滨海矿山深部开采水压—水温—围岩应力监测与突水机理

王 军 刘景军 王延平

(1.山东理工大学建筑工程学院,山东 淄博 255049;2.山东建勘集团有限公司,山东 济南 251000)

遭受高地应力、高温、开采扰动等复杂环境影响,海底矿产的开采比陆地开采更加复杂[1-2]。突水是常见的地下矿井灾害,造成重大的经济损失和人员伤亡,60%的矿山事故是突水造成[3]。为保证地下矿山安全运行,开展地下突水机理研究非常重要。

三山岛金矿是我国第一个进行海底开采的滨海矿山,由于海底开采环境的特殊性和复杂性,必需开发安全保障技术为海下矿山的安全生产提供支持。李术才等[4]认为地下突水具有高水压、多类型、流量大等特征,突变演化规律复杂;刘焕新等[5]提出近海深部开采存在高渗透压及海水溃入的风险,由此带来海底开采区域渗流场、应力场、温度场等多场耦合下岩体力学性质的改变等;张庆艳等[6]研究发现渗透压越大、初始孔隙率越大,颗粒流失量越快,突水特征越明显;颜丙乾等[7]利用MCMC的贝叶斯方法,对滨海矿山水源进行判别,提高预测的准确率;Bin Yang等[8]提出对水压、渗流速度及水量变化进行实时监测,是预测突水事故的有效方法。

本研究利用自行研制的多功能无线遥测水压、水温、围岩应力一体计,对三山岛金矿西山矿区深部F3断层破碎带进行实时水压—水温—围岩应力监测,采用FLAC3D分析软件进行数值模拟,分析滨海深部地下矿山断层带突水机理,为预防断层破裂带区域突水灾害的发生提供参考。

1 设备安装运行

为探明三山岛金矿西山矿区不同中段的水压和采动应力,在矿区富水量大的-765、-780、-825、-855和-870 m等垂直深度105 m范围内5个不同水平中段安装多功能无线遥测水压—水温—应力计[9]。-765、-780m水平的断层带附近设置5个测点,分别在F3断层带中间和断层带两侧20～30 m的位置,-825、-855和-870 m水平没有穿过断层,在靠近掘进面的沿脉巷岩壁布置测点,其中-825 m水平布置5个测点,-855m水平布置4个测点、-870m水平布置3个测点,仪器安装好之后,进行长期监测。

仪器构造如图1。仪器安装完毕之后,插好用于存储数据的内存卡,安装探头(如图2),接通仪器供电电源,仪器即可开始工作。当孔内的水充满岩孔或覆盖仪器前端的压力陶瓷传感器,仪器即可采集到孔内的水压、水温和采动应力信息;在弧形巷道和巷道转弯处,安装信号中继站,保证信号继续向前传输,直到将信号传输到矿下有工业以太网接口的基柜附近或者4G无线信号覆盖区域,再传输到地面控制室,实现在地面控制室实时观测矿下数据的效果。

图1 水压—水温—应力计探头Fig.1 Probe of hydraulic pressure-temperature-stress

图2 探头安装Fig.2 Probe installing

2 数据监测及分析

在现场进行了35 d连续监测,获得数据如下。

2.1 采动引起的围岩应力数据

各监测中段监测点的采动应力变化情况如图3所示。

图3 监测点围岩应力变化Fig.3 Change of surround rock stress

监测表明,35 d期间5个水平中段的围岩应力变化相似;最大应力值5.5 MPa,出现在-780 m水平中段断层带。随着开采区域与监测点距离的逐渐增大,扰动引发的干扰逐渐降低,围岩应力趋向减小。

2.2 水温数据与分析

各监测点的水温变化情况如图4所示。

图4 监测点水温变化Fig.4 Change of water temperature

分析数据表明,每个测点的水温大体恒定,水温波动幅度较小;开采的深度增加,水温相应提高。对每个中段仪器测得的安装环境的水温数据进行汇总分析,求得每个水平的平均温度,经汇总分析发现,水温随深度的增加不断升高,在-765、-780、-825、-855、-870 m水平的平均温度分别为30.3、31.3、35.3、40.5 和 41℃。现场监测结果发现,沿F3断层,垂直深度增加105 m,水温升高10.7℃左右。

对每个中段的数据分析,距离断层越远的测点,其水温相对越高,距离断层越近的测点,水温相对较低。原因是西山矿区的水是远处的海水通过结构松散、透水性能较好的F3断层向下渗流,流至深部之后,经过地热加热,水在对流顶托作用下向上流动到矿坑,水是从下部沿着断层向上、向两侧运移的,同时接受上部地表海水和第四系水补给,在断层带中向下渗透时,起到了一定的降温作用,导致断层内的水温迅速下降,而断层周边的降温效果不明显[10]。

2.3 水压分析

监测点的水压变化情况如图5所示。

图5 监测点水压变化Fig.5 Change of hydraulic pressure

分析发现各个测点水压变化规律相似,先增大,后逐步减小,然后趋于平稳。在开采扰动和有压水源的耦合作用下,岩体中产生应力集中,造成大量裂隙生成;岩体中原有裂隙在开采扰动下卸压失稳,而后产生受拉导致开裂;部分裂隙在外界压力作用下变小,直至闭合,产生裂隙重分布[11]。孔隙中原来的积水扩散,导入到新生的裂隙网络,孔隙水压逐渐减小,经外来水源的补给,孔内水与附近岩体中的水达到动态平衡,水压恢复稳定[12]。

3 断裂带突水机理数值模拟

3.1 深部断裂破碎带突水理论模型

地下水富存于孔隙和裂隙中并在其中缓慢流动,流动时的阻力主要是流体的粘滞阻力,流速和压力梯度满足线性达西定律[13]:

式中,η为流体流速,m/s;k为渗透率,m2;μ为动力黏度,Pa·s;p为流体压力,Pa;Z为高度,m;ρ为流体密度,kg/m3;g为重力加速度,9.81 m/s2。

断层破碎带中,水渗流时满足非达西Forchhrimer流场,渗流呈现非线性特征[15]。

式中,下标NS表示Navier-Stokes流场。

3.2 数值模拟

利用水压—水温—围岩应力计获得现场监测数据,采用FLAC3D软件对F3断层破碎带突水机理数值模拟,模型尺寸为66 m×40 m×40 m(长×宽×高),巷道是由4 m×4 m的正方形并在其上有一个直径4 m的半圆,网格数49 720,其中,断层厚度为6 m,贯穿整个模型,与模型巷道轴线垂直,断层两侧岩体各30 m(如图6)。设置水压边界为5 MPa,分12步开挖,穿过断层,直到开挖贯通。模型力学参数如表1。

图6 数值计算模型Fig.6 Numerical calculation model

表1 模型力学参数Table 1 Mechanics parameter of model

各测点主应力回归方程(地应力场模型):

式中,σh,max为水平最大主应力、σh,min为水平最小主应力、σv为垂直主应力,MPa;H为深度,m。

3.3 模拟结果分析

巷道开挖过程引起附近围岩的屈服破坏,从而在巷道周边产生弹塑性区,塑性区的范围受到岩体质量的影响,正常围岩段塑性区Y=12 m处与断层破碎带塑性区Y=33 m处模拟结果如图7所示。分析发现完整岩体段由于自身岩体质量好,随巷道的开挖仅在巷道周边较近位置产生了很小的塑性区范围,而断层破碎带区域塑性区很大,面积约为350 m2,断层附近的塑性区以巷道顶部和底板位置最为明显,顶部多产生剪切破坏,两帮位置和底板位置主要为拉剪破坏。

图7 塑性区分布Fig.7 Plastic zone distribution

顶板5 m孔隙水压力随开挖工作的推进变化见图8,水压呈现先平稳,然后微弱上升,再急剧减小,然后再快速回升,后微弱减小,最终趋向平稳的复杂变化。孔隙水压力急剧减小区段发生在断层破碎带断面。由于距断层带较远处的岩体较为完整,透水结构较少,内部含有的孔隙水和裂隙水的水压受开采影响较小。在开采过程中,距离断层较远的完整岩体水压表现为平稳趋势,当开挖逐渐靠近断层带时,受开采扰动,岩体的节理裂隙缩小闭合,其内部的孔隙水和裂隙水被挤压,因此在断层带两侧位置水压有微弱上升,出现2个水压峰值;在断层带内,由于岩体破碎、渗透系数大、透水性强,受开采扰动影响,其内部结构迅速遭到破坏,裂隙急剧开展,开采活动挖掘到与断裂带内的节理裂隙有较好联通的临空面时,导通岩体内的导水路径,水迅速流出,水压急剧减小;继续开挖,断层带逐渐被开挖完毕,岩体完整性逐渐恢复,隔水性逐渐增强,水压出现微弱回升,在断层带附近的完整岩体水压再次达到峰值,随着开挖距离越来越远,岩体完整性趋于稳固,受开挖扰动减小,水压趋于稳定。

图8 水压变化Fig.8 Change of hydraulic pressure

从巷道周围地下水渗流场流动矢量分布图9可以看出,巷道开挖时,地下水即开始向巷道内流动,渗流主要发生在巷道的顶底板和底板两角处,这与现场测试结果基本吻合。

图9 Y=33 m处渗流场矢量分布Fig.9 Vector distribution of seepage at Y=33 m

巷道开挖过程的围岩应力变化云图见图10。

由图10可知,随着巷道的开挖靠近掌子面,监测点起初产生较小的应力变化,而当开挖至监测点,测点处X-X、Z-Z向应力产生急剧变化,开挖对断层带应力场产生了扰动,形成应力重分布。

图10 破碎带应力云图Fig.10 Stress cloud of crushed zone

4 结 论

(1)随着开采深度的增大,水压增大,水温升高;垂深增加105 m,温度提高约10.7℃;距离断层越远,水压减小,水温升高。

(2)围岩应力与水压的变化规律一致,初期在一定时间内减小,最后趋于稳定,断层区围岩应力受到开采扰动明显增大。

(3)断层带附近的塑性区以巷道顶部和底板位置最为明显,顶部以剪切破坏为主,两帮和底板以拉剪破坏为主,渗流主要发生在巷道的顶板和底板两角处。