丁德民，马凤山，王 成，宋召法，张亚民，王 杰，郭 捷

（1.中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029；（2.山东黄金集团有限公司三山岛金矿，山东莱州 261442）

0 引言

近年来，随着矿产资源的市场需求持续增长，矿山建设速度和生产规模迅速扩张，资源开拓范围也逐渐向地下深部及海底延伸。目前，矿山防治水害的技术虽然有了极大程度的提高，但矿井突水事故却仍然频繁发生。一些过去认为矿山水文地质条件简单的矿区，如广西南丹铅锌矿、皖北的任楼矿、刘一矿、祁东矿、峰峰的梧桐庄矿、徐州的张集矿与三河尖矿、广东大兴煤矿、新疆哈密矿等也相继发生了特大型突水灾害。这种现象反映了矿山水文地质条件具有随开采条件变化而变化的特点，同时也反映出在矿山开采过程中切实重视矿山防治水工作的重要性。

海底矿产的开采较之陆上开采面临着更严峻的矿山水文地质问题。目前，对于陆上采场中的断层破碎带突水机理、力学机制等方面等都有了深入研究［1-4］，但海底矿床采场不仅存在陆地含水层地下水的侧向补给，更要防止上覆海水垂直溃入的威胁。而且矿体的开挖对海底断裂带、裂隙等构造有着不可避免的扰动，当断裂带与上部海水有水力联系时就会成为海水传输通道，使矿坑发生突水，造成严重危害［5-7］。本文根据三山岛金矿新立矿区的水文地质条件和构造条件，结合已有的岩石物理力学试验资料，采用数值模拟方法对矿坑断裂带突水的危险性进行了初步探讨。

1 矿区地质概况与海底采矿条件

新立矿区位于山东莱州三山岛—仓上断裂成矿带的北东段，紧邻渤海，主要可采矿体均赋存矿体全部埋藏在海平面下的20～670m的岩体中（图1）。矿区海底第四系含水层与海水之间发生明显的水力联系，对矿床开采构成较大的威胁。第四系与基岩接触部位，分布着一层0.8～10m厚的砂质粘土、粉质粘土，具有良好的隔水性，阻断了第四系富水层与基岩裂隙的水力联系，但因受自然勘探条件的限制，该隔水层的连续性、隔水性是否稳定，尚未彻底查清［8］。

区内构造主要为断裂构造，由新立主干断裂及上下盘伴生的羽支断裂和下盘派生平行断裂组成。新立断裂带矿区范围内控制长度为1300m，宽70～185m，断裂带倾向南东，平均倾角46°，从构造面阶步、擦痕及构造透镜体分析，断裂属左行压扭性，其成矿期的右行张扭运动所造成张启开部位赋存了新立金矿床。

根据矿体的赋存条件和矿床的开采技术条件，采矿方法采用有底柱盘区连续回采上向分层尾砂（胶结）充填法。目前，新立矿区已建立了3条竖井和1条回风井，已开拓了7个中段：-105m、-135m、-165m、-200m、-320m、-360m、-400m，目前生产中段有-200m、360m，-400m三个中段。

图1 三山岛－仓上断裂带地质略图Fig.1 Geological map of Sanshandao－Cangshang fracture zone

2 断裂带对海底矿床突水机理分析

2.1 断裂带的导水作用

断裂带破坏了岩体的完整性，消弱了岩体的阻水能力，往往成为矿山采场突水的通道。比如潘西煤矿，其突水受控于断裂构造，历年矿井突水有80％与断裂构造有关［9-11］。新立控矿断裂带的岩性为碎裂岩、花岗质碎裂岩、碎裂状花岗岩，岩体比较破碎，虽然其上覆良好的隔水性的粘土层阻断了其与海水的直接水力联系，但在矿床开采过程中断裂带将不可避免的受到扰动，进而影响上覆粘土层的隔水性能，极有可能形成海水进入矿坑的直接通道，导致矿坑突然涌水。

2.2 矿山和海水压力作用

陆上矿山的突水水源主要是第四系地下水，当开采矿体时，矿山岩体天然应力平衡遭到破坏，地应力变化，致使作为矿山围岩变形和采动应力传播的屏障的断裂破碎带由控水转为导水，断裂带与采场之间的围岩阻水能力丧失，地下水沿着裂隙于矿坑周侧产生突水［12］。

新立金矿床直接赋存于海下新立控矿断裂带内，矿体开采对断裂带的扰动更为直接和剧烈；且新立矿床与陆上矿山相比有着更为丰富的突水来源，除了第四系地下水和卤水，上覆海水的威胁更大。由于上述新立金矿床的特殊地质和水文条件，采场突水的形势较陆上矿山更为严峻。

3 矿坑突水的断层效应数值模拟

3.1 岩体参数选取与计算模型建立

3.1.1 模型参数

本文运用大型通用有限元分析软件ADINA进行数值模拟，并采用Mohr-coulomb屈服准则。在数值计算中，计算参数的选取是一个很重要同时也是难度较大的工作，它决定了计算结果的可信度，根据新立矿区相关岩体力学实验资料，本模型介质类型及参数见表1。

表1 新立矿区工程岩体数值模拟参数表Table 1 Numerical simulation parameter table of the rock mass in the Xinli mining area

3.1.2 模型边界条件

顶部为自由边界；左右边界为半约束边界，给以水平方向的约束；底部边界同为半约束边界，给以竖直方向的约束。在模型顶部施加海水静水压力10kPa，整个模型施加自重地应力场。

3.1.3 地质模型的建立

根据计算要求，建立新立金矿区31号勘探线地质剖面的地质模型，模型长1300m，高度600m（图2）。根据现场实际工况，采用上向式充填开采作业方法，共分为8个开采中段，由下至上分16步开采，每步开采深度为15～20m。模型采用9节点单元剖分，共划分1728个单元，6737个节点。

图2 新立矿区31号勘探线地质剖面数值模拟几何模型图Fig.2 Geometric model of 31st prospecting line in Xinli Mine

3.2 计算结果分析

3.2.1 断裂和上覆粘土层接触单元水平应变分析岩层水平形变是指相邻两点的水平移动差值与两点水平距离的比值，可以作为判断上覆岩层破坏的等级标准之一［13］。在断裂与粘土层的接触带布置20个监测单元，监测其水平应变，以观测粘土层和断裂带的破坏程度。选取2～20十个偶数单元分析水平应变随开采阶段进行的变化趋势。将断裂与粘土层的接触带分为三个部分，即：断裂带下盘单元Ⅰ区、上部断裂带单元Ⅱ区、断裂带上盘单元Ⅲ区（图3）。

图3 断裂带与粘土层监测单元示意图Fig.3 Abridged general view of monitoring elements in the fracture zone and the clay blankets

在模拟开采的过程中，当开采至-240～-200m水平时，接触带进入不均匀沉降阶段，监测单元水平应变开始产生较大变化；-200～-165m水平开采时，Ⅲ区上部的粘土层开始由水平压应变区过渡到水平拉应变破坏区，下部断裂带的水平拉应变迅速增大。随后，Ⅱ区粘土层开始隆起，两侧粘土层相对的沉降和补充压实，使得Ⅱ区和Ⅰ、Ⅲ区的接触单元粘土层的水平拉应变逐渐变大。至-165～-135m水平开采时，下部断裂带单元的拉应变中心逐渐向Ⅱ区中心偏移，Ⅲ区水平拉应变逐渐转变为压应变（表2）。

表2 断裂带与粘土层监测单元不同开采水平水平应变表Table 2 Horizontal strain table of monitoring elements in the fracture zone and the clay blankets

在本文模拟开采的过程中，上覆地表并不是持续的沉陷，而是在某些局部出现抬升，从而在抬升区与沉陷区之间出现拉应力破坏区。这种地下开采引起地表局部抬升的现象可用弹性地基梁效应来解释［14］。在图4中给出四个独立的变形体 A、B、C、D。当D相对B、C往下降时，A就会在自重力作用下弯曲，两端翘起，如图4（b）。在新立矿区，变形体A相当于上覆的第四系与粘土层，D是断裂破碎带，B、C是断裂带两侧的坚硬围岩，A与B、C是连在一起的，不会出现翘起的状况。当下部断裂带中矿体开采时，A的弯曲变形受到抑制，会在BD与CD的交界处隆起，拉应力在这两处集中，如图4（c）。

图4 地基梁受力变形示意图Fig.4 Schematic illustration of deformation of the elastic beam

总体看来，Ⅰ区属于稳定的水平压应变区，基本不受下部矿体开采影响，Ⅱ区为随开采进度逐渐增大的水平拉应变区，Ⅲ区为水平应变强烈变化区。

3.2.2 断裂带与上下盘岩体接触单元竖直应变分析

在断裂与上下盘围岩接触部位各布设36个监测单元监测其竖直位移，以观测断裂带上下盘岩体错动情况，选取21、61和5的倍数的十六个单元分析竖直沉降随开采阶段进行的变化趋势（图5）。当开采至-360～-320m水平时，断裂带与上下盘的接触带的下部岩体开始出现竖直变动。随着开采的进行，上盘接触带的竖直沉降值逐渐增大，至-200～-165m水平开采时，最大沉降量近10cm，上覆的粘土层的沉降量也突破1cm；当-135～-105m水平开采时，粘土层沉降量达到13cm，下盘接触带岩体则逐渐由垂直沉降变为垂直上升（图6）。

图5 断裂带与上下盘围岩接触带监测单元示意图Fig.5 Abridged general view of monitoring elements in the contact zone between the fracture zone and the adjacent rock

图6 断裂接触带监测单元竖直位移图Fig.6 Vertical displacement graph of monitoring elements in the fracture contact zone

为分析断裂带上下盘的垂直位移，同样给出四个独立的且紧密连接的变形体A、B、C、D（图7）。当我们把D置换为相对软弱的块体E时，BD之间的连接被破坏，摩擦力迅速变小，B块体在自重作用下沿BC、BE面错动下滑，C块体则受到E的向上作用力，基本保持平衡。反映到新立矿区，我们看到断裂与上盘接触单元是竖直沉降的强烈地带，产生强烈的卸围压效应，断裂与下盘接触单元竖直变化不是很大。

3.2.3 矿体开挖下的渗流场分析

矿体的开采下的断层滑移活化，是否能改变矿床的渗流场，进而威胁矿坑的安全？为此本文选取在断裂与上盘围岩接触部位布设的21、25、40、55四个监测单元（21、25、40、55 单元分别位于 -40m、-105m、-240m、-400m水平）用以观察开采对孔隙水压力变化的影响，进而分析矿床的渗流场变化。从图8中可见，当开采至-360～-320m水平时，55单元的孔隙水压力开始由降低转为平缓增大，同时40单元的孔隙水压力开始明显变大。当开采至-240～-200m水平时，25单元的孔隙水压力变大，开采到-135～-105m水平时，25单元的孔隙水压力开始迅速减小，而21单元的孔隙水压力开始明显变大。

图7 矿体开采对断裂扰动影响示意图Fig.7 Schematic illustration of the influence of mining to the fault

由此可以看出，开采对矿床渗流场的影响是有一定的规律和范围的。在本文模型中，矿体的开采将使采场上部95m内断裂带和围岩的渗流场产生变化。上覆岩体孔隙水压力随下部矿体的开采逐渐增大，直至开采到所在水平使孔隙水迅速释放，孔隙水压力减小。孔隙水压的增大是岩体受到矿体开采扰动的反映，并极有可能是断裂带内部结构面及两侧伴生裂隙扩展，使孔隙水流速增大所致，同时增高的孔隙水压将反过来继续破坏断裂带岩体原来的组构，使岩体的导通性增加。当开采至-135m水平左右时，矿体的开采将直接影响到上覆粘土隔水层的越流场，矿坑的突水危险系数急剧增加（图9）。

图8 断裂接触带监测单元孔隙水压力变化图Fig.8 Variation of pore pressure of the fault contact zone

图9 新立矿床开采前（a）和开采至－135m水平时（b）孔隙水压力图Fig.9 Pore water pressure figures of pre-exploitation（a）and exploiting to-135m section（b）

4 结论

（1）开采赋存在断裂带内的矿体时，断裂带上下盘岩体呈现出变形的不均一性。断裂与下盘岩体的接触部位受扰动很小，而断裂与上盘岩体的接触部位是变形破坏的强烈带，是矿床突水的重点防治区。

（2）开采对矿床渗流场的影响有一定的规律和范围的。在新立矿区，矿体的开采将直接影响到采场上部95m内的渗流场，开采至-135m水平时，矿体的开采将直接扰动上覆粘土隔水层，此时矿区应加强对裂隙渗水的监测工作，防止矿床突发涌水灾害。

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