丁家莊鐵礦礦床疏水對地表村莊沉降影響的Midas-GTS數值模擬分析

陳國濤

(山東省冶金設計院股份有限公司)

對礦區(qū)進行精確三維地質建模，不僅僅有助于分析地下巖體的分布情況，而且可為井下巷道及采礦工作面布置提供可靠依據，此外，利用礦區(qū)三維地質模型還可以有效分析地下開采活動對地表變形的影響[1-4]。目前，按照建模數據源，三維地質建模方法可分為基于鉆孔數據建模、基于剖面數據建模、基于三維地震資料建模、基于多源數據建模等[5-7]。本研究以河北丁家莊鐵礦為例，基于礦區(qū)鉆孔數據，利用Midas-GTS軟件構建礦區(qū)三維地質模型，分析礦區(qū)西礦段礦床涌水疏干作業(yè)對地表村莊建筑物的影響，為合理設計礦體開采方案提供可靠依據。

1 礦區(qū)概況

1.1 礦區(qū)地質特征

丁家莊鐵礦礦床分為西礦段和東礦段(圖1)。礦體總體走向NE 67°，全長2 414 m，分為6個礦帶，16個礦體，各礦帶礦體產狀平緩。其中O#、Ⅰ#、Ⅱ#、Ⅲ#礦帶位于西礦段，Ⅳ#、Ⅴ#礦帶位于東礦段。Ⅰ#礦帶的Ⅰ-2#礦體為西礦段的主礦體，Ⅳ#礦帶的Ⅳ-1#礦體為東礦段的主礦體。Ⅰ-2#礦體分布于3#～5#線，埋深218～709 m，上部標高為-38～-538 m；礦體呈層狀、囊狀展布，長1 336 m，最大延深482 m，厚度一般為10～20 m，最大厚度達115 m；礦體總體走向NE，傾向NW，傾角20°～27°。

圖1 礦區(qū)礦段分布

目前，礦山一期工程主要開采西礦段-305 m水平以上礦體，主要開采水平為-225，-305 m水平，采用分段空場嗣后膠結充填法開采[8-9]；二期工期的主要開采范圍為西礦段-305～-505 m水平，分別采用上向分層膠結充填法、上向進路膠結充填法、分段空場分段膠結充填采礦法生產[10-11]。由于礦床地下涌水較大，為確保礦山安全生產，采取注漿堵水方案，以有效避免開采水平以上的地下水進入采場，確保井下安全生產。根據通風要求和階段水平的礦量，確定西礦段的首采階段為-455 m水平，開采順序為由下至上。

1.2 礦區(qū)水文地質特征

丁家莊礦區(qū)是一個相對獨立的水文地質單元，礦區(qū)水文地質邊界以F5斷裂為界(斷裂東段兩側的灰?guī)r含水體的銜接厚度為20～100 m，形成了2個產生南北兩側水力聯系的導水缺口，中間阻水，兩側導水，具有阻水和導水的兩重性)，北與谷家臺單元相接[12]。礦區(qū)以F3斷裂為界，東與業(yè)家莊單元為鄰；西部以F4斷裂為界；南部邊界為塔子—石門官莊斷裂。汶河從礦區(qū)北部流過，距離礦區(qū)2 km，石河由南至北流經礦區(qū)西部匯入汶河，為季節(jié)性河流。礦區(qū)內地層自上而下有第四系、第三系、中奧陶系及燕山期閃長巖。按巖石的導水性和富水程度，含水層分為第四系沖洪積砂礫層和中奧陶系馬家溝組灰?guī)r巖溶裂隙承壓含水層，隔水層為第三系紅砂巖和燕山期閃長巖[12]。

2 礦床涌水疏干作業(yè)對地表建筑物的影響

2.1 礦區(qū)三維地質模型構建

根據礦區(qū)的初始水位面及施工帷幕前的水位面，通過插值方法[6]得到的礦床涌水疏干前后的水位面分別如圖2、圖3所示。

由于東礦段距離村莊較遠，本研究僅分析西礦段的礦床涌水疏干作業(yè)對地表村莊建筑物的影響。為簡化模型，建模時僅考慮西礦段Ⅰ#礦帶的Ⅰ-2#礦體。為防止網格劃分過程中出現一些尖角，導致網格產生畸形，本研究統計鉆孔數據過程中，對于一些局部存在的地層數據不予統計，歸并至相鄰的地層中[5]。模型的物理力學參數取值見表1[7]，構建的礦區(qū)三維地質模型如圖4所示。

2.2 數值模擬分析

2.2.1 一期開采

一期開采礦床涌水疏干后，水位面開始下降，土體進行滲流固結，相應的水壓分布、豎向位移分布分別如圖5、圖6所示。

圖2 2004年8月份丁家莊鐵礦基建初期的等水位線(單位：m)

圖3 2007年8月份丁家莊鐵礦帷幕完成前的等水位線(單位：m)

巖層密度/(kg/m3)彈性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa內摩擦角/(°)抗壓強度/MPa黏土層243030.311.64013大理巖2740470.3414.94164閃長巖2610630.2543.224122鐵礦石3600320.27104039充填體20005.60.300.7530.015

圖4 礦區(qū)三維地質模型

圖5 一期開采礦床涌水疏干后水壓分布

分析圖6可知：地表豎向位移由左至右逐漸減小，是由于“天窗”地段灰?guī)r的巖溶發(fā)育程度一般較高，造成了上、下含水層產生互補的通道，當上覆第四系或第三系較薄且地下水位急劇降低時，造成豎向位移較大，易形成地表塌陷，模型右側由于存在隔水層，致使豎向位移較小。

圖6 一期開采礦床涌水疏干后地表豎向位移分布

地表6#、7#監(jiān)測斷面(圖7)的水平位移、豎向位移變化特征如圖8所示。

圖7 一期開采礦床涌水疏干作業(yè)地表位移監(jiān)測斷面

分析圖8可知：地表水平位移在6#監(jiān)測斷面上呈現“拋物線”型變化，村莊覆蓋范圍(圖8(a)平距850～1 370 m)內地表的最大水平位移值為13 mm，村莊覆蓋范圍(圖8(b)平距180～700 m)內地表的最大豎向位移值為76 mm。

圖8 6#、7#監(jiān)測斷面地表位移變化曲線

2.2.2 二期開采

根據礦區(qū)地質勘探報告，村莊附近存在丁家莊斷裂，走向21°，傾向111°，傾角75°，為左行壓扭性逆斷層。斷層內見擠壓破碎帶，地層沿走向不連續(xù)。由于三維建模的復雜性，本研究構建的礦區(qū)三維地質模型(圖4)未考慮斷層因素，而斷層的存在對地表變形特別是村莊所在區(qū)域的地表變形有顯著的影響。為此，本研究構建了三維地質模型來進一步分析二期開采礦床涌水疏干對地表村莊的影響。如圖9所示，“地表變形監(jiān)測斷面”所在位置即為地表村莊范圍。該斷面的水壓分布及豎向位移分布分別如圖10、圖11所示。

圖9 二期開采礦床涌水疏干作業(yè)豎向位移監(jiān)測斷面

圖10 二期開采礦床涌水疏干后水壓分布

圖11 二期開采礦床涌水疏干后豎向位移分布

分析圖11可知：地表豎向位移在斷層位置出現突變，最大豎向位移(約為76 mm)出現于斷層右側。此外，水平位移在斷層兩側呈現近似“拋物線”型變化，最大值(約15 mm)也出現于斷層右側。

由于斷層的存在，導致村莊范圍內(圖12)地表沉降差異較大。分析圖13、圖14可知：村莊范圍內地表建筑物的最大傾斜值(4.2 mm/m)及地表水平變形最大值(1.8 mm/m)主要分布于斷層附近。

圖12 礦區(qū)地表村莊范圍

圖13 村莊范圍內建筑物傾斜值分布

圖14 村莊范圍內地表水平變形值分布

丁家莊礦區(qū)地表實測得出的村莊建筑物的最大傾斜值約為3.2 mm/m，最大水平變形值約為2.3 mm/m，可見，本研究數值模擬結果與相應的實測值較接近，利用數值建模方法分析礦床涌水疏干作業(yè)對地表沉降的影響可靠性較好。

根據《有色金屬采礦設計規(guī)范》(GB 50771—2012)[13]對地表建筑物保護等級的劃分，礦區(qū)地表建筑物的保護等級屬于Ⅲ級，本研究數值模擬所得地表建筑物的最大水平位移值、最大傾斜值以及相應的實測值均小于相應的允許值(6，10 mm/m)，可見丁家莊礦區(qū)一期、二期開采工程礦床涌水疏干作業(yè)對于地表村莊建筑物的影響較小。

3 結 語

以丁家莊礦床為例，采用Midas-GTS軟件構建了礦區(qū)三維地質模型，詳細分析了一期、二期開采工程礦床涌水疏干作業(yè)對地表變形的影響。研究表明：礦床開采過程中采用頂板注漿堵水工藝對于地表村莊建筑物的影響較小。

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