水厂铁矿水文地质环境及边坡渗流场模拟研究.pdf

第6 0 卷 第2 期 有 色 金属 矿山 部分 2 0 0 8 年3 月 水厂铁矿水文地质环境及边坡渗流场模拟研究 苗胜军 ， 李培 良 ， 任奋华 北京科技大学土木与环境S - 程学院， 北京1 0 0 0 8 3 ； 国家安全 生产监督管理 总局信息研究院， 北京 1 0 0 0 2 9 摘要 边坡地下水渗流场分析是边坡稳定性研究的基础， 本文以水厂铁矿高陡边坡为研究对象， 采用工程 勘查， 钻孔压水、 注水试验等对矿区水文地质环境进行了调研， 并采用有限单元法对 I 地质分 区边坡剖面进行 了 渗流场模拟研究， 预测了边坡开挖至最终境界时的水压分布状况， 为边坡稳定性研究提供 了可靠的渗透系数和 渗流场分布情况 。 关键词 边坡； 水文地质； 渗流； 有限单元法； 模拟 中图分类号 T D 8 2 4 ． 7 ， T V 1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 4 1 7 2 2 0 0 8 0 2 0 0 1 5 0 4 S t ud y o n Hy dr o - g e o l o g i c a l En v i r o n m e n t a n d S e e pa g e Fi e l d o f S l o pe i n S hu i c ha ng I r o n M i ne MI A O S h e n g j u n ， L I P e i l i a n g 2 ， R E N F e n h u a C i v i l and E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g S c h o o l ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； N a t i o n al I n s t i t u t e o f O c c u p a ti o n al S a f e t y ， B e ij i n g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a n al y s i s o f g r o u n d wa t e r s e e p a g e i s t h e b a s e o f c alc u l a t i n g an d s t u d y i n g the s l o p e s t a b i l i t y ． T a k e n a h i g h and s t e e p s l o p e o f S h u i c h ang i ron o p e n p i t a s a r e s e a r c h o b j e c t ， the h y d r o g e o l o g i c al e n v i ron m e n t i n m i n i n g ar e a i s i n v e s t i g a t e d b a s e d o n e n gi n e e r i n g m e a n s s u c h a s p r o s p e c t i n g ， f o r c e d w a t e r and b o r e h o l e w a t e r i n j e c t i o n t e s t s ． I n a d d i ti o n ， the fi n i t e e l e me n t me tho d i s u s e d t o s i mu l a t e s e e p a g e fi e l d o f a t y p i c al s l o p e p r o fi l e a n d the s e e p ag e d i s t r i b u t i o n o f t h e s l o p e a t fi n al l i mi t o f thi s o p e n p i t i s f o r e c a s t e d ． T h e s e p rov i d e r e l i a b l e a n d e s s e n t i al p a r a me t e rs f o r the o p t i mi z a t i o n o f s l o pe s t a bi l i t y． Ke y wo r d s s l o pe ； h y d ro g e o l o gy ； s e e p ag e； fi n i t e e l e me n t me t h o d； s i mula ti o n l 概 述 首钢矿业公 司水 厂铁矿位 于河 北省迁安 市境 内 ， 地理坐标 东经 1 1 8 。 3 2 ～1 1 8 。 3 6 ， 北纬 4 0 。 0 6 ～ 4 0 。 0 9 。矿区水文地质条件属 中等类型 ， 地下水 主要为基岩裂隙潜水。 随着矿床开采的进行 ， 矿区积累了丰富的地质、 采矿资料 ， 但水文地质资料缺乏。为此 ， 特开展野外 水文地质调查 ， 对矿区及其附近的出水点和边坡工 程勘察孔进行 了水文地质测量 ， 并在采场边坡打 了 3个钻孔 ， 如图 1所示 ， 进行 了 2 0段压水试验 ， 5次 注水试验， 获得了重要 的水文地质数据。在此基础 上， 运用有限单元法对边坡地下水渗流场进行 了模 拟研究 ， 预测了边坡地下水压力 的分布 J 。 基金项 目 国家 自然科学基金重大项 目 5 0 0 7 4 0 0 2 作者简介 苗胜军 1 9 7 9一 ， 男， 博士， 讲师 图 1 水厂铁矿 边坡 工程地质分区示意图 Fi g ． 1 En g i n e e r i n g g e o l o g i c a l d i s t ric t o f S h u i c h a n g i r o n mi n e 2 矿 区岩体 水文地质环境研 究 2 ． 1 矿 区地貌、 气象及水文条件 矿区位于燕 山支 脉南麓 ， 地势西 、 南高 ， 东 、 北 维普资讯 1 6 有 色 金属 矿山 部分 第6 o 卷 低。西部为将军墓岭， 标高 3 3 2 ． 9 m； 南部与东长峪 山岭毗邻， 标高为4 4 6 ． 3 m， 是本区最高的地表分水 岭； 矿区中部和东部为低山丘陵， 与滦河阶地相接； 矿床南端的尾砂河河谷与 旧水厂冲沟地势较低 ， 标 高约 1 0 0～1 2 0 m， 在矿床周围汇水 面积约 1 0 k m 。 矿区从地貌景观水系分布构成了一个半封闭式水文 地质单元。 滦河从矿区北、 东部经过， 为矿区最大地表水 系。矿床处于滦河中游， 水位标高一般在 6 7 m左 右 ， 最高洪水位达 9 4 m， 每年 1 2～ 2月间为枯水季 节， 7 9月为洪水季节 。 矿区属温带大陆性气候， 年平均降水量 6 0 5 ． 5 m i ll ， 最大年降水量 1 1 5 2 ln m， 最大 日降水量 3 4 4 ． 8 m m， 最大时降水量 1 7 2 m m， 多集中在 7～ 9月， 约占 年降雨量 8 0 ％。本区常年干旱， 平均年相对湿度 6 1 ． 5 ％， 平均年蒸发量 1 8 8 2 ． 5 m m， 蒸发量大于降 雨量 。 2 ． 2 矿区岩层的含水性 矿区处于燕山沉降带 中， 山海关 台凸与蓟县凹 陷的过渡地带。矿区各类岩性的富水性多属 中 一 微 弱型 ， 因而矿床地下水天然储量不大 J 。 2 ． 3 矿区裂隙水类型及其特点 本区裂隙水根据埋藏条件 ， 可分为风化裂隙水、 构造裂隙水和层间裂隙水 。其 中风化裂隙水和层间 裂隙水水量不大， 在矿床充水方面不起主要作用 ， 而 构造裂隙水则是矿坑充水 的主要来源之一 ， 在采矿 生产 中要予以注意。 2 ． 4 断裂带充水性 矿区构造断裂发育， 大小断层4 O 余条。其中对 采坑充水和边坡稳定性有影响的主要有穿过北山矿 体的F 、 F F 5 及矿床南部的刘官营断裂组 』 。 1 F 、 F 1 和 F 5 断层 F 断层为正断层 ， 长约 2 6 0 0 i n ， 断层面直立 ， 断层带宽约 8 i n ， 富水性微弱 ； F 断层位于北山向斜 南东翼 ， 长 2 6 0 0 i n ， 富水性微弱 一弱； F 5断层位 于 北山向斜北西翼， 断层富水性弱 一中等， 北弱南强。 F 、 F ， 对矿坑充水影 响不大。但 由于 F 、 F 3 均延伸 到滦河河床之下， 在开采境界处相距只有 3 0 in左 右， 随着采矿生产进行， 爆破可能造成裂隙扩展和发 育， 尤其是当矿坑低于滦河水位时能否发生反向补 给尚不能完全保证， 故生产中尤其要引起注意。 2 刘官营断裂带 该断裂带断层长度大于 3 0 0 0 i n ， 垂直断距大于 5 0 i n ， 为逆断层。整个断裂带富水性中等， 断层和断 裂带富水性不均 ， 其中东西向刘官营断裂带和 N E 2 0 ～ 3 O 。 断层组富水性和透水性较好 。 2 ． 5 矿区地下水补、 径、 排条件 矿区地下水来源是大气降水补给， 其特点是就 地补给 ， 就地排泄 。地下水主要流向为 由北西向南 东运动 ， 沿沟谷低洼处排泄 。由于地形有利于地表 排水 ， 地下径流微弱。 3 边坡岩体地下水渗流场模拟研究 3 ． 1 渗流数学模型 将岩体视为多孔连续介质 ， 数学模型为 击 ] aha 1 式 中 ．s 为岩体 的单位储存量 ， m 。 上式加上相应的边界和初始条件 ， 就构成 了对 于一个实际问题地下水流动的定解问题。 3 ． 2 岩体渗透系数的确定 此次在采场边坡打 了三个钻孔 ， 进行了水文地 质试验 ， 获得 了矿区总体水文地质分布特征 。 1 通过单孔压水试验确定渗透系数 压水试验 以单位吸水量 ∞来表示 ， 试验规程 中 等效渗透系数 K 的计算公式为 ， l n 2 式中 Z ～压水试验段 长， 一般为 5 m； 一 压水钻 孔半径 ， m； 一单位吸水量 ， L ／ m i n m 。 2 通过注水试验确定渗透系数 当钻孔 中地下水埋藏很深或者试验层为透水不 含水时 ， 可 以用注水试验 代替抽水试验 _ 4 ] ， 近似地 测定岩层得渗透系数 K 0 ． 3 66 xQ l g 2 一l ／ r 3 Z 式中 Z 一试验 段 长， i n ； r 一注 水钻 孔 半径 ， i n ； Q ～注水量 ， i n ； ．s 一水位变化 ， i n 。 现场压水试验成果表及注水试验成果 曲线分别 如表 1和图 2所示。 3 ． 3 岩体地下水渗流场模拟方法 目前 ， 求解岩体地下水运动主要采用数值模拟， 常用 的数值模拟方法主要有 有限差分法、 有限单元 法、 边界单元法等。本文采用有限单元法对边坡渗 流场进行模拟分析 。 有限单元法是按照变分原理求泛函积分找其 函 数值， 把微分方程及其边界条件转变为一个泛函求 极值问题[ 6 。 ] 。它首先把连续体或研究区域离散划 维普资讯 维普资讯 1 8 有 色 金 属 矿 山 部 分 第6 0 卷 化处理， 然后可以进行对岩体边坡的渗流场分析。 可以得到流速图、 等直线图、 色谱图等渗流场分布图 图 5 、 6 、 7 。通过渗流场分布图 ， 可以获知地下水 在岩体中的渗流运动状态， 并得到边坡最终境界位 置时水压分布情况， 为后续的边坡稳定性的优化和 计算提供必要的水压参数。 图 5 I一 2剖 面 4 5～ 4 3 。 渗流场分布图 F i g ． 5 S e e p a g e ma p o f s e c t i o n I-2 a t 4 54 3。 图 6 I一 2剖面渗流场流速 图 F i g ． 6 S e e pa g e v e l o c i t y o f s e c t i o nI-2 图7 I一 2剖面渗流场色谱图 Fi g ． 7 S e e p a g e c h r o n mt o g r a m ma p o f s e c t i o n I-2 刁 o I区另外两个剖面渗流场模拟结果如图 8 、 9所 图 8 I一1 剖面 5 0 4 5 。 渗流场分布 图 n g ． 8 S e e p a g e ma p o f s e c t i o n I一1 a t 5 04 5 。 图 9 I一 3剖面 4 9 4 3 。 渗流场分布图 F i g ． 9 S e e p a g e ma p o f s e c t i o n I-3 a t 4 94 3 。 3 ． 6 渗流场数值模拟结果分析 水厂铁矿 I 区边坡渗流场模拟结果表明 1 矿山开采的深度越大、 边坡越高， 地下水在 边坡的溢出高度也越高； 2 随着开挖的进行以及边坡角的减小 ， 边坡岩 体内地下水位有逐渐下降的趋势； 3 边坡开挖对边坡附近的渗流影响 比较大 ， 边 坡附近渗流等势线发生较大的变化， 而边坡内部的 渗流等势线变化不大， 说明边坡开挖对边坡内部渗 流影响不大 ； 下转第 3 0页 维普资讯 有 色 金属 矿山 部分 第6 O 卷 南河沟矿区的 3号 、 5号矿体同层 ， 位于南河沟同斜 向斜倒转翼， 赋矿地层为篦子沟组片岩与余家山组 大理岩的接触部位 。Ⅱ号矿带与胡家峪桐木沟矿区 3号矿体同层 ， 位 于胡家峪一上玉坡背斜东南翼 的 复式背斜倒转翼 ， 赋矿地层 为篦 子沟组 片岩层。1 号矿体位于 I号矿带中， 2号、 3号矿体位 于 Ⅱ号矿 带 中。 1号矿体分布于 8 1 6勘探线之间 ， 全长为 9 0 0 m， 地表有矿体露头出露， 矿体走 向 4 0 。 ， 倾 向南 东， 倾角 5 2 。 ， 矿体延深 7 0 0 m， 平均厚度 1 4 m。矿体位 于篦子沟组片岩与余家山组大理岩的接触部位的矽 化大理岩中。含矿岩石主要为矽化大理岩、 钠长浅 粒岩。 2号矿体分布于 3 1 0勘探线之间， 全长为 8 0 0 m， 矿体走向 4 0 。 ， 倾向南东 ， 倾角 5 0 。 ， 矿体延深 6 0 0 余 m， 平均厚度 1 6 m， 其中 1 0线上的 1 0 0 8孔见矿厚 度 8 m， 最高品位 4 ． 6 9 ％ ， 平均品位 1 ． 8 2 ％ 。矿体 位于篦子沟组片岩层。含矿 岩石 主要为矽化大理 岩、 黑云石英 白云石大理岩。 3号矿体分布于 4 1 0勘探线之间 ， 全长为 7 0 0 m， 矿体走 向4 0 。 ， 倾 向南东 ， 倾角 5 0 。 ， 矿体延深 6 0 0 余 m， 平 均厚度 1 6 m， 矿体 位于篦子沟组 片岩层。 上接第 1 8页 4 通过边坡最终境界水头分布图可知 ， I一2 剖面等势线偏向露天采坑内部； 从渗流场分布来看， 等水头线疏密不均 ， 浸润线坡降变化较大 ， 水头变化 较大的部位均发生于渗透性差别较大且渗透性相对 较小的岩体中， 造成了渗透性较弱的岩体中等水头 线相对密集 、 水力梯度加大， 这也恰好反映了边坡岩 体介质的非均匀性 ； 5 由于边坡地质构造的复杂性 ， 在边坡局部可 能形成具有承压性 的封闭的潜水构造 ， 在矿 山生产 工程中要予以注意。由于 F 1和 F 3均延伸 到滦 河 河床之下 ， 且 F 1和 F 3在开采境界处相距较近 ， 故 在生产 中要密切注意滦河与矿坑之间的水力联 系， 必要时采取相应的阻水措施。 4 结论 本文通过对边坡地下水渗流模型的建立 ， 以钻 孔实测水位资料和滦河水位为依据， 应用有限单元 法对水厂铁矿矿山边坡预测了最终境界位置时边坡 含矿岩石主要为矽化大理岩、 黑云石英 白云石大理 岩。 预测 3 3 23 3 3级铜资源量 矿石量 5 3 4 3 ． 7 4 万 t ， 品位 1 ． 3 0 ％ ， 金属量 6 9 4 6 8 7 t 。其 中 3 3 2级矿 石量 2 4 9 7 ． 5 3万 t ， 品位 1 ． 3 0 ％ ， 金属量 3 2 4 6 7 9 t ； 3 3 3级矿 石量 2 8 4 6 ． 2 1万 t ， 品位 1 ． 3 0 ％ ， 金属量 3 7 0 0 0 8 t 。 5 结 语 通过对南河沟铜矿床 的地质资料综合研究 ， 对 成矿理论进行再认识 ， 通过有效的探矿手段证实， 有 望在毕家沟靶 区篦子沟组与余家山组的接触部位寻 找到构造控制的工业矿体。对南河沟寻找矿有着非 常重要的意义。 参 考 文 献 [ 1 ] 郭纯毓． 胡家峪矿南河 沟矿区地质 勘探程度 分析 [ J ] ． 世界采 矿快报 ， 1 9 9 6 6 0 1 5 ． [ 2 ] 黄富荣． 南河沟铜矿床主矿体的地质特征及其深部探矿[ J ] ． 世界采矿快报 ， 1 9 9 6 6 0 3 23 6 ． [ 3 ] 岑博雄等． 山西中条山胡蓖型铜矿床时间结构分析及成矿规 律[ J ] ． 世界采矿快报， 1 9 9 6 6 0 6 5 7 1 ． 口 水压分布情况 ， 为后续边坡稳定性 的优化和计算提 供了必要的水压参数 。另外 ， 研究结果显示使用连 续介质模型对露天矿高 陡边坡进 行宏观渗流场分 析 ， 在计算精度上能够满足工程岩体渗流分析要求 。 参 考 文 献 [ 1 ] 北京科 技大学 ， 首 钢矿业公司． 露天矿深 部安全强化 开采综 合 技术研 究专题研究报告 [ R] ． 2 0 0 4 ． [ 2 ] 苗胜军． 复杂岩体边坡变形与失稳预测研究[ D ] ． 北京 北京 科技 大学， 2 0 0 6 ． [ 3] 中华人 民共 和国水利部 ， 能源部． 水利水 电工程钻孑 L 压水试 验 规程 S L 2 59 2 [ S ]， 1 9 9 2 ． [ 4 ] 蔡美峰， 何满潮， 刘东燕． 岩石力学与工程 [ M] ． 北京 科学出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] Hu y a k o m P S ， L e s t e r B H， F a u s t C R． F i n i t e e l e m e n t t e c h n i q u e s f o r mo d e l in g g r o u n d w a t e r fl o w i n f r a c t u r e d a quif e r s [ J ] ． Wa t e r R e s o u r c e s R e s e a r c h ． 1 9 8 3 ， 1 9 4 1 0 1 91 0 3 5 ． [ 6 ] 大西裕 ， 西垣诚 ． 2 DF l o w浸透流 解析 灭 于厶 [ M] ．日本 地层科学研究院 ， 1 9 9 9 ． [ 7 ] 毛昶熙， 段祥宝． 渗流数值与程序计算[ M] ． 南京 河海大学出 版社， 1 9 9 9 口 维普资讯