濱海礦山深部開采水壓—水溫—圍巖應力監測與突水機理

王 軍 劉景軍 王延平

(1.山東理工大學建筑工程學院,山東 淄博 255049;2.山東建勘集團有限公司,山東 濟南 251000)

遭受高地應力、高溫、開采擾動等復雜環境影響,海底礦產的開采比陸地開采更加復雜[1-2]。突水是常見的地下礦井災害,造成重大的經濟損失和人員傷亡,60%的礦山事故是突水造成[3]。為保證地下礦山安全運行,開展地下突水機理研究非常重要。

三山島金礦是我國第一個進行海底開采的濱海礦山,由于海底開采環境的特殊性和復雜性,必需開發安全保障技術為海下礦山的安全生產提供支持。李術才等[4]認為地下突水具有高水壓、多類型、流量大等特征,突變演化規律復雜;劉煥新等[5]提出近海深部開采存在高滲透壓及海水潰入的風險,由此帶來海底開采區域滲流場、應力場、溫度場等多場耦合下巖體力學性質的改變等;張慶艷等[6]研究發現滲透壓越大、初始孔隙率越大,顆粒流失量越快,突水特征越明顯;顏丙乾等[7]利用MCMC的貝葉斯方法,對濱海礦山水源進行判別,提高預測的準確率;Bin Yang等[8]提出對水壓、滲流速度及水量變化進行實時監測,是預測突水事故的有效方法。

本研究利用自行研制的多功能無線遙測水壓、水溫、圍巖應力一體計,對三山島金礦西山礦區深部F3斷層破碎帶進行實時水壓—水溫—圍巖應力監測,采用FLAC3D分析軟件進行數值模擬,分析濱海深部地下礦山斷層帶突水機理,為預防斷層破裂帶區域突水災害的發生提供參考。

1 設備安裝運行

為探明三山島金礦西山礦區不同中段的水壓和采動應力,在礦區富水量大的-765、-780、-825、-855和-870 m等垂直深度105 m范圍內5個不同水平中段安裝多功能無線遙測水壓—水溫—應力計[9]。-765、-780m水平的斷層帶附近設置5個測點,分別在F3斷層帶中間和斷層帶兩側20～30 m的位置,-825、-855和-870 m水平沒有穿過斷層,在靠近掘進面的沿脈巷巖壁布置測點,其中-825 m水平布置5個測點,-855m水平布置4個測點、-870m水平布置3個測點,儀器安裝好之后,進行長期監測。

儀器構造如圖1。儀器安裝完畢之后,插好用于存儲數據的內存卡,安裝探頭(如圖2),接通儀器供電電源,儀器即可開始工作。當孔內的水充滿巖孔或覆蓋儀器前端的壓力陶瓷傳感器,儀器即可采集到孔內的水壓、水溫和采動應力信息;在弧形巷道和巷道轉彎處,安裝信號中繼站,保證信號繼續向前傳輸,直到將信號傳輸到礦下有工業以太網接口的基柜附近或者4G無線信號覆蓋區域,再傳輸到地面控制室,實現在地面控制室實時觀測礦下數據的效果。

圖1 水壓—水溫—應力計探頭Fig.1 Probe of hydraulic pressure-temperature-stress

圖2 探頭安裝Fig.2 Probe installing

2 數據監測及分析

在現場進行了35 d連續監測,獲得數據如下。

2.1 采動引起的圍巖應力數據

各監測中段監測點的采動應力變化情況如圖3所示。

圖3 監測點圍巖應力變化Fig.3 Change of surround rock stress

監測表明,35 d期間5個水平中段的圍巖應力變化相似;最大應力值5.5 MPa,出現在-780 m水平中段斷層帶。隨著開采區域與監測點距離的逐漸增大,擾動引發的干擾逐漸降低,圍巖應力趨向減小。

2.2 水溫數據與分析

各監測點的水溫變化情況如圖4所示。

圖4 監測點水溫變化Fig.4 Change of water temperature

分析數據表明,每個測點的水溫大體恒定,水溫波動幅度較小;開采的深度增加,水溫相應提高。對每個中段儀器測得的安裝環境的水溫數據進行匯總分析,求得每個水平的平均溫度,經匯總分析發現,水溫隨深度的增加不斷升高,在-765、-780、-825、-855、-870 m水平的平均溫度分別為30.3、31.3、35.3、40.5 和 41℃。現場監測結果發現,沿F3斷層,垂直深度增加105 m,水溫升高10.7℃左右。

對每個中段的數據分析,距離斷層越遠的測點,其水溫相對越高,距離斷層越近的測點,水溫相對較低。原因是西山礦區的水是遠處的海水通過結構松散、透水性能較好的F3斷層向下滲流,流至深部之后,經過地熱加熱,水在對流頂托作用下向上流動到礦坑,水是從下部沿著斷層向上、向兩側運移的,同時接受上部地表海水和第四系水補給,在斷層帶中向下滲透時,起到了一定的降溫作用,導致斷層內的水溫迅速下降,而斷層周邊的降溫效果不明顯[10]。

2.3 水壓分析

監測點的水壓變化情況如圖5所示。

圖5 監測點水壓變化Fig.5 Change of hydraulic pressure

分析發現各個測點水壓變化規律相似,先增大,后逐步減小,然后趨于平穩。在開采擾動和有壓水源的耦合作用下,巖體中產生應力集中,造成大量裂隙生成;巖體中原有裂隙在開采擾動下卸壓失穩,而后產生受拉導致開裂;部分裂隙在外界壓力作用下變小,直至閉合,產生裂隙重分布[11]。孔隙中原來的積水擴散,導入到新生的裂隙網絡,孔隙水壓逐漸減小,經外來水源的補給,孔內水與附近巖體中的水達到動態平衡,水壓恢復穩定[12]。

3 斷裂帶突水機理數值模擬

3.1 深部斷裂破碎帶突水理論模型

地下水富存于孔隙和裂隙中并在其中緩慢流動,流動時的阻力主要是流體的粘滯阻力,流速和壓力梯度滿足線性達西定律[13]:

式中,η為流體流速,m/s;k為滲透率,m2;μ為動力黏度,Pa·s;p為流體壓力,Pa;Z為高度,m;ρ為流體密度,kg/m3;g為重力加速度,9.81 m/s2。

斷層破碎帶中,水滲流時滿足非達西Forchhrimer流場,滲流呈現非線性特征[15]。

式中,下標NS表示Navier-Stokes流場。

3.2 數值模擬

利用水壓—水溫—圍巖應力計獲得現場監測數據,采用FLAC3D軟件對F3斷層破碎帶突水機理數值模擬,模型尺寸為66 m×40 m×40 m(長×寬×高),巷道是由4 m×4 m的正方形并在其上有一個直徑4 m的半圓,網格數49 720,其中,斷層厚度為6 m,貫穿整個模型,與模型巷道軸線垂直,斷層兩側巖體各30 m(如圖6)。設置水壓邊界為5 MPa,分12步開挖,穿過斷層,直到開挖貫通。模型力學參數如表1。

圖6 數值計算模型Fig.6 Numerical calculation model

表1 模型力學參數Table 1 Mechanics parameter of model

各測點主應力回歸方程(地應力場模型):

式中,σh,max為水平最大主應力、σh,min為水平最小主應力、σv為垂直主應力,MPa;H為深度,m。

3.3 模擬結果分析

巷道開挖過程引起附近圍巖的屈服破壞,從而在巷道周邊產生彈塑性區,塑性區的范圍受到巖體質量的影響,正常圍巖段塑性區Y=12 m處與斷層破碎帶塑性區Y=33 m處模擬結果如圖7所示。分析發現完整巖體段由于自身巖體質量好,隨巷道的開挖僅在巷道周邊較近位置產生了很小的塑性區范圍,而斷層破碎帶區域塑性區很大,面積約為350 m2,斷層附近的塑性區以巷道頂部和底板位置最為明顯,頂部多產生剪切破壞,兩幫位置和底板位置主要為拉剪破壞。

圖7 塑性區分布Fig.7 Plastic zone distribution

頂板5 m孔隙水壓力隨開挖工作的推進變化見圖8,水壓呈現先平穩,然后微弱上升,再急劇減小,然后再快速回升,后微弱減小,最終趨向平穩的復雜變化。孔隙水壓力急劇減小區段發生在斷層破碎帶斷面。由于距斷層帶較遠處的巖體較為完整,透水結構較少,內部含有的孔隙水和裂隙水的水壓受開采影響較小。在開采過程中,距離斷層較遠的完整巖體水壓表現為平穩趨勢,當開挖逐漸靠近斷層帶時,受開采擾動,巖體的節理裂隙縮小閉合,其內部的孔隙水和裂隙水被擠壓,因此在斷層帶兩側位置水壓有微弱上升,出現2個水壓峰值;在斷層帶內,由于巖體破碎、滲透系數大、透水性強,受開采擾動影響,其內部結構迅速遭到破壞,裂隙急劇開展,開采活動挖掘到與斷裂帶內的節理裂隙有較好聯通的臨空面時,導通巖體內的導水路徑,水迅速流出,水壓急劇減小;繼續開挖,斷層帶逐漸被開挖完畢,巖體完整性逐漸恢復,隔水性逐漸增強,水壓出現微弱回升,在斷層帶附近的完整巖體水壓再次達到峰值,隨著開挖距離越來越遠,巖體完整性趨于穩固,受開挖擾動減小,水壓趨于穩定。

圖8 水壓變化Fig.8 Change of hydraulic pressure

從巷道周圍地下水滲流場流動矢量分布圖9可以看出,巷道開挖時,地下水即開始向巷道內流動,滲流主要發生在巷道的頂底板和底板兩角處,這與現場測試結果基本吻合。

圖9 Y=33 m處滲流場矢量分布Fig.9 Vector distribution of seepage at Y=33 m

巷道開挖過程的圍巖應力變化云圖見圖10。

由圖10可知,隨著巷道的開挖靠近掌子面,監測點起初產生較小的應力變化,而當開挖至監測點,測點處X-X、Z-Z向應力產生急劇變化,開挖對斷層帶應力場產生了擾動,形成應力重分布。

圖10 破碎帶應力云圖Fig.10 Stress cloud of crushed zone

4 結 論

(1)隨著開采深度的增大,水壓增大,水溫升高;垂深增加105 m,溫度提高約10.7℃;距離斷層越遠,水壓減小,水溫升高。

(2)圍巖應力與水壓的變化規律一致,初期在一定時間內減小,最后趨于穩定,斷層區圍巖應力受到開采擾動明顯增大。

(3)斷層帶附近的塑性區以巷道頂部和底板位置最為明顯,頂部以剪切破壞為主,兩幫和底板以拉剪破壞為主,滲流主要發生在巷道的頂板和底板兩角處。