中關鐵礦堵水帷幕模型的建立及其穩定性分析

夏 冬 常 宏

(1. 華北理工大學礦業工程學院，河北 唐山063009;2. 河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山063009;3. 河北鋼鐵集團沙河中關鐵礦有限公司，河北，沙河054100)

隨著經濟的快速發展，國家對礦產資源的需求量越來越大，而易于開采的資源已開采殆盡，為實現采礦業的可持續發展，對水文地質條件復雜的礦產資源的開采已陸續展開［1］。為保護地下水資源，合理開發礦產資源，帷幕注漿是減少滲流量行之有效的方法。帷幕注漿技術在大紅山鐵礦［2］、水口山鉛鋅礦［3］、冬瓜山銅礦［4］、吳莊鐵礦［5］、萊新鐵礦［6］、濟鋼張馬屯鐵礦［7-8］、中關鐵礦［9-10］等礦山中得到了應用，并取得了良好的隔水作用。

注漿堵水帷幕施工完成后，可有效地減少地下水向礦區的涌入量，起到堵截地下水的作用，但在井巷施工及礦體開采的過程中，需對堵水帷幕內的圍巖進行疏干排水，隨著疏干排水的進行，勢必會在堵水帷幕內外形成一定的水力梯度，進而在帷幕內外形成一定的水壓差，這將對堵水帷幕的穩定性產生很大的不利影響。因此，注漿堵水帷幕的長期穩定性和堵水的有效性成為影響水文地質條件復雜的大水礦山能否正常開采的關鍵因素。目前，國內外許多學者對注漿堵水帷幕漿料配比、施工工藝、施工質量以及防滲效果等方面開展了大量的研究工作，但關于帷幕內圍巖疏干排水對堵水帷幕穩定性產生不良影響方面的研究成果則相對較少。為此，本研究結合中關鐵礦注漿堵水帷幕工程，在礦區水文地質、工程地質和鉆孔資料分析的基礎上，建立了堵水帷幕區域的三維地質模型、三維數字化模型和三維力學計算模型，并應用COMSOL Multiphysics 多物理場分析軟件，分析了疏干排水對堵水帷幕的影響范圍和影響程度，劃分出應力擾動嚴重區和明顯區，對注漿堵水帷幕的穩定性做出了初步評價，為礦山建設和帷幕穩定性監測系統的建立提供了基礎數據。

1 模型建立

1.1 三維模型建立

中關鐵礦位于河北省沙河市白塔鎮中關村境內，為水文地質條件特別復雜、涌水量大的大水礦山。為減少礦山開采過程中的排水量，采用注漿堵水帷幕的方式堵截地下水。根據礦山的工程地質、水文地質和鉆孔數據資料，建立礦區的三維地質模型和三維數字化模型。由于受有限元網格劃分和計算機性能的限制，需將地質模型進行必要的簡化，簡化后模型的長、寬、高分別為2 500、2 000、850 m，其中Y 軸正方向所指為正北方向。最終得到的三維地質模型、三維數字化模型和三維力學計算模型分別如圖1、圖2 和圖3所示。

圖1 三維地質模型Fig.1 Three-dimensional geological model

圖2 堵水帷幕三維數字化模型Fig.2 Three-dimensional digital model of plugging curtain

圖3 三維力學模型(單位:m)Fig.3 Three-dimensional mechanical model

1.2 模型邊界條件設置

為了能夠模擬疏干排水對注漿堵水帷幕穩定性的影響，計算時將三維力學模型分為2 種工況:一是在地下水自然流動的情況下，假設注漿堵水帷幕完全防水，對帷幕內外的初始應力分布情況進行分析;二是在初始應力分析的基礎上，對帷幕內進行疏干排水，并對疏干排水引起的應力重分布進行分析。重力場作用下的邊界條件可設定為:X 和Y 方向的位移預設為0，頂面設定為自由面，底面設定為固定面。滲流場作用下的邊界條件設定為:東、西側邊界的定水頭分別為－100 m 和－80 m，南、北側邊界為零通量，模型頂面的壓力為0，底面設為不透水面。

1.3 巖體物理力學參數

帷幕施工完成后，假設疏干排水沒有對帷幕外圍巖體產生影響，同時假設地下水不會對帷幕體的強度產生弱化作用，則可通過室內巖石物理力學試驗，結合現場巖體宏觀調查分析確定帷幕外圍巖體及帷幕體的物理力學參數，計算模型中帷幕及帷幕外圍巖體采用的物理力學參數如表1 所示。

表1 巖體物理力學參數Table 1 Physico-mechanical parameters of rock mass

2 模擬結果及分析

2.1 初始應力場分析

在三維力學模型的基礎上，根據上述確定的巖體物理力學參數，采用COMSOL Multiphysics 多物理場分析軟件對初始應力場進行計算。計算后的應力分布如圖4 所示。

圖4 初始條件下Von Mises 應力分布Fig.4 Von Mises stress distribution under initial condition

從圖4可以看出:在初始應力場條件下，帷幕內外的應力基本呈層狀分布，并且隨著垂直深度的增加應力呈逐漸遞增趨勢，且帷幕外應力增加值大于帷幕內的應力增加值。隨著深度的增加，在堵水帷幕與圍巖接觸區域應力集中現象趨于明顯。在－170 m 和－230 m 2 個水平截面之間，帷幕內外兩側的壓力差比較大，這是因為這2 個位置對應于奧陶系中統石灰巖，且奧陶系中統石灰巖的富水性和透水性均高于其周圍巖體，這使得其對水壓分布的影響也較為明顯。在帷幕的終端處，帷幕與其內側接觸的圍巖處出現了高應力集中區，帷幕內外的應力差值約為5.0 MPa，產生這種現象的原因可以從地質情況得到解釋，此處灰巖與閃長巖分為上下2 層，由于灰巖為強透水層而閃長巖為隔水層，同時由于注漿帷幕體的剛度與其接觸的圍巖剛度的差異較大，所以在該處形成了高應力集中區。

2.2 疏干排水后帷幕穩定性分析

在進行礦體開采之前，需對帷幕內圍巖進行疏干排水。當帷幕內水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，帷幕內外產生0.9 ～1.3 MPa 的水壓差，由于水壓差的存在，從而使得帷幕體上產生附加作用力。根據礦體開采范圍與注漿堵水帷幕的相對位置關系，選取典型的觀察線剖面進行應力分析，選取的觀察線位置如圖5 所示。

圖5 剖切線位置Fig.5 Slice line position graph

其中Ⅰ線和Ⅱ線的剖切面均為礦體開采范圍與注漿堵水帷幕相對較近的位置。帷幕內圍巖疏干排水后Ⅰ線剖面和Ⅱ線剖面的Von Mises 應力分布和應力分布曲線如圖6 和圖7 所示。

圖6 水壓影響下Ⅰ線Von Mises 應力分布Fig.6 Von Mises stress distribution of lineⅠby hydraulic pressure

由圖6 和圖7 可以看出，疏干排水后在堵水帷幕上和堵水帷幕與圍巖的接觸區域均產生了明顯的應力集中現象。由圖6 可以看出，當帷幕內水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在Ⅰ線剖面西南側的帷幕內外分別形成了2.8 MPa 和3.0 MPa 的應力差，Ⅰ線剖面與西南側帷幕體接觸區域產生的應力集中現象較其與東北側帷幕接觸區域產生的應力集中現象更為明顯，這是因為堵水帷幕施工前，礦區西部和西南部的來水，都經中關鐵礦向東部和東北部匯集于鳳凰山降落漏斗區，并經人工開采方式排泄于地表，堵水帷幕施工完成后，由于西部和西南部的來水在礦區處的流動受到堵水帷幕的攔截作用，使得堵水帷幕西側和西南側的水頭高于東側和東北側。由圖7 可以看出，當帷幕內水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在Ⅱ線剖面西側的帷幕內外分別形成2.8 MPa 和3.0 MPa 的應力差，Ⅱ線剖面與帷幕體西側接觸區域產生的應力集中現象較東側更為明顯，這是因為礦體西側的開采邊界距堵水帷幕的距離大約只有50 m，且堵水帷幕西側的水位高于東側。通過上述分析可知，疏干排水后，Ⅰ線剖面與西南側堵水帷幕接觸區域及Ⅱ線剖面與西側堵水帷幕接觸區域的內外應力差及應力集中程度均較其他部位明顯。因此，應在Ⅰ線剖面與南側堵水帷幕的交界處及Ⅱ線剖面與西側堵水帷幕交界處增加水位監測孔，加強這2 處堵水帷幕內外水位動態變化情況的監測，評估疏干排水過程中堵水帷幕的穩定性。

圖7 水壓影響下Ⅱ線Von Mises 應力分布Fig.7 Von Mises stress distribution of line Ⅱby hydraulic pressure

3 結 論

(1)在初始應力場條件下，堵水帷幕內外的應力基本呈層狀分布，隨著深度的增加應力呈逐漸遞增趨勢，且帷幕外應力增加值大于帷幕內的應力增加值;隨著深度的增加，在堵水帷幕與圍巖接觸區域應力集中現象趨于明顯;在帷幕的終端處，帷幕與其內側接觸的圍巖處形成高應力集中區。

(2)疏干排水對帷幕內外應力差及帷幕與圍巖接觸區域的應力集中程度均具有較大影響，帷幕內水位下降到－170 m 和－230 m 水平時，在帷幕內外產生0.9 ～1.3 MPa 的水壓差;疏干排水后，Ⅰ線剖面與西南側堵水帷幕接觸區域及Ⅱ線剖面與西側堵水帷幕接觸區域的內外應力差及應力集中程度均較其他部位明顯。

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