水化学损伤作用下三山岛金矿渗流场特征分析.pdf

S e r i e s No ． 48 0 J u n e 2 01 6 金 属 矗 广 山 METAL MI NE 总 第 4 8 0 期 2 0 1 6年第 6期 水化学损伤作 用下三 山岛金矿 渗流场特征 分析 何顺斌 王宏伟 郭 遥 李 威 1 ．山东黄金矿业 莱州 有限公司三山岛金矿， 山东 莱州 2 6 1 4 4 2 ； 2 ．北京科技大学土木与环境工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 ．山东黄金集团有限公司， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 摘要三山岛金矿在深部开采过程中面临大范围的围岩渗水和涌水问题 ， 作为海底开采矿山， 研究渗水规律 和涌水特征对于保证开采安全极为重要。通过矿区多区域多中段的涌水量监测分析， 揭示出矿坑涌水量的动态规 律 ， 并对矿区一 5 1 0 m至一 7 2 5 m水平 l 5 个代表性水样采集点的地下水化学成分进行分析。结果表明该矿区地下水主 要为 C l N a 型水， 矿化度化验呈现高矿化咸水特征， 地下水对岩体的化学损伤会影响到深部开采的安全。进一步采 用 F L A C 。 对三山岛采区进行模拟开采 ， 分析开采过程 中渗流场的分布特征。结果显示矿区孔隙水压力变化范围主 要集中在矿体开挖区域， 渗流场的变化范围已经扩展到 断层 ， 断层周围孔隙水压力、 渗透压力变化梯度较大， 形成 高渗透压力， 在开采过程中需要进行堵水和重点防护。 关键词 深部开采巷道涌水化学损伤 F L A C 中图分类号T D 8 5 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 1 2 5 0 2 0 1 6 ． 0 6 1 6 7 ． 0 6 Ana l y s i s o f Cha r a c t e r i s t i c s o f Se e p ag e Fi e l d i n Sa n s ha nd a o I s l a n d Go l d M i ne un de r t he Ac t i o n o f W a t e r Che m i c a l Dama g e He S h u nb i n W a n g Ho ng we i Gu o Ya o Li W e i 1 ． S a n s h a n d a o G o l d Mi n e ， S h a n d o n g Gol d Mi n i n g L a iz h o u C o ， L t d ， L a iz h o u 2 6 1 4 4 2 ， S h a n d o n g， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C iv i l a n d E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y of 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， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 ． S h a n d o n g Gol d G r o u p C o ， L t d ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e a r e l a r g e r a n g e o f wa t e r s e e p a g e a n d i n flo w i n s u r r o u n d i n g r o c k ma s s o f t u n n e l s d u ri n g d e e p mi n i n g o f S a n s h a n d a o g o l d mi n e ， As t h e u n d e r s e a mi n i n g， i t i s n e c e s s a r y t o f i n d t h e r u l e a n d f e a t u r e o f w a t e r s e e p a g e a n d i n fl o w f o r e n s u rin g t h e s a f e mi n i n g ． Th r o ug h a n a l y z i n g mo n i t o r i n g r e s ul t s o f wa t e r i n flo w i n mul t i l e v e l a r e a s， t he d y n a mi c l a w o f wa t e r i n fl o w i n t h e mi n e i s r e v e a l e d ． Me a n wh i l e ， t h e c h e mi c a l c o mp o n e n t o f mi n e w a t e r f r o m 1 5 r e p r e s e n t a t i v e w a t e r s a mp l e s i n t h e r a n g e o f 一 5 1 0 i n t o一 7 2 5 m i s a n a l y z e d ． I t i s f l0 u n d o u t t h a t t h e u n d e r g r o u n d w a t e r i s ma i n l y C 1 一 N a wa t e r ． I n mi n e r a l i z a t i o n p r o p e y ． i t b e l o n g s t o h i g h - s a l i n i t y s a l i n e w a t e r ． An d t h e c h e mi c a l d a ma g e o f r o c k ma s s l e a d b y h i g h - -s a l i n i t y wa t e r w i l l aff e c t t h e s t a b i l i t y o f de e p s t o p i n g ． Nume ric a l s i mul a t i o n b y t h e s o f t wa r e FL AC i s c o n du c t e d o n de e p mi ni n g o f Sa ns h a nd a o g o l d mi ne t o a na l y z e t h e d i s t rib u t i o n c h a r a c t e ris t i c s o f wa t e r s e e p a g e fie l d ．Th e r e s u h s ho ws t h a t t h e v a r i a t i o n o f p o r e wa t e r p r e s s u r e ma i n l y o c c u r i n e x c a v a t i o n a r e a s ． I n a d d i t i o n， t h e v a ri a t i o n s o f w a t e r s e e p a g e f i e l d h a v e alr e a d y e x p a n d e d i n t o F 3 f a u l t a r e a i n w h i c h t h e v a r i a t i o n g r a d i e n t o f p o r e wa t e r p r e s s u r e a n d s e e p a g e p r e s s u r e a r e g r e a t ， wh i c h f o r ms h i g h s e e p a g e p r e s s u r e ． T h e r e f o r e ， w a t e r p l u g g i n g a n d i n t e n s i v e r e i n f o r c e me n t a r e n e e d e d i n t h e mi n i n g p r o c e s s ． Ke y wo r d s De e p mi n i n g ， W a t e r s e e p a g e ， Ch e mi c al d a ma g e， F L AC 矿井涌水 、 突水 是世界矿业领域 的重要 研究 内 容， 它给矿山带来的经济损失和人身伤亡极为惨重， 因此对含水丰富的地下矿山， 准确掌握矿床岩体的渗 透性 ， 了解矿区水文地质条件 ， 是矿山安全生产所需 解决的重要难题 。近年来 ， 国内外相关学者针对 收稿 日期2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 7 基金项 目 “ 十二 五” 国家科技支撑 计划项 目 编号 2 0 1 2 B A B O 8 B O 1 。 作者简介何顺斌 1 9 7 3 一 男 ， 高级工程师 。 深井开采涌水的机理。 采用理论分析、 数值模拟等不 同方法进行 了深入研究 J 。其 中， 张玉福_ 6 利用三 维离散元法实现了巷道涌水量预测 ； 李利平等[ 7 ] 采 用综合赋权法 ， 建立突涌水风险模 糊层次评价模型 ． 实现了施工期突涌水风险的实时、 准确 、 有效的风险 管理 ； 丁焕德等_ 9 ] 对 富水煤层高强度开采下地层变 1 6 7 何顺斌等 水化学损伤作用下三山岛金矿渗流场特征分析 2 0 1 6年第6期 依据[ ] 。 对 于三山岛金矿直属矿区而言 。 补给矿坑的地下 水可能来 自分处在不同化学环境中的海水、 第 四系孔 隙水以及基岩卤水， 水体中的离子在不同物理化学环 境下产生变迁 、 交换 ， 呈现 出各 自不 同的水化学特征。 矿区主要赋存的花岗岩受不同水化学环境的影响， 其 物理力学性能指标、 变形特征等发生不同程度的改 标 ， 借助环境同位素与水化学综合分析方法[ 1 ， 还可 以判断某一涌水 点的补给来 源并预测其演化方 向。 因此 。 对矿区地下水进行水化学成分分析具有重要的 研究意义。 为了研究矿区地下水化学成分的组分及含量 ． 在 矿区深部的一 5 1 0 m至一 7 2 5 m水平选择了1 5 个有代 表性的水点采集水样， 并进行了水化学成分分析与测 变。此外 ， 选取能够反 映地 下水 环境状态 的某 种指 试 ， 各水样的水化学分析结果列于表 1中。 表 1 三山岛金矿直属矿区地下水水化学成分分析取样统计 Ta b l e 1 S t a t i s t i c s o f g r o u n d wa t e r c h e mi c a l c o mp o s i t i o n a n a l y s i s i n S a n s h a n d a o g o l d mi n e 分析表 1中的数据可以发现 矿区深部地下水 的 主要 阴离子成分 为 C 1 一 、 s O 一 、 H C O ； ， 主要 阳离子为 Na 、ca 2 、 Mg 2 。其 中 c l 一 浓度 为 1 1 7 2 8 ． 5 02 5 3 8 2 ． 6 5 m g ／ L， 平均浓度 1 8 7 3 7 ． 9 0 m g ／ L ； s o 4 一 浓度为 1 3 2 5 ． 3 73 0 8 9 ． 8 5 m L ， 平均浓度 2 2 0 6 ． O 1 m g ／ L ； H C 0 3 浓度为 3 0 ． 8 03 8 9 ． 5 4 m g ／ L． 平均浓度 1 7 9 ． 5 6 m g ／ L N a 浓度为 6 4 5 0 ． 3 71 2 3 2 9 ． 6 5 mg ／ L ， 平均浓 度 9 0 6 7 ． 4 4 ms ／ L ； Mg 浓 度 为 4 7 5 ． 5 11 8 9 8 ． 2 1 m g ／ L， 平均浓度 9 6 2 ． 0 8 mg ／ L ； C a 浓度为 5 8 1 ． 4 41 8 4 1 ． 0 9 m L ， 平 均浓 度 1 0 8 9 ． 3 1 m g ／ L ； 总矿 化 度 2 1 2 5 5 ． 4 5～ 4 4 0 1 5 ． 6 4 m g ／ L ， 平均值为 3 2 3 2 0 ． 7 0 m g ／ L ； p H值 4 ． 6 8 7 ． 1 4 ， 平均 p H值为6 ． 1 8 。 统计显示 ， 矿区深部 地下水主要 为 c l N a型水 ， 矿化度化验结果为高矿化咸水。考虑到矿区生产作 业充填水稀释的影响 ． 采样涌水点的补给水源中应 当 存在高矿化基岩卤水。随着取样深度的增加， 水样的 矿化度呈增大趋势。取 自一 6 4 5 113 ． 水平钻孑 L 涌水点 的 水样 p H值最低， 为 4 ． 6 8 ； 取 自一 5 5 5 m水平 1 2 1 8 6 采场 1 0 采联的水样 p H值最高， 为 7 ． 1 4 ， 其余水样多 显现为弱酸性。 通过不同水化学环境下花岗岩三轴压缩试验， 发 现呈现酸性的 N a C 1 溶液对花岗岩有一定的化学腐蚀 作用 ， 自然干燥及不同化学溶液作用后花岗岩试件的 三轴压缩峰值强度见表 2 。 表 2 花岗岩试件三轴压缩试验峰值强度 T a b l e 2 Pe a k s t r e n g t h r e s u l t s o f g r a n i t e b y t r i a x i a l c o mp r e s s i o n tes t 矿区深部采集 的地下水水样的主要离子成分 中 亦有 c l 一 和 N a ， 且水样多呈现弱酸性。因此， 在该水 化学环境条件下， 三山岛直属矿区的地下水会对深部 赋存的花岗岩造成一定的化学损伤． 并对其物理力学 特性指标产生一定的影响。 一 ． 1 6 9 总第4 8 0期 金 鬣 茸 2 0 1 6年第 6期 3 2 3 6 [ 6 ] 张玉福． 三维离散元法在巷道涌水量预测中的应用[ J ] ． 金属矿 山， 2 0 1 3 1 2 1 2 3 - 1 2 6 ． Zh a n g Yu f u ． Ap p l i c a t i o n o f t h r e e - d i me n s i o n a l d i s c r e t e e l e me n t me t h o d i n p r e d i c t i o n o f t u n n e l w a t e r i n fl o w [ J ] ． M e t al M i n e ， 2 0 1 3 1 2 3 2． 3 6 ． [ 7 ] 李利平， 李术才， 陈军， 等． 基于岩溶突涌水风险评价的隧道 施工许可机制及其应用研究[ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 1 1 7 1 3 4 5 - 1 3 5 5 ． L i L i p i n g ， L i S h u c a i ， C h e n J u n ， e t a1． C o n s t r u c t i o n l i c e n s e m e c h a - n i s m a n d i t s a p p l i c a t i o n b a s e d o n k a r e t wa t e r i n r u s h ri s k e v a l ua t i o n [ J ] ． C h i n e s e J o u rn al o f R o c k M e c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 1 7 1 3 4 5 - 1 3 5 5 ． [ 8 ] 李利平， 李术才， 石少帅， 等． 基于应力一 渗流一 损伤耦合效应的 断层活化突水机制研究 [ J ] ． 岩石力学与工程报， 2 0 1 1 s 1 3 2 9 5- 3 3 0 4． L i Li p i n g ， Li S h u c a i ， S h i S h a o s h u a i ， e t a 1 ． Wa t e r i n rus h me c h a n i s m s t u d y o f f a u l t a c t i v a t i o n i n d u c e d b y c o u pl i n g e f f e c t o f s t r e s s s e e p a g e - d a m age [ J ] ． C h i n e s e J o u r n al o f R o c k M e c h ani c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 S 1 3 2 9 5 3 3 0 4 ． [ 9 ] D i n g H u a n d e ， M i a o X i e x i n g ， J u F e n g ， e t a1 ． S t r a t a b e h a v i o r i n v e s t i g a ． t i o n f o r h i g h i n t e n s i t y m i n i n g i n t h e w a t e r ri c h c o al s e a n l [ J ] ． I n t e r - n a t i o n al J o u rnal o f Mi n i n g S c i e n c e and T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4 3 2 9 9 3 o 4． [ 1 O ] 付英浩， 江海， 惠冰， 等． 深井巷道涌水渗流场一 应力场演 化与注浆封堵【 J ] ． 工程勘察， 2 0 1 5 4 3 8 - 4 3 ． F u Y i n g h a o ， J i a n g H a i ， H u i B i n g ， e t a1． Wa t e r s e e p age f i e l d a n d s tr e s s fi e l d e v o l u t i o n a n d g r o u t i n g s e al i n d e e p t u n n e l [ J ] ． G e o t e c h - 1 7 2 [ 1 1 ] [ 1 2 3 [ 1 3 ] [ 1 4 ] n i e al I n v e s t i g a t i o n＆ S u r v e y i n g ， 2 0 1 5 4 3 8 4 3 ． Mo u s a Gh a e my， S a h a r S h a b z e n d e d a r ， Me h d i Ta g h a v i ． S y n t h e s i s and c h a r a c t e r i z a t i o n o f h e t e r o c y c l i c f u n c t i o n ali z e d p o l y me r s b y c l i c k r e - a c t i o n p r e p ara t i o n o f ma g ne t i c n ano e o mp o s i t e s a n d s t u d i e s o n t h e i r t he r mal， me c h a n i c al， p h o t o p h y s i e a l a n d me t al i o n s r e mo v a l p r o p e r - t i e s [ J ] ． C h in e s e J o u r n a l o f P o l y m e r S c i e n c e ， 2 0 1 5 2 3 0 l 一 3 1 7 ． 刘东亮 ， 邓建 国， 彭光照 ， 等． 利用 X RD、 X R F 、 F r I R和 R s 分 析 浙江缙云恐龙化石及围岩[ J ] ． 信阳师范学院学报 自然科学 版 ， 2 0 1 4 3 3 3 2 ． 3 3 6 ． L i u D o n g l i ang ， D e n g J i a n g u o ， P e n g G u a n g z h a o ， e t a 1 ． A n a l y s i s o f d i n o s a u r f o s s i l s and s u r r o u n d i n g r o c k s f r o m J i n y u n R e g i o n b y X R D， X RF ， f v r I R and R s [ J ] _ J o u r n al o f Xi n y angN o m al U n i v e r s i t y N a t u r al S c i e n c e E d i t i o n， 2 0 1 4 3 3 3 2 3 3 6 ． 向绍棚， 金晓文， 史婷婷， 等． 岩盐矿区水溶开采涌突水成因分 析体系初探 以南方某矿区为例[ J ] ． 中国矿业， 2 0 1 4 1 2 8 7 ． 9 4 ． X i a n g S h a o p e n g ， J i n X i a o w e n ， S h i T i n g t i n g ， e t a 1 ． G e n e t i c anal y s i s s y s t e m o f wa t e r i n r u s h i n t h e r o c k s alt mi n i n g a r e a a c a s e s t u d y o f a m i n i n g ar e a i n t h e s o u t h e r n C h i n a [ J ] ． C h i n a M i n i n g M a g a z i n e ， 2 0 1 4 1 2 8 7 - 9 4 ． 汪敬忠， 吴敬禄， 曾海鳌， 等． 内蒙古河套平原水体同位素及水 化学特征[ J ] ． 地球科学与环境学报， 2 0 1 3 4 1 0 4 ． 1 1 2 ． Wa n g J i n g z h o n g ， Wu J i n g h ， Z e n g Ha i a o， e t a 1 ． C h a r a c t e r i s t i c s o f wa t e r i s o t o p e a n d h y d r o c h e mi s t r y i n He t a o P l a i n o f I n n e r Mo n g o l i a [ J ] ． J o u r n al o f E a r t h S c i e n c e and E n v i r o n m e n t ， 2 0 1 3 4 1 0 4 1 1 2 ． 责任编辑石海林