基于随机结构模型的新立矿区岩体渗透性分析

王剑波 张永亮,2 李 威(.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 烟台 265607；2.青岛理工大学黄岛校区汽车学院,山东 青岛 266520)

·地质与测量·

基于随机结构模型的新立矿区岩体渗透性分析

王剑波1张永亮1,2李 威1(1.山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿,山东 烟台 265607；2.青岛理工大学黄岛校区汽车学院,山东 青岛 266520)

为了掌握三山岛金矿井下岩体渗水特性，确保海底采矿的生产安全，分析了新立矿区水文地质结构特点，调查了-105 m、-135 m 2个中段矿坑出水点并建立各中段渗水区水力联系，研究新立矿区岩体渗透系数张量，在一个测量面内把大测量区划分成许多小测区，把一定数量的小测区测量结果合并，得到不同大小测量面的结果。开发渗透张量计算程序，计算得出-105 m、-135 m中段岩体渗透系数张量和综合渗透系数，基于对新立矿区现场岩石露头的抽样统计，建立岩体结构面几何参数概率分布模型，通过对新立矿区岩体结构面进行随机模拟计算，得出岩体结构面连通率，修正了矿区岩体渗透系数。实测结果表明，采用连通率修正理想条件下计算出的渗透系数，具有良好的实际应用价值。

地下矿山 渗透系数 岩体 结构模型

矿山生产安全已成为世界矿业领域的重要研究内容，国内外大量采矿工程实践表明，对于地下含水丰富的矿山，准确掌握矿床岩体的渗透性，了解矿区水文地质条件，据此判断可能发生的涌水地段，是矿山安全生产必须要解决的重要问题[1-5]。山东黄金矿业(莱州)有限公司三山岛金矿新立矿区地质储量大，紧邻渤海，主要可采矿体均赋存于海底下部岩体中，矿区投产后，将成为中国最大的海底黄金开采矿山，矿区存在涌、突水甚至海水溃入的潜在危险[6-9]。对新立矿山而言，地下矿山岩体工程的安全受到采矿技术条件、岩石成分及其地质力学性质所制约，同时，还进一步受矿区构造、水文地质、工程地质以及岩体工程条件的控制，这就要求在采矿过程中保证地下采场侧向和前缘井巷岩体的稳定性，预防涌水和水淹。

1 新立矿区水文地质结构特点

矿山开采过程中出现的采空区很容易破坏矿山地质原有的平衡状态，从而导致地质力学场和地下水流场失去原有平衡，这些是矿井涌水的主要原因。对矿山地质涌水预测预报，必须要掌握矿山地质水文条件，明确具体矿山特定的工程采掘、地下含水量、地应力场条件等客观因素[10-13]。

1.1 单中段矿坑出水点分区分析

(1)-105 m中段巷道出水点分布特征。矿区已开拓巷道中，-105 m中段处于最上层，巷道调查总米数1 135.1 m，调查水点数217处。从现场各个中段的调查情况对比来看，该中段的渗水、滴水最为严重，并且局部存在常流水的现象。根据现场调查，-105 m中段巷道出水情况按其特征可划分为图1所示①～⑤几个区域。

图1 -105 m中段水点分区

(2)-135 m中段巷道出水点分布特征。-135 m中段巷道调查水点数220处。出水强度明显弱于上覆-105 m中段，但相对其他中段来说，-135 m中段依然是渗水、滴水较为严重的中段。根据现场实际调查的出水情况，-135 m中段出水主要表现在图2所示①～④几个区域。

图2 -135 m中段出水点分区

1.2 各中段渗水区水力联系分析

对于矿区已开拓并成一定规模的-105 m中段到-135 m中段，在纵深方向揭露上、下盘基岩含水带30 m，这些中段巷道所揭露的渗水点基本上可以反映目前这种工程状态下矿区的水文地质结构特征。因此搞清目前各中段渗水区域的水力联系，对于摸清矿区不同空间部位水力的特征和掌握矿区各水文地质单元之间的联系及预测其今后动态变化都有着十分重要的意义。通过前面单中段的分析，可以得出-105 m中段与-135 m渗水区投影叠加图(见图3)。

图3 -105 m中段渗水区与-135 m中段渗水区叠加图

由于这2个中段都是未开采中段，下部相近的-200 m开采中段开采时间不长、开采强度也不高，因此巷道的水点分布与渗水强度受采矿工程活动影响很小。从图3可以看出，2个中段的水点分布很密切，现场调查时也发现这2个中段的整体渗水较其他中段更为强烈，主要表现在水点分布较多，巷道壁面大多湿水连片。-105 m中段局部较大出水点的出水强度大于-135 m中段，这从2个中段取水样的流量反映较为明显。

这2个中段在沿脉大巷、川脉以及上盘措施井石门的渗水区域都对应分布，相对渗水特征也比较相似，下面对2中段上下相对应的-105 m中段下盘渗水②区和-135 m中段下盘渗水①区采用节理统计等密度图进行详细分析(见图4、图5)。

图4 -105 m中段渗水②区节理统计等密度图

图5 -135 m中段渗水①区节理统计等密度图

从图4可以看出，渗水严重的②区存在4组占优势的节理组；从图5可以看出，渗水较严重的①区存在较多组节理；从产状分布上可以看到，第1组节理和第4组节理实为1组节理(倾向相差近180°，平均倾角相同)，所以对于渗水①区存在4组优势节理。由此，对于2中段上下对应的这2个渗水区域，相对应的占优势的节理组发育较好，-105 m中段渗水②区的第4组、第3组与-135 m中段渗水①区的第5组、第4组和第1组基本上是同组裂隙，因此渗水裂隙连通性比较明显，水力联系较好。

2 矿床岩体渗透张量计算与分析

根据新立矿区的特点，研究其岩体渗透系数张量时，在一个测量面内把大测量区划分成许多小测区，然后对每个小测区分别进行测量。在数据分析中，把一定数量的小测区合并，即可得到不同大小测量面的结果。在测量面选择中，一个要注意的问题是测量面应尽可能与几组裂隙相交，或者在同一测量地点选几个不同走向的测量面，以防那些平行于某一测量面的裂隙漏测。在实际测量中，测量面的位置、长、宽和方位都进行记录，以便于计算裂隙间距和密度。

2.1 渗透张量计算程序

由于量测的结构面数据量大，渗透系数的计算过程也比较复杂，研究中采用C#语言和面向对象方法编制了渗透张量计算程序来完成计算工作。

C#是从C和C++演变而来的，程序的开发过程包括创建新程序的用户界面，设置用户界面中各对象的属性，编写程序代码，保存和运行程序，创建可执行文件。程序界面友好，操作方便。渗透系数张量的计算结果见图6。

2.2 矿区工程岩体渗透特征分析

目前，新立矿区处于试开采阶段，开拓了7个中段，最深达-400 m，试生产的有-200 m、-360 m和-400 m 3个中段。从空间位置关系看，由于第四系隔水层的连续性和隔水性尚未完全查清，第四系富水层对矿床上部岩体构成了直接的威胁。从矿床上部-105 m、-135 m中段沿脉巷道现场量测的岩体裂隙几何信息出发，运用开发的渗透张量计算程序，计算了矿区-105 m、-135 m中段沿脉巷道工程岩体渗透系数张量和综合渗透系数。各中段渗透系数散点图示于图7、图8。

图6 渗透系数张量计算结果

图7 -105 m中段沿脉渗透系数散点图

图8 -135 m中段沿脉渗透系数散点图

3 随机结构模型在渗透性分析中的应用

地球岩体在地质演变过程中受到复杂的地应力场作用，岩体本身的材料构成也并不单一，这些因素导致岩体结构面的展布没有规律可循。针对新立矿区岩体裂隙的渗漏分析，在传统的裂隙岩体野外几何测量法的基础上，采用下述途径分析矿床岩体的渗透特性。

(1)首先对开挖的井巷露头进行了详细的观测记录，对具有随机分布特征的裂隙的观测资料进行统计分析，获取不同部位裂隙的分布规律和分布参数；

(2)利用随机模拟方法构建矿床岩体的随机结构模型；

(3)在绘图软件中提取裂隙的几何参数，计算裂隙的渗透参数；

(4)根据随机结构模型所反映出的裂隙有关参数计算等效渗透系数，通过多次模拟后可得到矿床岩体渗透性的分布规律。

3.1 结构面几何参数概率分布模型

通过对新立矿区现场岩石露头的抽样统计，得到结构面的各个几何参数的概率分布形式和数字特征。岩体结构面方位一般呈均匀或正态分布，迹长、间距、隙宽一般呈负指数、对数正态分布。基于上述假设，可建立几何参数概率分布模型。

均匀分布：

正态分布：

∞.

对数正态分布：

负指数分布：

f(x)=λe-λx.

通过实测的结构面方位、迹长、间距、隙宽的数据，由直方图、概率图法等方法，确定结构面随机变量的概率分布形式，即建立方位、迹长、间距、隙宽的概率模型，如正态分布、均匀分布、负指数分布或对数正态分布等。

3.2 矿区岩体结构面随机模拟

根据结构面统计分析结果，大体以上盘、下盘措施井石门东北、下盘措施井石门西南为分区分别模拟结构面随机分布情况，并估算结构面的连通率。模拟区大小为30m×30m。

3.2.1 -105m中段岩体结构面随机模拟

上盘结构面见图9所示。

3.2.2 -135m中段岩体结构面随机模拟

下盘措施井石门东北结构面见图10所示。

3.2.3 岩体结构面连通率

各中段岩体结构面连通率模拟计算结果见表1。

图9 -105 m中段上盘岩体结构面随机模拟

图10 -135 m中段下盘岩体结构面随机模拟

表1 各中段结构面连通率

Table 1 Connectivity rate of structural plane at each middle section

中段/m范围连通率/%上盘85.87-105下盘措施井石门东北83.17下盘措施井石门西南86.17上盘84.23-135下盘措施井石门东北81.38下盘措施井石门西南87.32

3.3 矿区岩体修正渗透系数计算

应用几何量测法进行渗透系数计算，一般做如下假设：多组不同方向的裂隙组构成岩体系统内的空隙，这些裂隙组互相交叉连通，并且彼此互不影响。于青春等为了修正理想条件下计算出的渗透系数，引入了连通率的概念。将修正的渗透系数应用于新立矿区岩体，结果表明修正后的系数更符合实际，数据如表2所示。

表2 新立矿区工程岩体修正后的综合渗透系数统计Table 2 The corrected comprehensive permeability conductivity statistics of engineering rock mass in Xinli mining area

4 总 结

(1)新立矿区矿床岩体构造裂隙发育的不均匀性，决定了矿区地下径流强度的差异性。整体来说，矿区渗水裂隙连通性比较明显，水力联系较好。

(2)根据现场量测得结构面几何数据，计算了各测量窗口的综合渗透系数。中段工程岩体的渗透性大于下部中段的渗透性，这是由于随埋深的增加，岩体裂隙的发育程度和裂隙张开度均有所降低，岩体渗透性随之降低。

(3)建立了结构面几何分布概率模型，采用模拟得到的连通率修正了综合渗透系数，采用连通率修正理想条件下计算出的渗透系数，更加符合实际，具有很好的实用价值。

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(责任编辑 徐志宏)

Analysis of Permeability Coefficient of Rock Mass in Xinli Mining Area Based on the Stochastic Structural Model

Wang Jianbo1Zhang Yongliang1,2Li Wei1
(1.SanshandaoGoldMine，ShandongGoldMining(Laizhou)Co.，Ltd.，Yantai265607，China；2.HuangdaoCampusAutomotiveSchool，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266520，China)

In order to grasp the water seepage characteristics of underground rocks in Sanshandao Gold Mine，and ensure the mining production safety at seabed，the hydrological and geological features of Xinli mining area is analyzed，and the water bursting points at -105 m and -135 m middle section are investigated，and hydraulic connections of every seepage zone in the middle are built.The permeability coefficient tensor of rock mass in Xinli mining area is researched.A large measurement area is divided into various small survey zones in a measurement plane，and then the measured data from some small zones are merged together，obtaining the measurement results of different areas.Based on the calculation program of permeability tensor，the permeability coefficient tensor and the overall permeability conductivity at -105 m and -135 m middle section are calculated out.According to the statistics of out-crop sampling in Xinli mining area，the geometry parameter probability distribution model of rock structural plane is established.The random simulation calculation of the rock structural plane in Xinli mining area is carried out to obtain the connectivity rate of rock structural plane，and correct the rock permeability coefficient.The measured results show that the permeability coefficient n the ideal condition of the corrected connectivity rate has a good practical application value.

Underground mine，Permeability conductivity，Rock mass，Structural model

2014-10-01

国家自然科学基金项目(编号：51204100)，中国博士后科学基金特别项目(编号：2014T70658)，中国博士后科学基金面上项目(编号：2013M541934)，山东省高等学校科技发展计划项目(编号J14LH03)，山东省博士后创新项目(编号：201303045)，青岛市科技计划项目(编号：14-2-4-95-jch)。

王剑波(1962—)，男，高级工程师。通讯作者 张永亮(1979—)，副教授，博士后。

TD743

A

1001-1250(2015)-01-077-05