丁家庄铁矿矿床疏水对地表村庄沉降影响的Midas-GTS数值模拟分析

2018-03-15陈国涛

现代矿业 2018年1期

陈国涛

(山东省冶金设计院股份有限公司)

对矿区进行精确三维地质建模，不仅仅有助于分析地下岩体的分布情况，而且可为井下巷道及采矿工作面布置提供可靠依据，此外，利用矿区三维地质模型还可以有效分析地下开采活动对地表变形的影响[1-4]。目前，按照建模数据源，三维地质建模方法可分为基于钻孔数据建模、基于剖面数据建模、基于三维地震资料建模、基于多源数据建模等[5-7]。本研究以河北丁家庄铁矿为例，基于矿区钻孔数据，利用Midas-GTS软件构建矿区三维地质模型，分析矿区西矿段矿床涌水疏干作业对地表村庄建筑物的影响，为合理设计矿体开采方案提供可靠依据。

1 矿区概况

1.1 矿区地质特征

丁家庄铁矿矿床分为西矿段和东矿段(图1)。矿体总体走向NE 67°，全长2 414 m，分为6个矿带，16个矿体，各矿带矿体产状平缓。其中O#、Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#矿带位于西矿段，Ⅳ#、Ⅴ#矿带位于东矿段。Ⅰ#矿带的Ⅰ-2#矿体为西矿段的主矿体，Ⅳ#矿带的Ⅳ-1#矿体为东矿段的主矿体。Ⅰ-2#矿体分布于3#～5#线，埋深218～709 m，上部标高为-38～-538 m；矿体呈层状、囊状展布，长1 336 m，最大延深482 m，厚度一般为10～20 m，最大厚度达115 m；矿体总体走向NE，倾向NW，倾角20°～27°。

图1 矿区矿段分布

目前，矿山一期工程主要开采西矿段-305 m水平以上矿体，主要开采水平为-225，-305 m水平，采用分段空场嗣后胶结充填法开采[8-9]；二期工期的主要开采范围为西矿段-305～-505 m水平，分别采用上向分层胶结充填法、上向进路胶结充填法、分段空场分段胶结充填采矿法生产[10-11]。由于矿床地下涌水较大，为确保矿山安全生产，采取注浆堵水方案，以有效避免开采水平以上的地下水进入采场，确保井下安全生产。根据通风要求和阶段水平的矿量，确定西矿段的首采阶段为-455 m水平，开采顺序为由下至上。

1.2 矿区水文地质特征

丁家庄矿区是一个相对独立的水文地质单元，矿区水文地质边界以F5断裂为界(断裂东段两侧的灰岩含水体的衔接厚度为20～100 m，形成了2个产生南北两侧水力联系的导水缺口，中间阻水，两侧导水，具有阻水和导水的两重性)，北与谷家台单元相接[12]。矿区以F3断裂为界，东与业家庄单元为邻；西部以F4断裂为界；南部边界为塔子—石门官庄断裂。汶河从矿区北部流过，距离矿区2 km，石河由南至北流经矿区西部汇入汶河，为季节性河流。矿区内地层自上而下有第四系、第三系、中奥陶系及燕山期闪长岩。按岩石的导水性和富水程度，含水层分为第四系冲洪积砂砾层和中奥陶系马家沟组灰岩岩溶裂隙承压含水层，隔水层为第三系红砂岩和燕山期闪长岩[12]。

2 矿床涌水疏干作业对地表建筑物的影响

2.1 矿区三维地质模型构建

根据矿区的初始水位面及施工帷幕前的水位面，通过插值方法[6]得到的矿床涌水疏干前后的水位面分别如图2、图3所示。

由于东矿段距离村庄较远，本研究仅分析西矿段的矿床涌水疏干作业对地表村庄建筑物的影响。为简化模型，建模时仅考虑西矿段Ⅰ#矿带的Ⅰ-2#矿体。为防止网格划分过程中出现一些尖角，导致网格产生畸形，本研究统计钻孔数据过程中，对于一些局部存在的地层数据不予统计，归并至相邻的地层中[5]。模型的物理力学参数取值见表1[7]，构建的矿区三维地质模型如图4所示。

2.2 数值模拟分析

2.2.1 一期开采

一期开采矿床涌水疏干后，水位面开始下降，土体进行渗流固结，相应的水压分布、竖向位移分布分别如图5、图6所示。

图2 2004年8月份丁家庄铁矿基建初期的等水位线(单位：m)

图3 2007年8月份丁家庄铁矿帷幕完成前的等水位线(单位：m)

岩层密度/(kg/m3)弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)抗压强度/MPa黏土层243030.311.64013大理岩2740470.3414.94164闪长岩2610630.2543.224122铁矿石3600320.27104039充填体20005.60.300.7530.015

图4 矿区三维地质模型

图5 一期开采矿床涌水疏干后水压分布

分析图6可知：地表竖向位移由左至右逐渐减小，是由于“天窗”地段灰岩的岩溶发育程度一般较高，造成了上、下含水层产生互补的通道，当上覆第四系或第三系较薄且地下水位急剧降低时，造成竖向位移较大，易形成地表塌陷，模型右侧由于存在隔水层，致使竖向位移较小。

图6 一期开采矿床涌水疏干后地表竖向位移分布

地表6#、7#监测断面(图7)的水平位移、竖向位移变化特征如图8所示。

图7 一期开采矿床涌水疏干作业地表位移监测断面

分析图8可知：地表水平位移在6#监测断面上呈现“抛物线”型变化，村庄覆盖范围(图8(a)平距850～1 370 m)内地表的最大水平位移值为13 mm，村庄覆盖范围(图8(b)平距180～700 m)内地表的最大竖向位移值为76 mm。

图8 6#、7#监测断面地表位移变化曲线

2.2.2 二期开采

根据矿区地质勘探报告，村庄附近存在丁家庄断裂，走向21°，倾向111°，倾角75°，为左行压扭性逆断层。断层内见挤压破碎带，地层沿走向不连续。由于三维建模的复杂性，本研究构建的矿区三维地质模型(图4)未考虑断层因素，而断层的存在对地表变形特别是村庄所在区域的地表变形有显著的影响。为此，本研究构建了三维地质模型来进一步分析二期开采矿床涌水疏干对地表村庄的影响。如图9所示，“地表变形监测断面”所在位置即为地表村庄范围。该断面的水压分布及竖向位移分布分别如图10、图11所示。

图9 二期开采矿床涌水疏干作业竖向位移监测断面

图10 二期开采矿床涌水疏干后水压分布

图11 二期开采矿床涌水疏干后竖向位移分布

分析图11可知：地表竖向位移在断层位置出现突变，最大竖向位移(约为76 mm)出现于断层右侧。此外，水平位移在断层两侧呈现近似“抛物线”型变化，最大值(约15 mm)也出现于断层右侧。

由于断层的存在，导致村庄范围内(图12)地表沉降差异较大。分析图13、图14可知：村庄范围内地表建筑物的最大倾斜值(4.2 mm/m)及地表水平变形最大值(1.8 mm/m)主要分布于断层附近。

图12 矿区地表村庄范围

图13 村庄范围内建筑物倾斜值分布

图14 村庄范围内地表水平变形值分布

丁家庄矿区地表实测得出的村庄建筑物的最大倾斜值约为3.2 mm/m，最大水平变形值约为2.3 mm/m，可见，本研究数值模拟结果与相应的实测值较接近，利用数值建模方法分析矿床涌水疏干作业对地表沉降的影响可靠性较好。

根据《有色金属采矿设计规范》(GB 50771—2012)[13]对地表建筑物保护等级的划分，矿区地表建筑物的保护等级属于Ⅲ级，本研究数值模拟所得地表建筑物的最大水平位移值、最大倾斜值以及相应的实测值均小于相应的允许值(6，10 mm/m)，可见丁家庄矿区一期、二期开采工程矿床涌水疏干作业对于地表村庄建筑物的影响较小。