置、長、寬和方位都進(jìn)行記錄，以便于計(jì)算裂隙間距和密度。

2.1 滲透張量計(jì)算程序

由于量測的結(jié)構(gòu)面數(shù)據(jù)量大，滲透系數(shù)的計(jì)算過程也比較復(fù)雜，研究中采用C#語言和面向?qū)ο蠓椒ň幹屏藵B透張量計(jì)算程序來完成計(jì)算工作。

C#是從C和C++演變而來的，程序的開發(fā)過程包括創(chuàng)建新程序的用戶界面，設(shè)置用戶界面中各對象的屬性，編寫程序代碼，保存和運(yùn)行程序，創(chuàng)建可執(zhí)行文件。程序界面友好，操作方便。滲透系數(shù)張量的計(jì)算結(jié)果見圖6。

2.2 礦區(qū)工程巖體滲透特征分析

目前，新立礦區(qū)處于試開采階段，開拓了7個(gè)中段，最深達(dá)-400 m，試生產(chǎn)的有-200 m、-360 m和-400 m 3個(gè)中段。從空間位置關(guān)系看，由于第四系隔水層的連續(xù)性和隔水性尚未完全查清，第四系富水層對礦床上部巖體構(gòu)成了直接的威脅。從礦床上部-105 m、-135 m中段沿脈巷道現(xiàn)場量測的巖體裂隙幾何信息出發(fā)，運(yùn)用開發(fā)的滲透張量計(jì)算程序，計(jì)算了礦區(qū)-105 m、-135 m中段沿脈巷道工程巖體滲透系數(shù)張量和綜合滲透系數(shù)。各中段滲透系數(shù)散點(diǎn)圖示于圖7、圖8。

圖6 滲透系數(shù)張量計(jì)算結(jié)果

圖7 -105 m中段沿脈滲透系數(shù)散點(diǎn)圖

圖8 -135 m中段沿脈滲透系數(shù)散點(diǎn)圖

3 隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型在滲透性分析中的應(yīng)用

地球巖體在地質(zhì)演變過程中受到復(fù)雜的地應(yīng)力場作用，巖體本身的材料構(gòu)成也并不單一，這些因素導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)面的展布沒有規(guī)律可循。針對新立礦區(qū)巖體裂隙的滲漏分析，在傳統(tǒng)的裂隙巖體野外幾何測量法的基礎(chǔ)上，采用下述途徑分析礦床巖體的滲透特性。

(1)首先對開挖的井巷露頭進(jìn)行了詳細(xì)的觀測記錄，對具有隨機(jī)分布特征的裂隙的觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲取不同部位裂隙的分布規(guī)律和分布參數(shù)；

(2)利用隨機(jī)模擬方法構(gòu)建礦床巖體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型；

(3)在繪圖軟件中提取裂隙的幾何參數(shù)，計(jì)算裂隙的滲透參數(shù)；

(4)根據(jù)隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型所反映出的裂隙有關(guān)參數(shù)計(jì)算等效滲透系數(shù)，通過多次模擬后可得到礦床巖體滲透性的分布規(guī)律。

3.1 結(jié)構(gòu)面幾何參數(shù)概率分布模型

通過對新立礦區(qū)現(xiàn)場巖石露頭的抽樣統(tǒng)計(jì)，得到結(jié)構(gòu)面的各個(gè)幾何參數(shù)的概率分布形式和數(shù)字特征。巖體結(jié)構(gòu)面方位一般呈均勻或正態(tài)分布，跡長、間距、隙寬一般呈負(fù)指數(shù)、對數(shù)正態(tài)分布。基于上述假設(shè)，可建立幾何參數(shù)概率分布模型。

均勻分布：

正態(tài)分布：

∞.

對數(shù)正態(tài)分布：

負(fù)指數(shù)分布：

f(x)=λe-λx.

通過實(shí)測的結(jié)構(gòu)面方位、跡長、間距、隙寬的數(shù)據(jù)，由直方圖、概率圖法等方法，確定結(jié)構(gòu)面隨機(jī)變量的概率分布形式，即建立方位、跡長、間距、隙寬的概率模型，如正態(tài)分布、均勻分布、負(fù)指數(shù)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布等。

3.2 礦區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬

根據(jù)結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，大體以上盤、下盤措施井石門東北、下盤措施井石門西南為分區(qū)分別模擬結(jié)構(gòu)面隨機(jī)分布情況，并估算結(jié)構(gòu)面的連通率。模擬區(qū)大小為30m×30m。

3.2.1 -105m中段巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬

上盤結(jié)構(gòu)面見圖9所示。

3.2.2 -135m中段巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬

下盤措施井石門東北結(jié)構(gòu)面見圖10所示。

3.2.3 巖體結(jié)構(gòu)面連通率

各中段巖體結(jié)構(gòu)面連通率模擬計(jì)算結(jié)果見表1。

圖9 -105 m中段上盤巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬

圖10 -135 m中段下盤巖體結(jié)構(gòu)面隨機(jī)模擬

表1 各中段結(jié)構(gòu)面連通率

Table 1 Connectivity rate of structural plane at each middle section

中段/m范圍連通率/%上盤85.87-105下盤措施井石門東北83.17下盤措施井石門西南86.17上盤84.23-135下盤措施井石門東北81.38下盤措施井石門西南87.32

3.3 礦區(qū)巖體修正滲透系數(shù)計(jì)算

應(yīng)用幾何量測法進(jìn)行滲透系數(shù)計(jì)算，一般做如下假設(shè)：多組不同方向的裂隙組構(gòu)成巖體系統(tǒng)內(nèi)的空隙，這些裂隙組互相交叉連通，并且彼此互不影響。于青春等為了修正理想條件下計(jì)算出的滲透系數(shù)，引入了連通率的概念。將修正的滲透系數(shù)應(yīng)用于新立礦區(qū)巖體，結(jié)果表明修正后的系數(shù)更符合實(shí)際，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 新立礦區(qū)工程巖體修正后的綜合滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 The corrected comprehensive permeability conductivity statistics of engineering rock mass in Xinli mining area

4 總 結(jié)

(1)新立礦區(qū)礦床巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育的不均勻性，決定了礦區(qū)地下徑流強(qiáng)度的差異性。整體來說，礦區(qū)滲水裂隙連通性比較明顯，水力聯(lián)系較好。

(2)根據(jù)現(xiàn)場量測得結(jié)構(gòu)面幾何數(shù)據(jù)，計(jì)算了各測量窗口的綜合滲透系數(shù)。中段工程巖體的滲透性大于下部中段的滲透性，這是由于隨埋深的增加，巖體裂隙的發(fā)育程度和裂隙張開度均有所降低，巖體滲透性隨之降低。

(3)建立了結(jié)構(gòu)面幾何分布概率模型，采用模擬得到的連通率修正了綜合滲透系數(shù)，采用連通率修正理想條件下計(jì)算出的滲透系數(shù)，更加符合實(shí)際，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

[1] Caja M A，Permanyer A，Marfil R，et a1．Fluid flow record from fracture-fill calcite in the Eocene limestones from the South-Pyrenean Basin(NE Spain)and its relationship to oil shows[J]．Journal of Geochemical Exploration，2006，89(13)：27-32．

[2] 陳 偉，阮懷寧．隨機(jī)連續(xù)模型分析裂隙巖體耦合行為[J]．巖土力學(xué)，2008，29(10)：2708-2712． Chen Wei，Ruan Huaining.Continuous model of stochastic coupling behavior of fractured rock[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(10):2708-2712.

[3] Pinault J L，Plagnes V，Aquilina L.Inverse modeling of the hydro-logical and hydro-chemical behavior of hydro-systems：characterization of Karst system functioning[J].Water Resources Research，2001，37(8):2191-2204.

[4] 張永亮，蔡嗣經(jīng).礦山巖體壓裂控制及裂隙滲流與應(yīng)力關(guān)系分析[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2011,28(1):43-46. Zhang Yongliang，Cai Sijing.Control of mine rock mass fracturing and analysis relationship between fissure seepage and stress[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(1)：43-46.

[5] Giacomini A，Buzzi O，F(xiàn)errero A M，et a1．Numerical study of flow anisotropy within a single natural rock joint[J]．International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2008，45：47-48．

[6] 肖 江，高喜才，馬岳譚，等．富水覆巖采動(dòng)裂隙滲流相似模擬研究[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2008，25(1)：50-53． Xiao Jiang，Gao Xicai，Ma Yuetan,et al.Water-rich overburden similar simulation of fracture flow[J].Mining and Safety Engineering,2008,25(1):50-53.

[7] 張金才，張玉卓.應(yīng)力對裂隙巖體滲流影響的研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1998，32(20)：19-22. Zhang Jincai，Zhang Yuzhuo.Seepage effects of stress on the research[J].Geotechnical Engineering，1998，32(20)：19-22.

[8] 張永亮，劉耀香，陳喜山.膠東半島礦山地?zé)豳Y源利用方法[J].金屬礦山，2014(5):158-161. Zhang Yongliang，Liu Yaoxiang，Chen Xishan.Research and application of use method of mines geothermal resources in Jiaodong Peninsula[J].Metal Mine，2014(5):158-161.

[9] 張 立，惠 冰，張慶松.深井巷道斷層涌水探查與封堵治理[J].金屬礦山，2014(5):15-20. Zhang Li，Hui Bing，Zhang Qingsong.Fault water gushing exploration and plugging management in deep mine roadway[J].Metal Mine，2014(5):15-20.

[10] 袁 博，張召千，張百勝.破碎圍巖注漿加固數(shù)值模擬分析與工程應(yīng)用[J].金屬礦山，2013(7):45-48. Yuan Bo，Zhang Zhaoqian，Zhang Baisheng.Numerical simulation of grouting reinforcement of cracked surrounding rocks and its application in engineering[J].Metal Mine，2013(7):45-48.

[11] Zhang Yongliang，Cai Sijing.A new way of making use of heat rock mass energy of mine underground[J].APPEEC，2011(3):168-172.

[12] Detournay E，Cheng A H D,Roegierss J C,et al.Poroelasticity considerations in in-situ stress determination by hydraulic fracturing[J].Int J Rock Mech Mining Sci & Geomech Abstr,1989,25(3):171-182.

[13] 張永亮，蔡嗣經(jīng)，吳 迪.礦山地?zé)崮軕?yīng)用于沼氣池加溫系統(tǒng)中的試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43(8)：3270-3273. Zhang Yongliang，Cai Sijing，Wu Di.Test study on heating system of mining geothermal used in digester[J].Journal of Central South University，2012，43(8)：3270-3273.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Analysis of Permeability Coefficient of Rock Mass in Xinli Mining Area Based on the Stochastic Structural Model

Wang Jianbo1Zhang Yongliang1,2Li Wei1
(1.SanshandaoGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai265607，China；2.HuangdaoCampusAutomotiveSchool，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266520，China)

In order to grasp the water seepage characteristics of underground rocks in Sanshandao Gold Mine，and ensure the mining production safety at seabed，the hydrological and geological features of Xinli mining area is analyzed，and the water bursting points at -105 m and -135 m middle section are investigated，and hydraulic connections of every seepage zone in the middle are built.The permeability coefficient tensor of rock mass in Xinli mining area is researched.A large measurement area is divided into various small survey zones in a measurement plane，and then the measured data from some small zones are merged together，obtaining the measurement results of different areas.Based on the calculation program of permeability tensor，the permeability coefficient tensor and the overall permeability conductivity at -105 m and -135 m middle section are calculated out.According to the statistics of out-crop sampling in Xinli mining area，the geometry parameter probability distribution model of rock structural plane is established.The random simulation calculation of the rock structural plane in Xinli mining area is carried out to obtain the connectivity rate of rock structural plane，and correct the rock permeability coefficient.The measured results show that the permeability coefficient n the ideal condition of the corrected connectivity rate has a good practical application value.

Underground mine，Permeability conductivity，Rock mass，Structural model

2014-10-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：51204100)，中國博士后科學(xué)基金特別項(xiàng)目(編號：2014T70658)，中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號：2013M541934)，山東省高等學(xué)校科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(編號J14LH03)，山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目(編號：201303045)，青島市科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號：14-2-4-95-jch)。

王劍波(1962—)，男，高級工程師。通訊作者 張永亮(1979—)，副教授，博士后。

TD743

A

1001-1250(2015)-01-077-05