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断层防水矿柱合理留设数值模拟分析与评价 ① 赵 恰， 王 军， 杨 柱 （长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 ４１００１２） 摘 要 根据某磁铁矿床Ⅰ＃矿体的水文地质特征和采矿方法，基于流⁃固耦合原理，利用 Ｐｈａｓｅ２ 软件建立了数值模型，分析研究了 防水矿柱厚度对局部地下水渗流场的影响以及断层、围岩变形和破坏特征，并结合经验公式法得出了Ⅰ＃矿体合理的断层防水矿柱 厚度。 结果表明，对于Ⅰ＃矿体数值模拟建议留设的防水矿柱厚度为 １５～２０ ｍ，经验公式计算的防水矿柱留设厚度为 １６．５９ ｍ，综合 考虑，Ⅰ＃矿体在目前地下水位条件下的断层防水矿柱厚度为 １７ ｍ。 关键词 断层防水矿柱； 流⁃固耦合； 数值模拟； 防水矿柱厚度； Ｐｈａｓｅ２ 中图分类号 ＴＤ８５３文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１７．０３．００８ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１７）０３－００３１－０３ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ Ｐｉｌｌａｒ Ｄｅｓｉｇｎ ＺＨＡＯ Ｑｉａ， ＷＡＮＧ Ｊｕｎ， ＹＡＮＧ Ｚｈｕ （Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ⅰ＃ｏｒｅｂｏｄｙ ａｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｉｔ， ａ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｐｈａｓｅ２ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｆｌｕｉｄ⁃ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｎ ｌｏｃａｌ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｓｅｅｐａｇｅ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｆａｕｌｔ， ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｆｏｒ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｗａｓ ｆｉｎａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｆｏｒ Ⅰ＃ｏｒｅｂｏｄｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ． Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｓｈａｌｌ ｂｅ ｗｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ １５ ～ ２０ ｍ ｆｏｒ Ⅰ＃ｏｒｅｂｏｄｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｅｍｐｉｒｉｃａｌ ｆｏｒｍｕｌａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｌｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｔ １６．５９ ｍ． Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ， ｔｈｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｆｏｒ Ⅰ＃ｏｒｅｂｏｄｙ ａｔ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ｗｉｔｈ ａ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ １７ ｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ； ｆｌｕｉｄ⁃ｓｏｌｉｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｐｉｌｌａｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ； Ｐｈａｓｅ２ 近年来我国大水金属矿山开发数量大幅增加，在 矿山开发过程中由于井巷工程沟通断层或断层活化导 致井下突水事故时有发生，如安徽马鞭山铁矿、黄屯硫 铁矿和白象山铁矿等矿山均发生过断层突水事故。 厚 大断层破碎带作为特殊的地质体，一般自身富水，当与 含水层接触时又具有良好的导水性，故断层突水时呈 现出涌水量大、涌水速度快和危害性大的特点。 为了 防止此类断层突水事故发生，留设断层防水矿柱往往 成为最经济、最安全的防治方法［１－３］。 断层防水矿柱的留设厚度主要是按照传统的经验 公式计算，近年来我国在理论分析研究的基础上，通过 数值模拟和相似材料模拟，开展了大量的防水矿柱合 理留设研究，取得了丰富的研究成果［４－６］。 在已有研 究基础上，本文利用经验公式和数值模拟相结合的方 法研究了矿山防水矿柱的留设厚度。 １ 工程概况 某矿山为接触交代矽卡岩型磁铁矿床，矿区地面 标高在 ６ ｍ 左右。 Ⅰ＃矿体位于矿区的西南部，其西侧 与主要断层 Ｆ２ 接触。 矿体赋存标高－３３０～ －６００ ｍ， 围岩为粉砂岩强含水层。 矿山采用竖井开拓运输系 统，采矿方法为上向分层进路充填式采矿法。 Ｆ２ 断层走向 ＮＮＷ，长度大于 ５ ０００ ｍ，倾向西， 倾角 ７０～８０，破碎带宽 ５～２０ ｍ，断距 ５０～１５０ ｍ，由 砂页岩角砾组成，被闪长岩、硅质、铁质所胶结，是张性 正断层，裂隙较发育，有效裂隙率 １．１３％，具有沟通上 下裂隙含水层的作用，并可接受第四系孔隙含水层的 补给，该断裂带富水性中等，单位涌水量为 ０．３１４ ～ ０．５３１ Ｌ／ （ｓｍ）。 目前Ⅰ＃矿体的开采标高为－４７０ ｍ，矿区地下水位 ①收稿日期 ２０１７－０１－１３ 作者简介 赵 恰（１９８４－），男，陕西渭南人，工程师，硕士，主要研究方向为金属非金属矿山防治水。 第 ３７ 卷第 ３ 期 ２０１７ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３７ №３ Ｊｕｎｅ ２０１７ ChaoXing 标高－１７０～ －３００ ｍ，中段开采的地下水头仍有 １３０ ～ ３００ ｍ，且矿体西侧为厚大的 Ｆ２ 导水含水断层，为防止 采矿过程中发生突水事故，必须留设防水矿柱。 ２ 防水矿柱厚度计算 断层防水矿（岩）柱是在厚大破碎富水导水断层 与采区之间的隔离矿（岩）柱，起到防止断层突水的作 用。 防水矿柱留设厚度不够时，采掘过程中易发生失 稳突水；留设厚度过大时造成资源浪费，经济性下降。 本文针对Ⅰ＃矿体采用经验公式和数值模拟相结合的方 法研究防水矿柱的厚度，其中数值模拟利用 Ｐｈａｓｅ２ 软 件，按照流⁃固耦合理论研究防水矿柱的厚度。 ２．１ 经验公式法 我国煤炭部门针对断层防水矿柱留设厚度进行了 大量的研究，积累了丰富的经验，总结形成了防水矿柱 留设厚度计算的经验公式。 金属矿山防水矿柱留设厚 度研究较少，所以防水矿柱厚度计算主要依据煤矿 防治水规定中的经验公式［７］。 Ｌ ＝ ０．５ＫＭ ３Ｐ Ｋｐ （１） 式中 Ｌ 为矿柱留设宽度，ｍ；Ｋ 为安全系数，一般取 ２～ ５；Ｍ 为分层采高，ｍ；Ｐ 为水头压力，ＭＰａ；Ｋｐ为矿体抗 拉强度，ＭＰａ。 目前，矿坑－４７０ ｍ 标高的水头压力为 ３ ＭＰａ，上 向进路分层采高为 ７ ｍ，矿体抗拉强度 ６．４１ ＭＰａ。 将 以上参数代入式（１），得到Ⅰ＃矿体的防水矿柱留设厚 度为 １６．５９ ｍ。 ２．２ 数值模拟法 依据流⁃固耦合原理，通过加拿大 Ｒｏｃｓｃｉｅｎｃｅ 公司 开发的 Ｐｈａｓｅ２ 软件，建立数值模型［８－１０］，研究Ⅰ＃矿体 在－４７０ ｍ 中段工作面推进时，防水矿柱受地下水流场 和应力场耦合作用下的变形破坏机理，获取防水矿柱 留设的合理厚度。 ２．２．１ 计算模型 根据Ⅰ＃矿体的赋存条件和采矿方法等因素选择 Ⅰ＃矿体的中间剖面作为计算剖面，计算模型的高度范 围为－３００～－６００ ｍ，长度为 ３１１ ｍ，采用三角形网格剖 分，共 １ ５００ 个网格单元，模型如图 １ 所示。 计算模型 范围涉及的岩体介质按照弹塑性材料处理，适用于莫 尔⁃库仑破坏准则。 ２．２．２ 岩石力学参数 根据矿山地质条件，参考矿山勘察资料和采矿设 计资料，将计算模型设置为 ５ 种力学介质，各介质物理 力学特征如表 １ 所示。 图 １ 数值计算模型 表 １ 岩石物理力学参数表 介质 容重 ／ （ｋｇｍ －３ ） 体积 模量 ／ ＭＰａ 切变 模量 ／ ＭＰａ 抗拉 强度 ／ ＭＰａ 内摩 擦角 ／ （） 泊 松 比 渗透 系数 ／ （ｍｓ －１ ） 砂岩２ ５４０８ ５４８１ ０７５５．８５４８．９０．２４７１０ －６ 磁铁矿３ ７７０１１ ６２４１０ ２２１６．４１５１．４０．１６３１０ －６ 闪长岩２ ７２０１７ １４７１２ ３２８４．６２５７．４０．２１６．２１０ －８ Ｆ２ 断层２ ０００２ ９９５２ ３４０１２４０．３５２１０ －５ 充填体２ １００９３７１５８０２００．４２２１０ －４ ２．２．３ 边界条件与初始条件 矿区地面标高 ６ ｍ，所以模型 ４ 个方向的位移约 束边界均取 Ｘ、Ｙ 方向的约束。 矿区没有地应力观测 数据，所以初始地应力场仅考虑岩体自重应力，水平应 力根据泊松效应计算。 Ⅰ＃矿体受到 Ｆ２ 断层和砂岩含 水层的侧向补给，根据矿区长期水文观测和井下测压 孔的资料分析，模型的西侧地下水位在－１７０ ｍ 标高， 东侧地下水位在－３００ ｍ 标高。 ２．２．４ 数值模拟与分析 模型主要模拟不同厚度防水矿柱在应力场和地下 水流场条件下的变形、位移等情况，将整个模型计算分 为 ４ 步进行，其中－４７０ ｍ 中段Ⅰ＃矿体的防水矿柱厚 度分别为 ２５，２０，１５ 和 １０ ｍ，每步施工时按照采矿要 求及时充填。 图 ２ 为防水矿柱厚度变化时局部地下水流场图， 图中箭头的方向和大小代表了地下水流向和流速，曲 线代表孔隙水压力等势线。 从图中可以看出防水矿柱 厚度大于 １５ ｍ 时，断层水主要通过顶底板进入采掘进 路，地下水的影响范围主要集中在矿体以内；当防水矿 柱厚度减小到 １０ ｍ 时，地下水的影响范围将大幅进入 Ｆ２ 断层以内，断层水将大幅涌水采掘进路。 裂隙带扩展云图见图 ３。 从图 ３ 可以看出，随防 水矿柱厚度减小，裂隙带逐步扩大。 在裂隙张开程度 分类中将大于 ５ ｍｍ 的裂隙划分为宽张裂隙，故将大 于 ５ ｍｍ 的裂隙带划分为主要导水裂隙带。当防水矿 ２３矿 冶 工 程第 ３７ 卷 ChaoXing 图 ２ 防水矿柱厚度对局部地下水流场的影响 （ａ） ２５ ｍ； （ｂ） ２０ ｍ； （ｃ） １５ ｍ； （ｄ） １０ ｍ 图 ３ 顶板位移及裂隙带扩展云图 （ａ） ２５ ｍ； （ｂ） ２０ ｍ； （ｃ） １５ ｍ； （ｄ） １０ ｍ 柱厚度从 ２０ ｍ 减小到 １５ ｍ 时，大于 ５ ｍｍ 的主要导 水裂隙带影响范围逐步扩展出矿体；当防水矿柱厚度 减小到 １０ ｍ 时，大于 ５ ｍｍ 的主要导水裂隙带影响范 围已经扩展到了 Ｆ２ 断层富水带，此时主要导水裂隙带 将成为 Ｆ２ 断层富水带的导水通道，在流固耦合作用下 巷道计算顶板最大位移接近 １２ ｍｍ，顶板很可能出现 大范围垮塌。 上述双重作用将引发 Ｆ２ 断层的突水事 故发生。 沿断层倾向，在断层底部设置位移监测面 Ａ⁃Ｂ，如 图 ４ 所示。 通过分步模拟计算，可以看出（见图 ５），当 防水矿柱厚度不小于 ２０ ｍ 时，断层面底部的位移为 ２～３ ｍｍ；当防水矿柱厚度不大于 １５ ｍ 时，在 Ａ 点以 上 １０～２０ ｍ 位移最大，达到 ４～５．５ ｍｍ，尤其是当防水 矿柱厚度减小到 １０ ｍ 时，断层面底部的大部分位移达 到 ４ ｍｍ 以上，此时将产生大量的导水通道，引起断层 水大量涌入采区而引发突水事故。 图 ４ 断层监测布置图 距离/m ■■■ ■■ ■■■ ■■■ ■ ■■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■■ ■ ■■■■ ■■■■ 0.006 0.004 0.002 00 20406080 总位移/m ▲ ▲▲ ▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲▲▲▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲▲ ◆◆ ◆◆◆ ◆◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆◆ ◆ ◆ ◆ ◆◆ ◆ ◆◆◆◆ ◆◆ ◆ 第1步 第2步 第3步 第4步 ▲ ◆ ■ 图 ５ Ａ⁃Ｂ 面位移曲线 ３ 结 论 基于流⁃固耦合理论，通过 Ｐｈａｓｅ２ 数值模拟软件分 析研究了不同厚度防水矿柱的变形和破坏，结合经验公 式分析Ⅰ＃矿体的断层防水矿柱厚度，得出以下结论 １） 随着工作面的推进，断层防水矿柱尺寸逐步减 小，分层进路疏水范围逐步增加，当防水矿柱厚度小于 １５ ｍ 时，分层进路疏水范围超出矿体；当防水矿柱厚度 达到 １０ ｍ 时，分层进路疏水范围将波及断层破碎带。 ２） 随着断层防水矿柱尺寸减小，导水裂隙带范围 逐步扩大，顶板位移和断层位移增加，当防水矿柱减小 到 １０ ｍ 时，宽大裂隙导水带的影响范围将波及到 Ｆ２ 断层富水带，此时宽大裂隙导水带将成为 Ｆ２ 断层富水 带的导水通道，在流固耦合作用下引发顶板大范围垮 落，导致 Ｆ２ 断层突水事故发生。 ３） 对于Ⅰ＃矿体数值模拟建议留设的防水矿柱厚 度为 １５～２０ ｍ，经验公式计算的防水矿柱留设厚度为 １６．５９ ｍ，综合考虑，Ⅰ＃矿体在目前地下水位条件下的 断层防水矿柱厚度为 １７ ｍ。 参考文献 ［１］ 刘 斌． 大倾角特厚煤层防水隔离煤柱留设探讨［Ｊ］． 煤炭工程 师， １９９８（５）３８－４０． （下转第 ３７ 页） ３３第 ３ 期赵 恰等 断层防水矿柱合理留设数值模拟分析与评价 ChaoXing ５） 提高测量技术，精确定位轮廓线和炮孔位置， 将误差控制在可接受范围，从而减少人为超挖。 ６） 加强监控量测，不间断地汇报拱顶沉降与周边 收敛情况，有效控制因沉降收敛引起的超欠挖量。 ４ 安全控制及爆破效果 ４．１ 爆破震动速度安全控制 岩溶隧道爆破施工过程中，为了既充分发挥爆破 技术的效果，又最大程度降低爆破震动对隧道和溶洞 结构带来的危害，必须重视爆破震动安全。 对于那丘隧道的爆破安全检算， 采用萨式公 式［７－１０］ Ｖ ＝ ｋ Ｑ １ ３ Ｒ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ａ （１） 式中 Ｖ 为质点峰值震动速度，ｃｍ／ ｓ；Ｑ 为最大分段装药 量，ｋｇ；Ｒ 为爆心距离，ｍ；ｋ 为场地系数；ａ 为衰减系数。 根据现场实际监测情况，取参数 ｋ＝ ３５．１，ａ＝ １．６， Ｑ＝１５．３ ｋｇ，单次爆破产生的地震波对周边溶洞引起 的最大震动速度值为 １１．４５ ｃｍ／ ｓ，符合爆破安全规 程（ＧＢ６７２２－２０１６） ［１１］中交通隧道质点震动速度 １０～ ２０ ｃｍ／ ｓ 的规定。 ４．２ 爆破实际效果分析 １） 炮眼附近无明显裂痕，炮孔轮廓清晰，隧道开 挖轮廓尺寸达标，满足超欠挖控制水平，降低了施工成 本和初支时间。 ２） 现场实际爆破后，循环进尺达到 ２．８５ ｍ，炮眼 利用率达到 ９５％，基本达到预期设计水平。 ５ 结 论 １） 针对那丘隧道廊道厅堂型特大溶洞断面特点， 建立了挂壁式、半围岩型、底部悬空型等 ３ 种不同断面 的爆破设计。 ２） 基于特大岩溶隧道工程特性，提出了控制超欠 挖、降低爆破地震效应的钻爆施工方法。 ３） 结合隧道现场施工，通过本文爆破设计与施工 方法，爆破施工达到预期效果，验证了本文所提出的设 计方案与施工方法的合理性与可行性，同时为今后同 类型特大岩溶隧道爆破施工提供了依据和指导。 参考文献 ［１］ 中国公路学报编辑部． 中国隧道工程学术研究综述２０１５［Ｊ］． 中国公路学报， ２０１５，２８（５）１－６５． ［２］ 洪开荣． 我国隧道及地下工程发展现状与展望［Ｊ］． 隧道建设， ２０１５（２）９５－１０７． ［３］ 鄢定媛，傅鹤林． 高速公路隧道廊道厅堂式溶洞处治技术研究 ［Ｊ］． 公路工程， ２０１５，４０（３）１８５－１９１． ［４］ 罗 琼． 岩溶隧道施工技术［Ｊ］． 隧道建设， ２００４，２４（５）５７－６０． ［５］ 陈先国，张雪金，康海波，等． 大断面岩溶隧道爆破设计与施工技 术［Ｊ］． 施工技术， ２０１４（ｓ２）１９２－１９６． ［６］ 迟明杰，赵成刚，杨小林，等． 岩溶区隧道爆破开挖地震危害控制 的研究［Ｊ］． 中国安全科学学报， ２００４，１４（９）６８－７１． ［７］ 张运良，曹 伟，王 剑，等． 水平层状岩体隧道超欠挖控制爆破 技术［Ｊ］． 铁道科学与工程学报， ２０１０，７（５）７０－７４． ［８］ 刘 辉，李 波，吴从师，等． 岩溶隧道掘进爆破震动效应分析 ［Ｊ］． 长安大学学报自然科学版， ２０１０（４）５６－５９． ［９］ 杨年华，张志毅． 隧道爆破振动控制技术研究［Ｊ］． 铁道工程学 报， ２０１０（１）８２－８６． ［１０］ 蔡 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