深部开采构造型突水危险性数值模拟分析

王鹏飞，李长洪

(1.黄山学院建筑工程学院，安徽 黄山 245041； 2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

矿井水害是影响和制约我国矿产资源开发利用的主要因素之一[1-2]。近年来，随着浅部易采矿产资源在常年高强度消耗过程中日益枯竭，矿井开采深度不断增大，受“三高一扰动”(即高地应力、高地温、高岩溶水压和强烈开采扰动)复杂力学环境的影响[3-5]，矿井深部围岩所承受的地压和水压越来越大，水文地质条件也变得更加复杂，致使矿井水害威胁日趋严重。从目前已有的各矿井突水事故统计资料来看，大部分突水事故都是由于断裂构造引起的，占各类突水事故的80%以上[6-7]。由此可见，矿井突水问题的实质就是断裂构造的突水问题。

三山岛金矿位于胶东半岛西北部，是我国最大的海底黄金开采矿山[8]。目前，矿井采掘深度超过-1 000 m，已进入深部开采阶段。以往的调查研究及开挖揭露表明[9-10]，三山岛金矿导水裂隙发育特征主要受区域性张扭断裂F3控制，随着开采深度的增加，构造裂隙水逐渐成为矿坑充水的直接补给来源。除此之外，由于三山岛金矿主矿体均位于F3断层两侧(图1)，井下各中段回采时均需穿过F3断层[11]，采掘工作面通过F3断层时，在断层带两侧影响范围内，岩体破碎程度明显增强，巷道内湿度大温度高，淋水严重。

图1 三山岛金矿矿区地质图Fig.1 Geological map of Sanshandao Gold Mine

对于深部开采构造型突水，目前的研究主要集中在矿井突水危险性评价和断裂构造探查方面[12-15]，而针对一定采动条件下采场通过断裂构造过程中矿井突水的危险性演化规律研究依然不足。基于此，本文以三山岛金矿为工程背景，利用FLAC3D数值模拟软件建立矿井三维数值模型[16]，并以-825 m中段为主要研究区域，采用房柱式交替向上充填采矿法，在模拟采动条件下，尤其是采场通过F3断层时，矿体、充填体内渗流场以及塑性区的演化过程，对矿井不同开采时段、不同开采区域的突水危险性进行分析。这对于正确认识深部构造型突水演化行为，准确预测矿井突水危险性，合理确定治理方案，实现矿井安全高效生产具有重要意义。

1 工程概况

三山岛金矿属于典型的破碎带蚀变岩型金矿，矿区内规模较大的断层有3条[17]。其中，F1断层，走向为35°，倾向东南，倾角范围35°～45°，矿体位于F1断层下盘，天然状态下F1断层挤压紧密，呈硬塑状，是良好的天然隔水屏障；F2断层距矿体开采区较远，因此对井下采场稳定和突水灾害影响不是很大；F3断层贯穿整个矿区，延深大于900 m，走向290°～300°，倾向东北，倾角在85°以上，是矿区主要的导水构造。

根据矿区开采技术条件及水文地质条件，三山岛金矿采用房柱式交替向上充填采矿法，如图2所示，该方法属于“无间柱连续采矿”范畴。

图2 房柱交替向上充填采矿法示意图Fig.2 Schematic diagram of room pillar alternate upward filling mining method

目前，三山岛金矿深部采场(标高为-735～-915 m)的采准设计已经完成，即将运用房柱式交替上升式充填法进行生产。深部采场矿体平均厚度约为20 m，沿矿体走向方向长度每80 m设置为一个盘区，盘区下设8个连续采场：1#采场、2#采场、3#采场、4#采场、5#采场、6#采场、7#采场、8#采场。盘区高度为45 m，矿体倾角45°，顶柱留3 m左右厚度的矿体暂不开采。

盘区采场开挖充填的顺序为：①2#采场、4#采场、6#采场、8#采场一步采至高度9 m；②接顶充填2#采场、4#采场、6#采场、8#采场，1#采场、3#采场、5#采场、7#采场回采至高度18 m，其中，前9 m为二步采，后9 m为一步采；③接顶充填1#采场、3#采场、5#采场、7#采场，2#采场、4#采场、6#采场、8#采场回采至高度27 m，其中，前9 m为二步采，后9 m为一步采；④接顶充填2#采场、4#采场、6#采场、8#采场，1#采场、3#采场、5#采场、7#采场回采至高度36 m，其中，前9 m为二步采，后9 m为一步采；⑤接顶充填1#采场、3#采场、5#采场、7#采场，2#采场、4#采场、6#采场、8#采场回采至高度42 m，其中，前9 m为二步采，后6 m为一步采；⑥接顶充填2#采场、4#采场、6#采场、8#采场，1#采场、3#采场、5#采场、7#采场二步采至高度42 m；⑦接顶充填1#采场、3#采场、5#采场、7#采场，除预留顶柱部分外，盘区内的矿体回采完毕(图3)。

①-一步采；②-二步采；1#、2#等-采场图3 三山岛矿区深部采场回采顺序Fig.3 Mining sequence of deep stope inSanshandao Mining Area

2 深部开采数值模型构建

2.1 模型建立

由于三山岛金矿矿体赋存形态复杂，本文首先采用CAD软件完成初步建模，然后将CAD实体模型导入到MIDAS-GTS软件中，对模型边缘优化处理后划分网格，最后在FLAC3D5.0软件中完成深部开采流-固耦合数值模拟计算，建立的数值模型如图4所示，模型尺寸为600 m×1 200 m×900 m。计算模型主要由上盘岩体、下盘岩体、矿体、开挖矿体、顶柱、F3断层、F1断层和覆土等8个部分组成，生成的实体模型建立共享面后，分别进行网格划分，共划分为335 130个单元和58 502个节点。

图4 深部开采流-固耦合数值模拟计算模型Fig.4 Numerical simulation model of fluid structurecoupling in deep mining

2.2 物理力学参数

三山岛金矿中与采矿工程稳定性关系较为密切的矿岩主要有二长花岗岩、绢英岩化花岗岩、绢英岩和下盘花岗岩。通过开展室内岩石力学试验，获取了矿岩密度、体积模量、抗压强度、黏聚力和内摩擦角等参数指标。在现场工程与水文地质调查的基础上，根据岩石类型、岩体分级RMR值、岩体结构面发育程度GSI值、抗压强度等相关特征参数，对主要矿岩力学参数进行了折减处理，获得了相关岩体的力学参量，见表1。

表1 岩体力学参数表Table 1 Mechanical parameters of rock mass

2.3 模型边界条件

对于应力场，根据现场地应力的测量结果，三山岛矿区最大水平主应力、最小水平主应力和垂直主应力均随深度变化呈线性增加趋势，描述可见式(1)。

(1)

式中：σh,max为最大水平主应力；σh,min为最小水平主应力；σv为垂直主应力；H为测点埋深，m。

对于渗流场，根据现场孔隙水压监测结果，在深部开采流-固耦合数值模型中，自开挖区域顶端至模型底部设梯度增加孔隙水压力，从而形成渗流场，其中底部最大水压力为3.6 MPa。

3 数值模拟方案及结果分析

3.1 数值模拟方案

三山岛金矿采用房柱式交替向上充填采矿法开采，根据现场实际情况，本次模拟开挖区域设在-825 m中段，在该中段选取3个盘区，分别记为-825 m-1盘区、-825 m-2盘区和-825 m-3盘区，其中，-825 m-2盘区和-825 m-3盘区之间为F3断层。为研究F3断层内孔隙水压随回采活动的变化情况，在断层内布置两个孔隙水压监测点记为1#监测点和2#监测点，1#监测点位于-825 m中段上表面，2#监测点位于-825 m中段下表面，如图5所示。模拟计算时，中段内盘区开采顺序由-825 m-1盘区至-825 m-3，各个盘区内采场布置、尺寸和开挖充填顺序不变，需要指出的是，在模型F3断层两侧，各留设有8 m矿柱不开挖。

图5 数值模型开挖中段内盘区划分Fig.5 Partition of inner panel in excavation sectionof numerical model

3.2 模拟结果分析

3.2.1 -825 m-1盘区回采

图6为-825 m-1盘区回采过程中采空区围岩及充填体中孔隙水压变化云图。由图6可知，初始状态下，F3断层附近孔隙水压明显大于周边岩体，尤其是在深部区域；随着回采活动的进行，-825 m-1盘区内的孔隙水压迅速降低，与其相邻的-825 m-2盘区以及F3断层深部的孔隙水压整体也有所下降，说明采用房柱式交替向上充填法开采不仅可以保证满足矿柱等采场结构的力学性质和稳定性要求，而且可以起到降低采场附近孔隙水压的作用，避免突水事故的发生；此外，随着矿体的回采，-825 m-1盘区和-825 m-2盘区交界位置岩体内的孔隙水压逐渐升高，且变化非常显著，呈现“U”型变化趋势。

图6 -825 m-1盘区回采过程中孔隙水压变化云图Fig.6 Cloud chart of pore water pressure change during -825 m-1 panel mining

图7展示了-825 m-1盘区回采过程中围岩及充填体中塑性区分布云图。由图7可知，初始状态下，由于受深部地应力影响，F3断层附近已发生剪切破坏，其他区域均未发生破坏；第一步回采过后，采空区顶板和两帮主要发生拉破坏，范围较小；随着第二步回采活动完成，对第一步采空区进行充填，此时充填体和上部矿体的塑性区破坏模式具有明显区别，充填体内发生剪切破坏，矿体内主要为拉破坏，在接下来的几步回采充填过程中也会出现这种现象；此外，-825 m-1盘区与-825 m-2盘区交界位置岩体也发生了塑性破坏，这是导致该区域孔隙水压逐渐升高的主要原因。

图7 -825 m-1盘区回采过程中塑性区分布云图Fig.7 Distribution map of plastic distinction in -825 m-1 panel mining process

3.2.2 -825 m-2盘区回采

图8为-825 m-2盘区回采过程中采空区围岩及充填体内孔隙水压变化云图。 由图8可知，-825 m-2盘区逐渐进入F3断层影响范围，随着回采活动的进行，盘区内孔隙水压迅速降低，与其相邻的-825 m-3盘区和F3断层附近孔隙水压也有大幅下降。此外，由于岩体内节理裂隙不断延伸扩展并与断层沟通，形成渗流通道，导致矿坑涌水量迅速升高，断层内孔隙水压下降。因此，在现场回采过程中，当工作面接近或通过断层带时，是矿井发生突水危险性最大的时刻，应做重点监测，可通过注浆等手段防止水害事故的发生。此外，-825 m-2盘区与F3断层间留设矿柱内的孔隙水压逐渐升高，形成的“U”型趋势更为明显。

图8 -825 m-2盘区回采过程中孔隙水压变化云图Fig.8 Cloud chart of pore water pressure change in -825 m-2 panel mining process

图9展示了-825 m-2盘区回采过程中围岩及充填体中塑性区分布云图。由图9可知，随着开采活动的进行，各盘区内塑性区范围逐渐扩大，与-825 m-1盘区类似，充填体和矿体塑性区破坏模式具有明显区别；由于距离较近，受-825 m-2盘区回采活动影响，F3断层带岩体再次发生剪切破坏。

3.2.3 -825 m-3盘区回采

图10为-825 m-3盘区回采过程中采空区围岩及充填体内孔隙水压变化云图。由图10可知，通过F3断层继续回采，-825 m-3盘区和F3断层内孔隙水压呈现下降趋势，受-825 m-2盘区回采降压作用的影响，孔隙水压整体较小；-825 m-3盘区侧留设矿柱内孔隙水压略有升高，幅度不大；回采结束后，F3断层内仍保持一定的孔隙压力，并逐渐向两侧采空区充填体扩散降低。

图10 -825 m-3盘区回采过程中孔隙水压变化云图Fig.10 Cloud chart of pore water pressure change in -825 m-3 panel mining process

图11展示了-825 m-3盘区回采过程中围岩及充填体内塑性区分布云图。由图11可知，随着回采活动的进行，-825 m-3盘区内塑性区范围逐渐扩大，且F3断层受其影响较小，充填体和矿体破坏模式与-825 m-1盘区类似。

图11 -825 m-3盘区回采过程中塑性区分布云图Fig.11 Distribution map of plastic distinction in -825 m-3 panel mining process

图12为回采过程中F3断层内1#监测点、2#监测点孔隙水压监测结果。对于1#监测点，孔隙水压变化可划分为上升阶段、第一次下降阶段和第二次下降阶段三个阶段。-825 m-1盘区回采时，盘区内孔隙水压下降，此时F3断层受其影响较小，塑性区范围变化不大，断层内水流积聚，孔隙水压升高；由于-825 m-2盘区和-825 m-3盘区距F3断层较近，回采活动使得断层带岩体裂隙扩展联通，活化导渗，带内孔隙水压迅速下降。对于2#监测点，由于矿井涌水水源来自深部，2#监测点孔隙水压明显大于1#监测点，随着回采活动的进行，逐渐降低；此外还可以看出，-825 m-2盘区和-825 m-3盘区回采活动影响程度要大于-825 m-1盘区。

图12 回采过程中F3断层滑动破碎带孔隙水压监测结果Fig.12 Monitoring results of pore water pressure in F3 fault sliding fracture zone during mining

4 结 论

本文以三山岛金矿为工程背景，采用房柱式交替向上充填采矿法，通过开展数值模拟试验，在模拟采动条件下，尤其是采场通过F3断层时，矿体、充填体内渗流场以及塑性区的演化过程，对矿井不同开采时段、不同开采区域的突水危险性进行分析，取得结论如下所述。

1) 距离断层较远时(-825 m-1盘区)，随着回采活动的进行，盘区内的孔隙水压迅速降低，同时对相邻盘区和断层内的孔隙水压也有一定降低作用，但不明显；盘区内塑性区的范围逐渐扩大，充填体发生剪切破坏，矿体发生拉破坏。

2) 距离断层较近时(-825 m-2盘区)，随着回采活动的进行，岩体内节理裂隙不断延伸扩展并与断层沟通，形成渗流通道，导致矿坑涌水量迅速升高，断层内孔隙水压下降。因此，现场回采过程中，当工作面接近或通过断层带时，是矿井发生突水危险性最大的时刻，应做重点监测，可通过注浆等手段防止水害事故的发生。

3) 通过断层之后(-825 m-3盘区)，受回采降压作用影响，盘区内孔隙水压整体较小，并逐渐向两侧采空区充填体扩散降低；此外，随着埋深的增加，断层突水危险性迅速升高。