臨湖鐵礦開采采場(chǎng)圍巖裂隙演化規(guī)律及防治水技術(shù)研究

蘇成志 齊躍明 景佳俊

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院,江蘇 徐州 221116;2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì),江蘇 徐州 221004)

伴隨著礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)與利用,各類壓占資源和后備常規(guī)儲(chǔ)量不足的矛盾日益凸顯,近水體或水體下采礦的重要性愈發(fā)明顯[1]。因而,解決近水體安全開采、防治突水問題成為礦山所面臨的重大生產(chǎn)安全問題之一。

現(xiàn)今鐵礦在近水體開采方面的研究不多。李聚振等[2]通過采用礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)南洺河鐵礦穿脈巷的頂板圍巖位移、離層等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律;馬海濤等[3]通過建立港里鐵礦開采三維模型,評(píng)估了水下開采發(fā)生坍塌、突水等災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)礦山的水下開采具有一定的指導(dǎo)作用;Yuan等[4]通過在高水壓下帷幕灌漿封堵了高傾角裂縫,不僅實(shí)現(xiàn)了水資源的保護(hù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了壓占鐵礦資源的安全開采;Zago等[5]采用直流電阻率法生成三維地電模型,描述了礦井水補(bǔ)給區(qū)域、補(bǔ)給通道等,為含水層下開采時(shí)疏干排水防護(hù)提供理論支持;高保彬等[6]通過物探、鉆探結(jié)合的方式在水體下采煤工作面探測(cè)煤層導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度,驗(yàn)證了裂隙測(cè)量系統(tǒng)的可靠度,為礦井的水下開采提供了理論支撐;靳蘇平[7]通過分析王莊煤礦厚煤層開采覆巖破壞規(guī)律及導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育形態(tài),計(jì)算導(dǎo)水裂縫帶最大高度,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)采礦條件提出保護(hù)性開采技術(shù)方案,實(shí)現(xiàn)了近水庫區(qū)厚煤層安全開采;劉貴等[8]通過分析各煤層上覆巖層巖性,確定了覆巖類型,并根據(jù)近距離煤層開采覆巖破壞高度計(jì)算規(guī)則,計(jì)算出覆巖破壞高度,對(duì)水體下多煤層開采的可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià);徐志敏等[9]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了導(dǎo)水裂隙帶高度的預(yù)測(cè)模型,為合理設(shè)計(jì)水庫下采煤的開采方式方法提供了重要的參數(shù)依據(jù)和技術(shù)支撐;鞠金峰等[10]根據(jù)采動(dòng)覆巖導(dǎo)水裂隙演化規(guī)律,分別從頂板突水災(zāi)害防治、含水層原位保護(hù)、采動(dòng)破壞含水層的再恢復(fù)、采動(dòng)漏失水資源的轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存與利用等4個(gè)方面,分析了保水采煤技術(shù)的可行性。

近年來近水礦山開采的研究主要集中于煤礦,對(duì)于近水體開采金屬礦種的礦山為數(shù)不多,且主要圍繞開采引起的裂隙發(fā)育高度這一因素,目前尚有很大一部分位于水體下的礦床至今不能合理開采利用。為此,針對(duì)礦山過斷層開采、地表水體廣布、工作面與湖水高水頭差等多種復(fù)雜條件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查和數(shù)值模擬,對(duì)礦區(qū)開采引起的采場(chǎng)圍巖破壞情況進(jìn)行研究。通過分析破壞規(guī)律以及地表水體、地下含水層與工作面溝通情況,提出綜合考慮湖塘、斷層、高水頭壓差等復(fù)雜因素影響的水害防治設(shè)計(jì),并為后續(xù)注漿改造提供參數(shù)依據(jù),在減小礦山生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)保護(hù)了地表水體,并為類似礦井的水害防控提供理論支持。

1 礦山概況

該鐵礦位于微山湖南面,屬江蘇省徐州市銅山區(qū)管轄,設(shè)計(jì)能力15萬t/a。該地下鐵礦床為隱伏礦床。區(qū)域?yàn)槿A北平原魯南南緣低山丘陵。礦區(qū)位于低山丘陵區(qū)的西北部,與微山湖毗連。礦區(qū)地屬亞熱帶與溫暖帶過渡帶、濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)氣候區(qū),夏熱多雨,冬寒干燥。年平均氣溫14 ℃,最高氣溫40.6 ℃,最低氣溫-22.6 ℃。年平均降水量840.4 mm,年最大降雨量1 191.2 mm,年最小降雨量601.4 mm,全年降雨量集中在6～8月份,占全年降雨量的50%以上。連續(xù)30 d最大降雨量為755.8 mm,日最大降雨量為198.3 mm。

2 水文地質(zhì)條件

鐵礦所處地區(qū)位于徐州復(fù)式背斜NNE-NE向構(gòu)造帶傾沒端和受近EW向基底斷裂控制的鄭集-利國煤田2組構(gòu)造的復(fù)合部位。礦區(qū)內(nèi)有1組NNE向斷層,該組斷層是礦化作用后形成的構(gòu)造,不僅破壞巖體和礦體的完整性,也切割了東西向、北東向和北西向構(gòu)造,為礦田內(nèi)主要破巖破礦構(gòu)造。礦山建設(shè)期進(jìn)行抽水試驗(yàn),證實(shí)斷層為隔水?dāng)鄬印?/p>

礦田內(nèi)地層(圖1)由老至新有:寒武系饅頭組(?1m)、毛莊組(?2m)、徐莊組(?2x)、張夏組(?2z)、崮山組(?3g)、長(zhǎng)山組(?3c)、鳳山組(?3f);奧陶系三山子組(O1s)、賈汪組(O1j)、肖縣組(O1x)、馬家溝組(O1m)、閣莊組(O2g);石炭系本溪組(C2b)、太原組(C2t);二疊系山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)及第四系。礦體產(chǎn)于奧陶系馬家溝組中下部,閃長(zhǎng)玢巖與灰?guī)r的接觸帶近圍巖一側(cè)。埋深在22～218 m之間,主要含水層為奧陶系肖縣組(O1x)大理巖裂隙承壓水。礦段內(nèi)含水層主要為奧陶系閣莊組、馬家溝組至肖縣組可溶鹽類裂隙巖溶水。由于火成巖的侵入,使奧陶系地層支離破碎成大小不等的塊體,總體上層位是連續(xù)的。含水層的巖性以白云巖、灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r和變質(zhì)的大理巖為主,其富水性無論在平面上還是垂直方向上都不均勻,主要受巖溶裂隙、構(gòu)造控制。隔水層主要是石炭系本溪組,巖性以花崗巖、矽卡巖、閃長(zhǎng)玢巖為主。

圖1 礦區(qū)綜合地質(zhì)圖Fig.1 Comprehensive geological map of the mining area

巖層含水巖組大體可分為4類:

(1)強(qiáng)富水區(qū)-主要為灰?guī)r裂隙巖溶水。主要由奧陶系中、下統(tǒng)灰?guī)r組成。該地層裸露地帶巖溶發(fā)育,直接或間接接受大氣降水補(bǔ)給。

(2)中等富水區(qū)-主要為灰?guī)r巖溶裂隙水。主要由寒武系泥灰?guī)r、砂頁巖組成,該地層裸露地帶裂隙巖溶發(fā)育,直接接受大氣降水補(bǔ)給,巖石含水性不均。

(3)弱富水區(qū)-砂頁巖裂隙水。主要由二疊系上統(tǒng)及石炭系下統(tǒng)組成,淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育,但多被泥土充填,多為礦區(qū)北部-東北部煤礦區(qū)。

(4)隔水區(qū)-砂頁巖、巖漿巖區(qū)。主要由石碳紀(jì)中統(tǒng)砂頁巖、鋁土質(zhì)、鐵鋁質(zhì)灰?guī)r及鐵礦區(qū)花崗閃長(zhǎng)斑巖、閃長(zhǎng)斑巖、閃長(zhǎng)玢巖組成、淺部雖風(fēng)化裂隙發(fā)育、但多被填充物充填,是良好的隔水層。區(qū)域的淺層孔隙水、裸露型裂隙溶洞水和裂隙水,都屬潛水或弱承壓潛水,其水化學(xué)特征受含水巖組巖性和補(bǔ)給、逕流、排泄條件影響。由于潛水、弱承壓潛水都以大氣降水補(bǔ)給、蒸發(fā)消耗為主,地下水的循環(huán)交替作用較強(qiáng),所以多屬礦化度小于1 g/L的淡水,唯湖西平原鄭集、馬坡、沿湖一帶有礦化度1～2 g/L的淺層孔隙水分布。

3 開采圍巖破壞規(guī)律分析

3.1 導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算

礦區(qū)地層受斷層切割,礦段上覆地層為鈉化閃長(zhǎng)玢巖、矽卡巖,抽水試驗(yàn)表明斷層為相對(duì)隔水?dāng)鄬?阻隔奧陶系含水層直接流入工作面。因此在不考慮開采對(duì)斷層造成的擾動(dòng)以及疏干引起的裂隙充填物被地下水潛蝕運(yùn)移掏空的情況下,頂板裂隙帶的發(fā)育高度決定了礦區(qū)隔水層的穩(wěn)定。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中關(guān)于近水體采礦的相關(guān)規(guī)定,結(jié)合礦區(qū)的覆巖條件為堅(jiān)硬,導(dǎo)水裂隙帶和冒落帶的計(jì)算應(yīng)采用以下經(jīng)驗(yàn)公式:

式中,Hk為垮落帶最大高度,m;Hli為導(dǎo)水裂隙帶最大高度,m;M為礦體采厚,m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,礦體開采的垮落帶高度為27.9 m,導(dǎo)水裂隙帶高度為78.8 m。若采用兩步驟充填法開采,則垮落帶高度可以忽略不計(jì),導(dǎo)水裂隙帶最大高度也會(huì)極大減小。礦體頂板上覆巖層為厚度近143 m的閃長(zhǎng)玢巖,具有良好的隔水性,因此從地質(zhì)條件上考慮,開采造成的采動(dòng)裂隙不會(huì)破壞上覆巖層隔水性。

礦體開采擾動(dòng)會(huì)致使原巖的應(yīng)力失去平衡,底板巖層在應(yīng)力作用下向采空區(qū)運(yùn)移,導(dǎo)致底板巖體發(fā)生剪切膨脹破壞,產(chǎn)生新的導(dǎo)水通道[11]。由于銅山島鐵礦礦段下層即為強(qiáng)含水的大理巖層,底板破壞情況直接關(guān)系著工作面的安全。為了更準(zhǔn)確地判斷巖層底板破壞情況,根據(jù)塑性力學(xué)理論,底板的破壞帶深度h可以使用以下計(jì)算公式[12]:

式中,Ls為礦層塑性區(qū)寬度,估算為0.015倍采深,m;φ0為底板巖體權(quán)重平均內(nèi)摩擦角,(°)。

利用鐵礦的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,得出開采后底板采動(dòng)破壞深度為1.85 m,破壞了大理巖層形成新的裂隙,威脅礦井的安全生產(chǎn)。

3.2 采動(dòng)圍巖破壞數(shù)值模擬

為進(jìn)一步探究鐵礦開采對(duì)頂?shù)装逡约皵鄬拥挠绊?通過礦體的賦存條件以及構(gòu)造發(fā)育情況,利用Flac3D建立長(zhǎng)×寬×高為300 m×200 m×220 m的數(shù)值模擬模型。如圖2所示,地層傾角11°,斷層傾角為80°。模型本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。模型四周限制水平位移,底部限制垂直位移,頂部開放。采取無充填開采及兩步驟充填開采方式,根據(jù)ZK1103鉆孔巖芯物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及對(duì)比周邊礦井的相關(guān)力學(xué)資料,確定出此次模型模擬相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks

圖2 礦段地層結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Stratigraphic structure model of ore section

礦體受斷層切割,上盤上升下盤下降。由于斷層的存在,巖體產(chǎn)生破壞,構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生部分消失,斷層附近的應(yīng)力分布狀態(tài)受到擾動(dòng),在斷層上盤的底端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象(圖3),最大應(yīng)力為11.53 MPa;且斷層帶中的巖體處于破碎或軟弱狀態(tài),與周圍巖體相比應(yīng)力減小,自斷層頂部向下呈現(xiàn)出一個(gè)應(yīng)力降低帶。

圖3 巖體初始垂直應(yīng)力場(chǎng)Fig.3 Initial vertical stress field of rock mass

3.3 采場(chǎng)圍巖破壞規(guī)律分析

3.3.1 無充填開采模擬分析

礦體開采垂直應(yīng)力云圖及位移云圖如圖4、圖5所示。

圖4 鐵礦不同開挖長(zhǎng)度垂直應(yīng)力云圖Fig.4 Vertical stress cloud map of iron ore at different excavation distances

圖5 鐵礦不同開挖長(zhǎng)度垂直位移及塑性區(qū)云圖Fig.5 Vertical displacement and plastic zone cloud map of iron ore at different excavation distances

根據(jù)垂直應(yīng)力云圖(圖4)可知,隨著開挖長(zhǎng)度的增加,采空區(qū)頂?shù)装寮皫捅诔霈F(xiàn)應(yīng)力集中區(qū),頂?shù)装宄霈F(xiàn)小范圍拉應(yīng)力區(qū),為0.67 MPa,巖層中最大壓應(yīng)力也逐步由斷層上盤底端轉(zhuǎn)移至開采礦房的兩側(cè)幫壁,最大達(dá)19.8 MPa。隨著開采的進(jìn)行,巖層卸壓區(qū)持續(xù)增大,采空區(qū)上下方應(yīng)力減小區(qū)域不斷發(fā)展,直至地表。隨工作面向斷層部位掘進(jìn),上幫壁應(yīng)力逐漸減小,過斷層后又逐漸增大,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。位移及塑性區(qū)分布云圖(圖5)顯示指向采空區(qū)的位移不斷增大,集中在采空區(qū)頂?shù)装逦恢?頂板最大位移達(dá)149.6 mm且向兩側(cè)逐漸減小。底板由于礦房采空后呈現(xiàn)開放狀態(tài),受力發(fā)生破碎,產(chǎn)生底鼓,最大達(dá)28.9 mm。工作面過斷層后,受采空區(qū)上盤巖體自重及上部巖層應(yīng)力傳遞影響,巖層上盤采空區(qū)上方位移呈“C”形,由此造成斷層帶塑性區(qū)分布如圖5(f),呈上下段分布,對(duì)斷層帶隔水能力造成影響,存在直接溝通地表水體可能。同時(shí)開挖造成底板出現(xiàn)深度約1.91 m的破壞帶,與理論計(jì)算相符。破壞帶溝通了大理巖層含水層,對(duì)工作面造成威脅。

3.3.2 充填開采模擬分析

為減小地表沉降與斷層擾動(dòng),計(jì)劃采用兩步驟充填法進(jìn)行礦體開采,在盤區(qū)內(nèi)劃分10個(gè)采場(chǎng),采取隔一采一的方式,第一個(gè)采場(chǎng)采后立即進(jìn)行充填,即充填與開采交替進(jìn)行,由此分析地層的應(yīng)力變化。

礦層開采垂直應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示。一步驟礦房開采并利用充填材料進(jìn)行充填后,應(yīng)力分布范圍未發(fā)生大范圍變動(dòng)。相較于無充填開采地層垂直應(yīng)力分級(jí)明顯減少,頂?shù)装鍛?yīng)力減小。充填體兩側(cè)存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,與初始應(yīng)力場(chǎng)相比,開采造成的應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)育有限?？拷鼣鄬拥V房開采后,由于充填材料強(qiáng)度低于原礦巖,在原位置形成“凹”型應(yīng)力分布,在斷層帶附近低應(yīng)力區(qū)形成新的低應(yīng)力區(qū)域。

圖6 一步驟礦房開采垂直應(yīng)力云圖Fig.6 Vertical stress cloud map of the first step mining room

圖7 二步驟礦房開采垂直應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical stress cloud map of the second step mining room

兩步驟礦房充填完成后工作面整體形成了新的應(yīng)力區(qū),相比初始應(yīng)力狀態(tài)整體減小,形成一個(gè)向上發(fā)展但高度有限的低應(yīng)力區(qū)域。此時(shí)一步驟充填體內(nèi)部最大應(yīng)力為3.9 MPa。二步驟充填體內(nèi)部應(yīng)力為0.59 MPa,兩側(cè)位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,平均應(yīng)力為1.9 MPa。充填體內(nèi)部有拱形應(yīng)力分布。斷層帶附近應(yīng)力進(jìn)一步減小,應(yīng)力減小區(qū)域有限,開采活動(dòng)對(duì)斷層帶影響甚小。

礦層開采垂直位移云圖如圖8、圖9所示。兩步驟礦房開采過程中頂?shù)装宓奈灰谱兓徛瑫r(shí)數(shù)值較小,由應(yīng)力分布也可推測(cè),充填體極大程度改善了工作面采空區(qū)的應(yīng)力條件。充填體一定程度上避免了礦房開采后頂?shù)装鍘r層處于軟弱開放狀態(tài),因此礦體全部開采后,頂板最大位移也僅達(dá)到77.2 mm,底鼓則為15.6 mm,僅斷層附近底板出現(xiàn)較大位移。開采后的圍巖位移場(chǎng)影響有限,地表中心最大位移為30.3 mm。

圖8 一步驟礦房開采垂直位移云圖Fig.8 Vertical displacement cloud map of the first step mining room

圖9 二步驟礦房開采垂直位移及塑性區(qū)云圖Fig.9 Vertical displacement and plastic zone cloud map of the second step mining room

如圖9(e)所示,礦層開采充填后,位移在斷層帶附近變化較小,為19.5 mm。相較于斷層下盤,上盤整體位移較小。塑性區(qū)分布如圖9(f),由于充填體內(nèi)部存在拱形應(yīng)力分布,應(yīng)力分布不均勻,充填體兩側(cè)發(fā)生剪切破壞,塑性破壞僅分布于下段工作面的底板極小區(qū)域以及充填體與頂板接觸區(qū)域,斷層未額外發(fā)生塑性破壞,因此幾乎不存在開采對(duì)于斷層的破壞。

3.4 水文地質(zhì)效應(yīng)

斷層帶巖體作為巖體中軟弱條帶,對(duì)采動(dòng)應(yīng)力傳遞具有一定的阻隔效應(yīng)[13]。隨著工作面穿過斷層,破壞了礦體附近斷層的完整性,在一定范圍內(nèi)失去應(yīng)力阻隔能力,由圖7(d)、(e)兩圖可以看出應(yīng)力變化從下盤延伸至上盤,因此導(dǎo)致斷層在不同深度所受應(yīng)力不同,位移不同,發(fā)生不連續(xù)變形,對(duì)斷層帶產(chǎn)生破壞,造成隔水能力下降,甚至形成新的導(dǎo)水通道。同時(shí)由于礦區(qū)地表第四系淤泥質(zhì)粘土隔水層被破壞,使湖水與奧陶系含水層的水溝通。建井期間,開拓深度地下水與湖水水頭差近130 m,由于礦床的疏干,巖溶裂隙之間的充填物會(huì)被地下水潛蝕運(yùn)移掏空,同時(shí)礦體開采造成的圍巖變形及破壞會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)水體的導(dǎo)通,使得頂板隔水層逐漸演變?yōu)橄鄬?duì)透水層,導(dǎo)致湖水灌入坑道。此外,圍巖的變形破壞還會(huì)導(dǎo)致底板含水層向工作面涌水,引發(fā)工作面的突水問題?？傮w而言,礦體開采引起的圍巖的變形破壞會(huì)引起含隔水層的變化,形成新的礦井地下水系統(tǒng),因此需要對(duì)引起的變化提高警惕,或者提前對(duì)危險(xiǎn)因素進(jìn)行針對(duì)性改造。

4 防治水技術(shù)研究

4.1 底板注漿改造

大理巖層為工作面的直接底板,作為直接充水含水層,含水性強(qiáng)。采用兩步驟充填開采雖未明顯破壞底板巖層完整性,但是開采擾動(dòng)、礦床疏干以及較高的水頭差會(huì)對(duì)巖層造成不可預(yù)知的影響,造成底板突水,威脅礦井的安全生產(chǎn)。為此需要對(duì)底板進(jìn)行注漿改造。

借鑒煤炭行業(yè)《煤礦防治水細(xì)則》規(guī)定,突水系數(shù)計(jì)算公式為

式中,T為突水系數(shù),MPa/m;p為底板隔水層承受的實(shí)際水頭,MPa。

由于p未考慮含水層改造深度導(dǎo)致的數(shù)值變化,因此根據(jù)任金武等[14]提出的底板改造深度精確計(jì)算方法,p值計(jì)算公式如下:

式中,H1、H2分別為含水層的靜止水頭高度以及工作面底板標(biāo)高,m;ρ為水的密度,kg/m3;g為自由落體加速度,m/s2。

將式(5)代入式(4),即可得到最終計(jì)算公式:

銅山島礦段底板標(biāo)高為-183～-148 m,含水層靜水壓為2.86 MPa。礦層底板受斷層切割,突水系數(shù)T取0.06 MPa/m,g取9.8 m/s2。由此反算得出,M值為56 m。

如圖10,底板大理巖層厚度為18.4～75.1 m,根據(jù)上述計(jì)算可得,需要對(duì)裂隙發(fā)育地區(qū)的大理巖層及相鄰地層進(jìn)行深度為56 m的注漿改造,將含水層改造為隔水層。同時(shí)為了提高安全系數(shù),在過斷層工作面附近破碎帶應(yīng)適當(dāng)增加注漿孔進(jìn)行額外注漿加固,避免開采造成的斷層塑性破壞。

圖10 水文地質(zhì)工程柱狀圖Fig.10 Hydrogeological engineering histogram

4.2 粘土隔水墻

礦區(qū)坑塘開挖造成第四系淤泥質(zhì)粘土、亞粘土隔水層破壞,湖水與奧陶系含水層的水溝通。此外,礦區(qū)內(nèi)有渠底低于微山湖湖面灌溉渠,渠道部分地段灰?guī)r裸露,巖溶裂隙發(fā)育,渠水可直接滲入地下,補(bǔ)給地下水與礦區(qū)地下水聯(lián)系密切。工作面開拓深度地下水與湖水水頭差近130 m,在巖溶裂隙之間的充填物被地下水潛蝕運(yùn)移掏空情況下,湖水存在大量補(bǔ)給地下水,造成工作面頂板突水問題的可能性。

針對(duì)這一問題可以采用粘土隔水墻技術(shù),建立新的隔水層組。隔水墻在工程應(yīng)用中較為常見,鋪設(shè)的同時(shí)進(jìn)行碾壓,厚度達(dá)3～5 m即可起到防滲作用。原料來源廣泛,相比注漿技術(shù)造價(jià)更為低廉,更易操作。同時(shí)輔助采用復(fù)合隔水膜,對(duì)于地表灰?guī)r裸露地段甚至坑塘可以起到很好的隔水作用,防止地表水補(bǔ)給奧灰含水層,減小工作面突水風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),保護(hù)了地表水資源,對(duì)礦井的開采以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)保護(hù)有積極作用。

5 結(jié) 論

(1)某臨湖鐵礦水文地質(zhì)條件復(fù)雜。Flac3D數(shù)值模擬結(jié)果分析表明,采用兩步驟充填開采可以極大程度上減小礦體開采造成的圍巖破壞,同時(shí)對(duì)斷層帶的影響較為有限,不會(huì)形成新的導(dǎo)水通道,應(yīng)力分布在一定程度上保持初始應(yīng)力狀態(tài),頂?shù)装寮皵鄬悠茐男?減弱了水文地質(zhì)效應(yīng),在近水體的條件下可以有效預(yù)防礦井突水。

(2)作為工作面的直接充水含水層,大理巖層的穩(wěn)定性有著極高的重要性。相較于直接開采造成的深度達(dá)1.91 m的底板破壞帶,充填開采不造成明顯的塑性破壞。但由于大理巖層作為直接充水含水層并且富水性較強(qiáng),因此有必要對(duì)底板進(jìn)行改造,經(jīng)計(jì)算得出,運(yùn)用注漿技術(shù)把大理巖層改造為隔水層的注漿深度在56 m左右。

(3)第四系隔水層被破壞,湖水與地下含水層組直接溝通,上部隔水層隨充填物的喪失或可形成新的導(dǎo)水通道,在較大水頭差的情況下致使工作面突水危險(xiǎn)性增加。為此采用粘土隔水墻進(jìn)行隔水層再造,在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上可行,并且可有效避免地表水涌入地下礦坑。