深部開采構造型突水危險性數值模擬分析

王鵬飛，李長洪

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

礦井水害是影響和制約我國礦產資源開發利用的主要因素之一[1-2]。近年來，隨著淺部易采礦產資源在常年高強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”(即高地應力、高地溫、高巖溶水壓和強烈開采擾動)復雜力學環境的影響[3-5]，礦井深部圍巖所承受的地壓和水壓越來越大，水文地質條件也變得更加復雜，致使礦井水害威脅日趨嚴重。從目前已有的各礦井突水事故統計資料來看，大部分突水事故都是由于斷裂構造引起的，占各類突水事故的80%以上[6-7]。由此可見，礦井突水問題的實質就是斷裂構造的突水問題。

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，已進入深部開采階段。以往的調查研究及開挖揭露表明[9-10]，三山島金礦導水裂隙發育特征主要受區域性張扭斷裂F3控制，隨著開采深度的增加，構造裂隙水逐漸成為礦坑充水的直接補給來源。除此之外，由于三山島金礦主礦體均位于F3斷層兩側(圖1)，井下各中段回采時均需穿過F3斷層[11]，采掘工作面通過F3斷層時，在斷層帶兩側影響范圍內，巖體破碎程度明顯增強，巷道內濕度大溫度高，淋水嚴重。

圖1 三山島金礦礦區地質圖Fig.1 Geological map of Sanshandao Gold Mine

對于深部開采構造型突水，目前的研究主要集中在礦井突水危險性評價和斷裂構造探查方面[12-15]，而針對一定采動條件下采場通過斷裂構造過程中礦井突水的危險性演化規律研究依然不足。基于此，本文以三山島金礦為工程背景，利用FLAC3D數值模擬軟件建立礦井三維數值模型[16]，并以-825 m中段為主要研究區域，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，礦體、充填體內滲流場以及塑性區的演化過程，對礦井不同開采時段、不同開采區域的突水危險性進行分析。這對于正確認識深部構造型突水演化行為，準確預測礦井突水危險性，合理確定治理方案，實現礦井安全高效生產具有重要意義。

1 工程概況

三山島金礦屬于典型的破碎帶蝕變巖型金礦，礦區內規模較大的斷層有3條[17]。其中，F1斷層，走向為35°，傾向東南，傾角范圍35°～45°，礦體位于F1斷層下盤，天然狀態下F1斷層擠壓緊密，呈硬塑狀，是良好的天然隔水屏障；F2斷層距礦體開采區較遠，因此對井下采場穩定和突水災害影響不是很大；F3斷層貫穿整個礦區，延深大于900 m，走向290°～300°，傾向東北，傾角在85°以上，是礦區主要的導水構造。

根據礦區開采技術條件及水文地質條件，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(標高為-735～-915 m)的采準設計已經完成，即將運用房柱式交替上升式充填法進行生產。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設置為一個盤區，盤區下設8個連續采場：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。

盤區采場開挖充填的順序為：①2#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，除預留頂柱部分外，盤區內的礦體回采完畢(圖3)。

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

2 深部開采數值模型構建

2.1 模型建立

由于三山島金礦礦體賦存形態復雜，本文首先采用CAD軟件完成初步建模，然后將CAD實體模型導入到MIDAS-GTS軟件中，對模型邊緣優化處理后劃分網格，最后在FLAC3D5.0軟件中完成深部開采流-固耦合數值模擬計算，建立的數值模型如圖4所示，模型尺寸為600 m×1 200 m×900 m。計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，生成的實體模型建立共享面后，分別進行網格劃分，共劃分為335 130個單元和58 502個節點。

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

2.2 物理力學參數

三山島金礦中與采礦工程穩定性關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。通過開展室內巖石力學試驗，獲取了礦巖密度、體積模量、抗壓強度、黏聚力和內摩擦角等參數指標。在現場工程與水文地質調查的基礎上，根據巖石類型、巖體分級RMR值、巖體結構面發育程度GSI值、抗壓強度等相關特征參數，對主要礦巖力學參數進行了折減處理，獲得了相關巖體的力學參量，見表1。

表1 巖體力學參數表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.3 模型邊界條件

對于應力場，根據現場地應力的測量結果，三山島礦區最大水平主應力、最小水平主應力和垂直主應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為最大水平主應力；σh,min為最小水平主應力；σv為垂直主應力；H為測點埋深，m。

對于滲流場，根據現場孔隙水壓監測結果，在深部開采流-固耦合數值模型中，自開挖區域頂端至模型底部設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 數值模擬方案及結果分析

3.1 數值模擬方案

三山島金礦采用房柱式交替向上充填采礦法開采，根據現場實際情況，本次模擬開挖區域設在-825 m中段，在該中段選取3個盤區，分別記為-825 m-1盤區、-825 m-2盤區和-825 m-3盤區，其中，-825 m-2盤區和-825 m-3盤區之間為F3斷層。為研究F3斷層內孔隙水壓隨回采活動的變化情況，在斷層內布置兩個孔隙水壓監測點記為1#監測點和2#監測點，1#監測點位于-825 m中段上表面，2#監測點位于-825 m中段下表面，如圖5所示。模擬計算時，中段內盤區開采順序由-825 m-1盤區至-825 m-3，各個盤區內采場布置、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，各留設有8 m礦柱不開挖。

圖5 數值模型開挖中段內盤區劃分Fig.5 Partition of inner panel in excavation sectionof numerical model

3.2 模擬結果分析

3.2.1 -825 m-1盤區回采

圖6為-825 m-1盤區回采過程中采空區圍巖及充填體中孔隙水壓變化云圖。由圖6可知，初始狀態下，F3斷層附近孔隙水壓明顯大于周邊巖體，尤其是在深部區域；隨著回采活動的進行，-825 m-1盤區內的孔隙水壓迅速降低，與其相鄰的-825 m-2盤區以及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構的力學性質和穩定性要求，而且可以起到降低采場附近孔隙水壓的作用，避免突水事故的發生；此外，隨著礦體的回采，-825 m-1盤區和-825 m-2盤區交界位置巖體內的孔隙水壓逐漸升高，且變化非常顯著，呈現“U”型變化趨勢。

圖6 -825 m-1盤區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盤區回采過程中圍巖及充填體中塑性區分布云圖。由圖7可知，初始狀態下，由于受深部地應力影響，F3斷層附近已發生剪切破壞，其他區域均未發生破壞；第一步回采過后，采空區頂板和兩幫主要發生拉破壞，范圍較小；隨著第二步回采活動完成，對第一步采空區進行充填，此時充填體和上部礦體的塑性區破壞模式具有明顯區別，充填體內發生剪切破壞，礦體內主要為拉破壞，在接下來的幾步回采充填過程中也會出現這種現象；此外，-825 m-1盤區與-825 m-2盤區交界位置巖體也發生了塑性破壞，這是導致該區域孔隙水壓逐漸升高的主要原因。

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

3.2.2 -825 m-2盤區回采

圖8為-825 m-2盤區回采過程中采空區圍巖及充填體內孔隙水壓變化云圖。 由圖8可知，-825 m-2盤區逐漸進入F3斷層影響范圍，隨著回采活動的進行，盤區內孔隙水壓迅速降低，與其相鄰的-825 m-3盤區和F3斷層附近孔隙水壓也有大幅下降。此外，由于巖體內節理裂隙不斷延伸擴展并與斷層溝通，形成滲流通道，導致礦坑涌水量迅速升高，斷層內孔隙水壓下降。因此，在現場回采過程中，當工作面接近或通過斷層帶時，是礦井發生突水危險性最大的時刻，應做重點監測，可通過注漿等手段防止水害事故的發生。此外，-825 m-2盤區與F3斷層間留設礦柱內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盤區回采過程中圍巖及充填體中塑性區分布云圖。由圖9可知，隨著開采活動的進行，各盤區內塑性區范圍逐漸擴大，與-825 m-1盤區類似，充填體和礦體塑性區破壞模式具有明顯區別；由于距離較近，受-825 m-2盤區回采活動影響，F3斷層帶巖體再次發生剪切破壞。

3.2.3 -825 m-3盤區回采

圖10為-825 m-3盤區回采過程中采空區圍巖及充填體內孔隙水壓變化云圖。由圖10可知，通過F3斷層繼續回采，-825 m-3盤區和F3斷層內孔隙水壓呈現下降趨勢，受-825 m-2盤區回采降壓作用的影響，孔隙水壓整體較小；-825 m-3盤區側留設礦柱內孔隙水壓略有升高，幅度不大；回采結束后，F3斷層內仍保持一定的孔隙壓力，并逐漸向兩側采空區充填體擴散降低。

圖10 -825 m-3盤區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盤區回采過程中圍巖及充填體內塑性區分布云圖。由圖11可知，隨著回采活動的進行，-825 m-3盤區內塑性區范圍逐漸擴大，且F3斷層受其影響較小，充填體和礦體破壞模式與-825 m-1盤區類似。

圖11 -825 m-3盤區回采過程中塑性區分布云圖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1#監測點、2#監測點孔隙水壓監測結果。對于1#監測點，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盤區回采時，盤區內孔隙水壓下降，此時F3斷層受其影響較小，塑性區范圍變化不大，斷層內水流積聚，孔隙水壓升高；由于-825 m-2盤區和-825 m-3盤區距F3斷層較近，回采活動使得斷層帶巖體裂隙擴展聯通，活化導滲，帶內孔隙水壓迅速下降。對于2#監測點，由于礦井涌水水源來自深部，2#監測點孔隙水壓明顯大于1#監測點，隨著回采活動的進行，逐漸降低；此外還可以看出，-825 m-2盤區和-825 m-3盤區回采活動影響程度要大于-825 m-1盤區。

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

4 結 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，通過開展數值模擬試驗，在模擬采動條件下，尤其是采場通過F3斷層時，礦體、充填體內滲流場以及塑性區的演化過程，對礦井不同開采時段、不同開采區域的突水危險性進行分析，取得結論如下所述。

1) 距離斷層較遠時(-825 m-1盤區)，隨著回采活動的進行，盤區內的孔隙水壓迅速降低，同時對相鄰盤區和斷層內的孔隙水壓也有一定降低作用，但不明顯；盤區內塑性區的范圍逐漸擴大，充填體發生剪切破壞，礦體發生拉破壞。

2) 距離斷層較近時(-825 m-2盤區)，隨著回采活動的進行，巖體內節理裂隙不斷延伸擴展并與斷層溝通，形成滲流通道，導致礦坑涌水量迅速升高，斷層內孔隙水壓下降。因此，現場回采過程中，當工作面接近或通過斷層帶時，是礦井發生突水危險性最大的時刻，應做重點監測，可通過注漿等手段防止水害事故的發生。

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