崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究-矿业114网 
首页 >> 文献频道 >> 矿业论文 >> 正文
崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究
2018-08-15
崩落法开采形成的上覆崩落体具有较强透水性,它为地表雨水进入井下采场提供了良好的通道,在强降雨期间地表塌陷坑汇水会严重威胁采场巷道、采矿设备及人员的安全。因此,研究上覆崩落体内渗流及突水的发展过程对保证矿山安全生产意义重大。以程潮铁矿井下采场突水灾害为工程背景,结合突水发生机理,采用Brinkman方程来表征流体在上覆崩落体内的渗流,建立相应的计算模型;运用COMSOL 数值模拟软件模拟塌陷坑内积水通过上覆崩落体向井下采场的稳态渗流和突水过程,研究入渗和突水发展过程中的规律。研究结果揭示了水在上覆崩落体中有关渗流速度和压力的规律以及采场突水灾害的主要致灾因素,为矿山安全生产提供指导。
Series No. 505 July 2018 金 属 METAL MINE 矿 山 总第 505 期 2018 年第 7 期 崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究 1 ,2 1,2 1,2 1,2 1,2 张玉山 王 平 曾文旭 程爱平 许梦国 (1. 武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081; 2 . 冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081) 摘 要 崩落法开采形成的上覆崩落体具有较强透水性,它为地表雨水进入井下采场提供了良好的通道,在强 降雨期间地表塌陷坑汇水会严重威胁采场巷道、采矿设备及人员的安全。因此,研究上覆崩落体内渗流及突水的发 展过程对保证矿山安全生产意义重大。以程潮铁矿井下采场突水灾害为工程背景,结合突水发生机理,采用 Brink- man 方程来表征流体在上覆崩落体内的渗流,建立相应的计算模型;运用 COMSOL 数值模拟软件模拟塌陷坑内积水 通过上覆崩落体向井下采场的稳态渗流和突水过程,研究入渗和突水发展过程中的规律。研究结果揭示了水在上覆 崩落体中有关渗流速度和压力的规律以及采场突水灾害的主要致灾因素,为矿山安全生产提供指导。 关键词 上覆崩落体 Brinkman方程 破碎岩体 渗流及突水 中图分类号 TD745 文献标志码 A 文章编号 1001-1250(2018)-07-060-05 DOI 10.19614/j.cnki.jsks.201807011 Simulation Study on Rainfall Infiltration and Water Inrush in Overlying Collapse in Caving Mining 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 Zhang Yushan Wang Ping Zeng Wenxu Cheng Aiping Xu Mengguo (1. School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China;2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgic Mineral Resources, Wuhan 430081,China) Abstract The overlying collapse formed by caving method has strong permeability,it provides a good channel for sur⁃ face rain into the downhole stope and it will seriously threaten the safety of the mining laneway,mining equipment and person⁃ nel during the heavy rainfall. Therefore,the study on the evolution of the seepage and water inrush in the overlying collapse body is of great significance to the safe production of the mine. With the underground water inrush hazard in Chengchao Iron Mine as the background and combined with the mechanism of water inrush,Brinkman equation is adopted to characterize the seepage of fluid within the overlying collapse,and the corresponding calculation model is established;The process of steady seepage and water inrush from the overburden to the underground stope is simulated in the COMSOL software to study the reg⁃ ularity of infiltration and water inrush development. The results reveal the laws of seepage velocity and pressure in the overbur⁃ den and the main factors causing the water inrush disaster,and provide guidance for mine safety generation. Keywords Overlying collapse,Brinkman equation,Broken rock mass,Seepage and water inrush 强降雨期间塌陷坑内汇集的雨水通过上覆崩落 体和围岩裂隙通道向采场入渗,渗流水导致碎石间 的摩擦系数下降从而使其接触力降低,增加了突水 通道形成的可能性;雨水或碎屑物质还可能在采场 上方的较大缝隙或空区内滞留,使局部压力增大,同 时在重力的共同作用下形成突水通道的可能性极 高。例如程潮铁矿使用无底柱分段崩落法开采多年 引发过4次大规模井下突水突泥事故,水裹挟大量泥 土和矿岩碎屑从采场进路涌出,不仅使大量巷道和 生产设备毁坏,还造成人员伤亡,给矿山造成巨大损 失。 许多学者对井下突水突泥进行了相关研究,水 从源头到达井下引发突水突泥是一个复杂的过程。 文献[1—2]研究了具体矿山突水灾害的形成机理, 认为井下突水的形成需要具备流动通道和充足的水 2 来,在地表形成约 93.4 hm 的塌陷区,在强降雨时共 收稿日期 2018-04-25 基金项目 国家自然科学基金项目(编号:51604195),金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室开放基金项目(编号:ustbmslab201704)。 作者简介 王 平(1972—),男,副教授。 · 60· 王 平等:崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究 2018年第7期 源这2个必要条件;文献[3—4]通过数值模拟和相似 实验研究了由上覆崩落体导致采场突水突泥时关键 部位的突变过程;文献[5]进行了地表黄土层降雨入 渗机理研究;文献[6]建立了崩落法矿山井下采场突 水突泥形成影响因素的指标体系。 的描述,Navier-Stokes方程是在欧拉方程的基础上考 虑了黏性力,式(2)为Navier-Stokes方程: dv dt 2 = -∇p + μ∇ V ρ . (2) 在 Darcy 方程的基础上考虑 Navier-Stokes 方程 中的黏性剪切应力项,其中压力 ∇p 为压力项和重力 项合并后的广义压力,得到Brinkman方程: 2 (3) 综上所述,对于降水在上覆崩落体中渗流的研 究还较少,本研究结合松散矿岩的渗流特性及无底 柱分段崩落法矿山采场突水机理,构建数值计算模 型,分析不同工况下上覆崩落体中渗流速度和压力 分布状况,研究降水在上覆崩落体中的入渗规律,对 于预测和预防采场突水突泥具有重要意义。 ∇p = - KμV + μ∇ V . 针对岩体破碎带,文献[9]中对断层活化导水进 行模拟后发现发生突水时断层导水性明显增强,文 献[10]引入渗透率突跳系数概念,认为渗流模型中 单元破坏后渗透系数在原来的基础上会增大若干 倍;文献[11]中对峰后破碎岩石采用立方定律和 strain partition 技术建立渗流—体应变关系方程和数 值模型,该模型能够定量描述峰后破碎岩石渗透性 的急剧增大,即破碎岩石散体的突水也符合渗透率 突跳系数的概念。这里将引用渗透率突跳系数概 念,用渗透率急剧增大来模拟大突水通道的形成。 1 入渗突水机制 上覆岩层的崩落方式有自然崩落或通过人工爆 破崩落,崩落过程中形成的岩块块度较大,随着井下 后续的开采和出矿,崩落范围越来越大,崩落范围内 的岩块也逐渐下降,致使上覆崩落体得以充分松散, 可以将其看成是一种具有较强透水性的多孔介质。 流体在上覆崩落体内渗流,具有流速快、雷诺数高等 特点,流体在其中不仅要受到渗透压力和孔隙水压 力的作用,还需要考虑黏性流体的剪切应力作用,这 是以黏性力为主导、适合渗流速度较慢的Darcy定律 2 入渗突水物理模型 根据无底柱分段崩落法采场结构及上覆崩落体 形态,简化后建立如图 1 所示的降雨入渗及突水模 型,程潮铁矿塌陷坑内黄土层长时间受塌陷扰动和 雨水冲刷,不仅严重流失而且存在许多裂隙通道,所 以该模型忽略黄土层的存在;模型主要由上覆崩落 体和崩落法采场进路巷道构成,其中分段高度取 8 m,采场进路巷道高度取 3 m;上覆崩落体整体下移 时,不同粒径散体的移动速度不一致,细小颗粒相对 粗大颗粒移动速度较快,发生上覆岩层的自然分级 [ 7] 所无法描述的 。Darcy方程描述的是牛顿流体在某 种多孔介质中渗流,渗流速度与水势梯度正相关的 渗流基本定律,该方法适应于地下水在含水层中的 渗流计算;Navier-Stokes方程是不可压缩黏性流体基 于牛顿第二定律的表达式,它是在动能、势能和静压 能平衡同时考虑流体在重力、压力和黏性阻力作用 下的运动规律,该方程适用于管道内流体的计算。 Darcy方程和Navier-Stokes方程显然不适合上覆崩落 体内的渗流计算。H C Brinkman在Darcy方程的基础 上考虑Navier-Stokes方程中的黏性流体剪切应力项, 提出了Brinkman方程,此方程是基于牛顿第二定律, 描述了在剪切应力和渗透压力作用下快速渗流体的 运动规律,对流体在矿岩松散体内的渗流提供了较 [ 12] 现象 ,其中在矿体上方并与矿体接触的覆盖岩层 一般由人工爆破放顶形成,它的主要作用是崩矿时 形成挤压爆破条件和对冒落围岩起到缓冲,覆盖岩 层的形成方式和整个上覆崩落体的分级现象使这一 区域相对上覆围岩自然崩落区域具有散体块度小和 较密实的特点,同时渗透率也相对较小,模型中将上 覆崩落体划分为覆盖岩层区域和自然崩落区域,覆 盖岩层的厚度取约等于2个分段高度。 [ 8] 好的表达 。本研究将采用此方程来描述上覆崩落 体内的渗流。 Darcy定律是对饱和砂土中渗流流速和压力之间 线性关系的描述,通过饱和砂的渗流实验得出: 图 1 中水从上边界入口开始向上覆崩落体内入 渗,在采场流出进入回采巷道或流向下一分层。模 拟中不考虑两侧其他水源对研究区域的影响,边界 为滑移属性的隔水边界,与流体间不存在黏滞效应。 V = - Kμ ( ∇p + ρgZ ) , (1) 式中,V 为流体流速,m/s;μ为动黏系数,Pa·s;K 为渗 2 透率,m ;p为流体压力,Pa;Z为位置高度,m;ρ为流体 3 入渗及突水模拟 COMSOL Multiphysics 系 统 也 称 用 FEMLAB 系 3 密度,kg/m ;∇p 为广义压力,Pa。 根据牛顿第二定律,流体微元所受重力与压力 之和等于其加速度和质量之乘积,这是对欧拉方程 统,是以有限元为基础,通过求解偏微分方程或偏微 分方程组来实现对科学和工程领域的各种物理过程 · 61 · 总第505期 金 属 矿 山 2018年第7期 首先模拟发生突水前降雨入渗阶段,入口设置 - 6 为恒定流量边界,保持流速当量为 1.63×10 m/s,在 此模型入口相当于约3.74 kPa的静水压力,研究突水 前上覆崩落体内渗流流速和压力分布情况;第二步 假设覆盖岩层之上的自然崩落岩体中存在不规则空 隙,黏性流体容易在其中滞留使压力增大,在出矿和 重力作用下从采场爆堆涌出,形成突水大通道,所以 把覆盖岩层上界面到出口这部分区域定为突水通道 的形成区域,引用渗透率突跳系数概念,将此区域的 渗透率提高10倍,来模拟突水通道形成后阶段,入口 边界条件分别保持恒定流量和恒定水压,分别研究 采场发生突水后入渗流量不变时和保持初始水压不 变时渗流场流速和压力的分布状况。 的模拟。构建计算模型,运用 COMSOL Multiphysics 系统中自由和多孔介质流动模块,对场变量不随时 间变化的稳态渗流及突水进行模拟。 3 . 1 计算模型及模拟过程 根据图1所示的物理模型,在COMSOL数值软件 中建立上覆崩落体渗流及突水计算模型(图 2)。模 型长×高约等于 80 m×100 m,顶部边界为进水边 界。模拟时入口根据不同工况可以设置为压力边界 条件和流量边界条件,雨水在静水压力和重力的驱 动下从地表塌陷坑开始依据 Brinkman渗流方程向上 覆崩落体内入渗,出口为自由边界,其压力值设为 0 Pa,位于模型下方,分别对应回采巷道和下个分层。 3 . 2 结果分析 模拟结果如图3~图6所示,图3和图4分别是工 况一中流体在上覆崩落体内的流速和压力分布云 图,图5和图6分别是地表塌陷坑到井下采场(沿图3 中折线 A-B-C)的流速和压力分布曲线。其中工况 一是突水之前降雨入渗模拟,入口保持流量恒定;工 况二表示入口边界条件依旧为流量恒定时的突水工 况;工况三表示维持入口边界条件为恒定水压时的 突水工况。 程潮铁矿矿区某天降雨强度达到 63.7 mm,塌陷 区降雨入渗当量速度(单位面积的入渗水量)为 -6 .63×10 m/s,根据参数反演法得到程潮铁矿上覆崩 -4 1 落体的平均渗透系数为8.03×10 m/s(即平均渗透率 - 10 2 为 1.07×10 m),自然崩落区和覆盖岩层区渗透率 从图5中可以看出,工况一中渗流场流速在接近 出口时发生大幅度变化,工况二、三中在突水通道区 域开始发生大幅度变化,在出口方向上呈指数型增 长,在此之前速度保持小幅度增长;工况一中流速突 [13] 根据不同孔隙率来选取,具体参数见表1所示 。假 设流体的密度和黏度都是常数;水流从采场出口流 出后在回采进路内自由流动;模型中流体在各区域 边界两侧的压力和流速相等,即流速和压力保持连 续性。 - 6 变之前平均值约为 2×10 m/s,出口处平均流速约 - 5 1.5×10 m/s,这是由于渗流面积总体缩小造成的;渗 · 62· 王 平等:崩落法开采上覆崩落体降雨入渗及突水模拟研究 2018年第7期 况二相似,但每个阶段都明显增大,出口处流速最高 - 5 达到6×10 m/s,约是工况一的4倍;这说明当突水水 源保持恒定高水压力时,一旦发生突水灾害后所产 生的破坏力也越大。 4 矿山记录数据对比 程潮铁矿 2001 年进行强含水带疏干作业之后, 地下水对矿山开采的影响很微弱,矿区在 2005 年之 前平均年降雨量 1 218.73 mm,4—7月雨季时日降雨 量30~216.6 mm,矿区地形特点有利于周边地表径流 向陷落区汇集,大气降雨和地表径流沿陷落区或移 动区进入地下是开采期间最主要的充水因素。2005 年时统计近几年井下雨季平均涌水量,其中西区平 3 均涌水量 4 000 m /d,当时西区在-307.5 m 和-325 m 水平同时采矿,2个分层共有约120个回采巷道,计算 3 得单个回采巷道日平均涌水流量约33.3 m /d;工况一 为日降雨强度达到 63.7 mm 时上覆崩落体内雨水入 - 5 渗模拟,采场渗流出口处平均流速约1.5×10 m/s,掌 2 子面爆堆竖直投影面积约13.35 m ,计算得单个回采 3 巷道涌水量为17.3 m /d。 模拟结果与实际数据有一定偏差,主要是源于 模型尺寸、边界条件、参数分布等与现场存在差别, 另外也没有考虑崩落塌陷区之外的围岩裂隙渗流。 虽然有不可避免的误差存在,但模拟结果与实际记 录数据在同一数量等级,模拟计算得到的渗流流速 和压力变化规律与实际情况符合,今后可以考虑更 多条件,建立更完善的立体模型进行模拟。 5 结 论 (1)采用 Brinkman 方程比较适合上覆崩落体内 流压力表现为自然崩落区域卸压较慢,而靠近出口 的卸压速度快速提高,这是由于渗流场下半区域的 渗透率较上半部分低,对上半区域流体的卸压起到 阻碍作用,而靠近出口时由于流体速度极大提高,使 压力得以迅速释放。 渗流的表征,根据上覆矿岩散体渗透率上大下小的 特点,水向下渗流过程中,卸压速度总体上呈先慢后 快的趋势,崩落体上部分渗流流体压力较高,是促发 突水通道形成的一个重要因素; (2)地表塌陷坑汇水深度越大,井下采场一旦发 生突水所造成的损失程度越大,甚至形成井下泥石 流,在降雨天气做好塌陷坑内的防排水工作能有效 减少井下突水事故发生几率或降低事故危害。 工况二中采场上方突水通道打开后,保持入口 边界补给水量不变,入口边界水压从3.74 kPa降到了 2.3 kPa;渗流速度和工况一相比,突水通道打开使流 -5 速增速加大,在采场出口处平均流速达到 2.5×10 参 考 文 献 m/s,这表明采场上方突水通道打开之后会起到大幅 度的卸压作用,流速也会极大提高,渗流场中流向突 水采场的水量会增大。 [ 1] 卜万奎,徐 慧.某矿区带压开采逆断层活化及突水性分析[J]. 煤炭学报,2011,36(7):1177-1183. Bu Wankui,Xu Hui.Analysis on reverse fault activation and water inrush possibility for coal mining above confined aquifer in a mining area[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7): 1177-1183. 工况三渗流场入口为恒定压力的边界条件,突 水通道打开之后,对自然崩落区域的渗流失去阻碍 作用,而且此时流体已获得较快的速度,使上半区域 流体压力得以迅速释放(如图6);渗流速度变化和工 [ 2] 师文豪,杨天鸿,常 宏,等.中关铁矿工作面顶板突水机理及防 治对策[J].采矿与安全工程学报,2016,33(3): 403-408. · 63 · 总第505期 金 属 矿 山 2018年第7期 Shi Wenhao,Yang Tianhong,Chang Hong,et al.Water- inrush mechanism and countermeasure for the roof of working face in Zhongguan Iron Mine[J].Journal of Mining & Safety Engineering, [8] 白春震,赵俭斌,侯世伟,等.基于 Brinkman 方法工程降水多流 场数值模拟分析[J].北方交通,2014(10):96-99. Bai Chunzhen,Zhao Jianbin,Hou Shiwei,et al.Numerical simula- tion analysis of engineering precipitation flow field based on the Brinkman Method[J].Northern Communications,2014(10):96-99. [9] 张玉东,许进鹏.葛亭煤矿断层活化导水数值模拟研究[J].矿业 安全与环保,2013,40(2):16-19. 2 016,33(3): 403-408. 3] 杜建华,匡忠祥,宋卫东,等.井下泥石流发生机理数值模拟研究 J].金属矿山,2008(4):18-22. [ [ Du Jianhual,Kuang Zhongxiang,Song Weidong,et al.Numerical simulation study on occurrence mechanism of underground mud- rock slides[J].Metal Mine,2008(4):18-22. Li Yudong,Xu Jinpeng.Numerical simulation study on water con- duction caused by fault activation in Geting Coal Mine[J].Mining Safety & Environmental Protection,2013,40(2):16-19. [10] 杨天鸿,唐春安,谭志宏,等. 岩体破坏突水模型研究现状及突 水预测预报研究发展趋势[J].岩石力学与工程学报,2007,26 (02):268-277. [ 4] 刘志伟,刘鹏博,周光辉.基于关键块模型的井下粉矿泥石流的 探讨研究[C]//2011年中国矿业科技大会论文集.马鞍山:金属矿 山杂志社,2011:80-83. Liu Zhiwei,Liu Pengbo,Zhou Guanghui.Research on underground mine debris flow based on key block model[C]//China Mining Sci- ence and Technology Conference in 2011.Ma’anshan:Metal Mine Magazine,2011:80-83. Yang Tianhong,Tang Chun’an,Tan Zhihong,et al.State of the art inrush models in rock mass failure and developing trend for predic- tion and forecast of groundwater inrush[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(02):268-277. [ 5] 付建新,谭玉叶,宋卫东.崩落法开采塌陷区上覆黄土层降雨入 渗机理研究[J].中国矿业大学学报,2015(2): 349-353. Fu Jianxin,Tan Yuye,Song Weidong.Study on mechanism of rain- fall infiltration through overlying loess formation on block caving collapse area[J].Journal of China University of Mining & Technol- ogy,2015(2):349-353. [11] Yuan S C,Harrison J P.Numerical modelling of progressive damage and associated fluid flow using a hydro-mechanical local degrada- tion approach[J].International Journal of Rock Mechanics and Min- ing Sciences,2004,41:317-322. [12] 张国建,邹温强.松散覆盖岩层自然分级现象的计算机模拟[J]. 中国矿业,2011,20(4): 97-100. [ 6] 王朋飞,李翠平,李仲学,等.基于层次分析法的矿井突水风险评 价[J].金属矿山,2012(12): 95-98. Zhang Guojian,Zhou Wenqiang.Namerical modeling for natural grade classification of the loose- covered covering rock[J].China Mining Magazine,2011,20(4):97-100. Wang Pengfei,Li Cuiping,Li Zhongxue,et al.Risk assessment of mine water inrush based on analytic hierarchy process[J].Metal Mine,2012(12): 95-98. [13] 王其虎.程潮铁矿裂隙岩体渗流预测模型及数值模拟研究[D]. 武汉:武汉科技大学,2012. [ 7] 杨天鸿,师文豪,李顺才,等.破碎岩体非线性渗流突水机理研究 现状及发展趋势[J].煤炭学报,2016,41(7): 1598-1609. Li Lixia,Wang Yaqin,Han Yuexin,et al.Utilizing ceramic waste as a construction materia[l J]. Journal of Northeastern University:Natu- ral Science,2011,32(3):419-422. Wang Qihu.Model and Numerical Simulation Study of Seepage Pre- diction in Chengchao Iron Mine[D].Wuhan:Wuhan University of Science and Technology,2012. (责任编辑 徐志宏) · 64·
  • 中矿传媒与您共建矿业文档分享平台下载改文章所需积分:  0
  • 现在注册会员立即赠送 10 积分


皖公网安备 34050402000107号