（工程力学专业论文）济钢张马屯铁矿大帷幕突水监测及应力场分析.pdf

0q u j ： 、，m m z r l 。1月o黟瘤。 、：，“；j嚣零，_谗。钕淑 tkrflii，i1日tf 0拽。譬鎏j1 垤t辑钮y，h，孽i ，g弦，矿i 帅叭叭l 眦 0 5 9 6 学位论文 济钢张马屯铁矿 大帷幕突水监测及应力场分析 申请学位级别塑 论文提交日期生乙! 兰：三篓论文答辩日期丝墨：! ! 学位授予日期坦壁：至答辩委员会主席弛筮搜 评阅人堡：蛆盏驾生员叠边翅坠 东北大学 2 0 0 7 年1 2 ： i ， 一 - 吨“0 p ， k ，参o，n0 ，也毋i妒 奄f依矿一瓢募、 p 卜 l 0 i ， g r o u n d w a t e ri n r u s hm o n i t o r i n ga n ds t r e s s f i e l da n a l y s i sf o rg r e a tu n d e r g r o u n d c u r t a i no f j i g a n g _ z h a n g m a t u n i r o no r e b y l if e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rt a n gc h u n a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 7 乞 厂1 赣ll，叫 ，飞鼍i_ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 思。 学位论文作者签名：嚯骛 日期：川，2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： - i - _ 1 _ 1 一 一， 毫 、 r l 摘要 分析 突水是目前采矿生产中的主要地质灾害，以往对突水的预测手段通常是通过观察井 巷涌水量，地应力等突水引起的表观现象的变化来达到监测的目的，而微震监测是从突 水引起岩体破坏的本质入手，测量岩体发生破坏时释放出的应力波来达到预测突水，具 有实时性，大范围三维空间连续、动态监测等优点，对矿山安全生产具有重要意义。 本文应用“采动压力和水压力扰动应力场诱发微破裂( 微震活动性) 是矿山突水前 兆本质特征 这一学术思路，从现场微震监测和应力场数值模拟两个方面对张马屯铁矿 大帷幕安全稳定性进行分析。针对济钢张马屯铁矿大帷幕进行三维地质建模，自行研发 微震数据后处理软件m m s ，将现场微震监测数据统一到三维地质模型中，根据实际问题 选定显示区域和时间单元，对局部区域微震事件的时空分布规律进行分析。另一方面将 三维地质模型导入多场耦合分析软件c o m s o l ，对开采区和大帷幕进行应力场分析。综合 以上两方面对大帷幕突水可能性评价。 经过现场监测和理论分析，发现在大帷幕西南侧，奥陶系中统和下统大理岩透水岩 层相互连通处微震事件发生频率较高，而且数值模拟结果显示该处应力明显高于别处， 是突水通道形成的潜在危胁。建议在开采过程中应着重对此处进行监测并做相应的安全 处理。 关键词：突水；微震监测；预测预报；可视化；m m s - i i - q 一、 1 ，庸，点飞i- ， ，0攀 ， 2j，一 a bs t r a c t g r o u n d w a t e ri n r u s ho fi r o no r ei st h em a j o rg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nc u r r e n t m i n i n gp r o d u c t i o n i nt h ep a s t , t h ef o r e c a s tm e a n so fg r o u n d w a t e ri n r u s ha r eu s u a n y t oa c h i e v et h ep u r p o s eo fm o n i t o r i n gt h r o u g ho b s e r v i n gt h ea p p a r e n tp h e n o m e n o n c a u s e db yg r o u n d w a t e ri n r u s h , s u c ha sq u a n t i t yo f g r o u n d w a t e ro u t p u t , c r u s t a ls t r e s s s u d d e nc h a n g ea n ds oo n m i c r o s e i s mm o n i t o r i n gw h i c hs t a r t sw i t ht h ed e s t r u c t i o n e s s e n c eo fr o c kc a u s e db yg r o u n d w a t e ri n r u s hi st oa c h i e v et h ep r o p o s eo ff o r e c a s t i n g g r o u n d w a t e ri n r u s ht h r o u g hm e a s u r i n gt h es t r e s sw a v ew h e nt h er o c ko c c u r r e d d a m a g e ，w i t ht h ea d v a n t a g e so fr e a l - t i m e ，l a r g e s c a l ee t c ，h a v i n gt h eg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rm i n es a f e t yp r o d u c t i o n t h i sp a p e ra d o p t sa na c a d e m i ci d e ao f ”m i n i n gd y n a m i cp r e s s u r ea n dt h ew a t e r p r e s s u r ep e r t u r b i n gs t r e s sf i e l dt oi n d u c em i c r o - r u p t u r e ( m i c r o s e i s m ) i sap r e c u r s o r e s s e n t i a lc h a r a c t e ro fg r o u n d w a t e ri n r u s h ”，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fz h a n g m a t u n i r o no r eg r e a tu n d e r g r o u n dc u r t a i na r ea n a l y z e db yt h es c e n em i c r o s e i s mm o n i t o r i n g a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t r e s sf i e l d 3 dg e o l o g i c a lm o d e l i n go f u n d e r g r o u n d c u r t a i nj i g a n g _ z h a n g m a t u ni r o no r ei s b u i l t , m i c r o s e i s m d a t a r e p r o c e s s i n gs o f t w a r em m si s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d ，t h es c e n em i c r o s e i s m m o n i t o r i n gd a t aa r ei n p u ti n t ot h e3 dg e o l o g i c a lm o d e l ，s e l e c td i s p l a yr e g i o na n dt i m e u n i t i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c a lp r o b l e mt oa n a l y z et h et e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o nr u l eo fl o c a lr e g i o nm i c r o s e i s me v e n t s o nt h eo t h e rh a n d , 3 dg e o l o g i c a l - i i i i 东北大学硕士学位论文 m o d e li si n p u ti n t ot h ec o u p l e da n a l y s i ss o f t w a r ec o m s o lt oa n a l y z et h es t r e s sf i e l d o ft h em i n i n ga r e aa n dt h eg r e a tu n d e r g r o u n dc u r t a i n c o n s o l i d a t i o no ft h et w o a s p e c t s ，t h ep o s s i b i l i t yo fg r o u n d w a t e ri n r u s ho ft h eg r e a tu n d e r g r o u n dc u l t a l ni st h e e v a l u a t e d t h r o u g ht h es c e n em o n i t o r i n ga n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m i c r o s e i s mi n c i d e n t o c c u r sa tah i g h e rf r e q u e n c ya tt h ei n t e r c o n n e c t e dp l a c eo ft h eo r d o v i c i a na n dt h ee c m a r b l ep e r m e a b l er o c ki n t h es o u t h w e s ts i d eo ft h eg r e a tu n d e r g r o u n dc u t t a i l l ，a n dt h e r e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a tt h es t r e s so ft h ei n t e r c o n n e c t e dp l a c ei s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a ne l s e w h e r e ，i ti sp o t e n t i a lt h r e a to ff o r m a t t i n gc h a n n e lp r o c e s s i nt h ep r o c e s so ft h em i n i n g ，t h ei n t e r c o n n e c t e dp l a c es h o u l db em o n i t o r e da n dd o n e t h ec o r r e s p o n d i n gs a f eh a n d l i n g k e yw o r d s ：g r o u n d w a t e ri n r u s h ，m i c r o s e i s mm o n i t o r i n g ，v i s u a l i z a t i o n , f o r c a s t i n g m m s 1 一 l镕毛弋 譬浮l毋 tf，_ 。，l 1 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t 第l 章绪论。1 1 1 课题来源l 1 2 矿山突水监测技术研究现状2 1 3 项目的思路。3 1 4 本文所做的工作4 第2 章工程地质与水文地质条件5 2 1 矿床水文地质条件5 2 2 大帷幕区水文地质条件分析7 第3 章三维地质模型的建立1 l 3 1 矿区地层岩性分布：1 1 3 2 模型的建立。1 2 第4 章微震监测原理及设备安装1 7 4 1 岩体声发射活动规律1 7 4 1 1 岩体声发射活动特性18 4 1 2 岩体声发射活动类型1 9 4 1 3 微震时空分布规律2 0 4 2 微震信号采集及定位方法2 2 4 2 1 声发射信号特征参数2 3 4 2 2 声发射信号的采集2 4 4 2 3 声发射定位方法2 5 4 3 设备的安装2 6 第5 章微震数据采集与后处理系统的开发2 8 5 1 设置o p e n g l 图形绘绘环境2 8 v 东北大学硕士学位论文目录 5 2 利用a d o 技术实现数据库操作3 1 5 3 系统模块与主要数据结构。3 5 5 3 1 模型导入模块3 6 5 3 2 数据操作模块3 7 5 3 3 远程访问模块3 9 5 4 系统主要功能4 0 5 5 应力集中区微震事件分析4 1 第6 章帷幕应力场计算与分析4 8 6 1 渗流基本概念及d a r e y 定律4 8 6 2 渗流连续性方程5 2 6 3 承压水运动的基本微分方程。5 3 6 4 定解条件。5 5 6 5 地质模型的简化及物理力学参数的确定一5 6 6 6 流固耦合情况下应力场的计算5 8 6 6 1 控制方程5 8 6 6 2 分析步骤6 0 6 7 结论一7 0 第7 章结论及展望7 l 参考文献7 2 致谢7 5 一v i 气il毒 第1 章绪论 近年来随着采矿技术的进一步提高，开采深度不断加大，矿山安全问题越来 越成为人们关注的焦点，其中开采过程中地下水及地应力的突变对矿区安全的造 成极大的威胁。据国家煤矿安全监察总局统计资料，全国各类煤矿平均每天发生 安全事故8 次，其中由水患突水，顶板溃水占据相当比例。该类事故处理周期长， 费用高，已成为矿业部门提高产量，降低成本的主要制约因素。 张马屯铁矿隶属济钢集团，位于济南市东北角，距市区约2 0 k i n ，济南市地 下水储存丰富，对矿区的开采是一项重要的制约因素。该矿原设计为年产5 0 万 t 原矿的采选联合企业，矿山于1 9 7 7 年简易投产，至1 9 9 2 年，受地下水的制约， 仅能开采小帷幕范围内的矿石，实行保护性限制开采，维持在每年1 2 1 4 万t 的 生产水平，对矿石也仅能进行粗加工。 为了矿山的生存延续和扩大产能，积极探索实施大帷幕注浆堵水工程的可行 性。1 9 7 9 年7 月开始筹备铁矿区大帷幕堵水注浆工作，并做了相应的水文地质 试验。查清了帷幕线附近的水文地质特征，基本满足了大帷幕堵水工程设计的需 要。1 9 8 6 年6 月，水文公司、张马屯铁矿和省冶金设计院联合提交了“关于尽早 施工大帷幕工程的请示报告”，对帷幕工程的可行性进一步做了分析。直到张马 屯铁矿1 9 9 0 年划归济钢以后该项工作开始有所起动，1 9 9 2 年开始详细论证探讨。 大帷幕主体工程自1 9 9 3 年3 月4 日开工，1 9 9 5 年1 2 月2 2 日竣工，大帷幕 全长1 4 1 0 m ，深度3 3 0 - - 一5 6 0 m ，一般3 7 0 - - 4 5 0 m ，帷幕厚l o m 左右，围堵可采地 质储量1 5 7 8 万t ，按年产原矿5 0 万t 计算，可供矿山开采2 5 年以上。 随着开采进度不断向前推进，采空区、回填区也不断向帷幕靠近，为了矿区 开采的安全，大帷幕的稳定性监测已成为一项急待实施的工作。 2 0 0 6 年8 月济钢集团张马屯铁矿委托大连力软科技公司进行矿区大帷幕突 水监测及应力场分析。并于2 0 0 7 年7 月将微震监测设备安装于开采区及大帷幕 关键部位，开始进行监测。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 矿山突水监测技术研究现状 在采矿过程中，由于矿体底板或断层应力场发生了变化，承压水的入侵高度 沿断层带或破断的底板向上发展产生递进导升现象，以致造成突水。因此，突水 过程具有岩体应力、渗透性变化，水压升高、涌水量增大等一系列前兆。这些前 兆是突水预测预报的依据，通过传感器对应力、水压的变化幅度等信息进行分析 处理，来反演突水区域，进而计算突水点的位置【。 目前国内矿山对于突水监测做了大量的工作【2 - 1 2 】，采用抗地电干扰的瞬变电 磁仪、红外探测仪、三维高分辨率目标地震勘探仪、综合物探和超前钻探法等综 合方法探测突水点，取得了较好的效果。但是主要工作还是放在对突水点部位、 高压富水区、导水断层和岩溶陷落柱进行探测，缺乏对突水通道形成过程的动态 监测和预报监测。 试验表明：随着岩石被逐渐加压，其内在微缺陷被压裂或扩展或闭合，此时 产生能级很小的声发射，当裂纹扩展到一定规模、岩石受载强度接近其破坏强度 的一半时，开始出现大范围裂隙贯通并产生能级较大的声发射，称之为“微震” 或m s 。当压力越接近岩石的极限强度时，微震事件的次数越多，直至岩石破坏。 每一个微震信号都包含着岩体内部状态变化的丰富信息，对接收到的微震信号进 行处理、分析，可作为评价岩体稳定性的依据。所以，微震监测、定位等方面的 地球物理方法，是矿山岩层破断、突水、瓦斯突出等灾害研究中十分有效的监测 手段。美国、加拿大、澳大利亚、前苏联等国家早在7 0 年代把微震监测方法应用 于矿山岩爆等灾害预测，国内徐州矿务局三河间等煤矿、凡口铅锌矿等冶金矿山 针对岩爆或冲击地压也进行了微震监测研究。 美国等发达国家在石油开采中广泛应用测震技术分析水压致裂过程，认为跟 传统的测试方法比较，可以实时监视岩层破裂带扩展过程并能以高精度测量破裂 带几何参数，如破裂带的长、宽和高，而且能估计破裂带扩展方向及速率。同理 ( 突水与水压致裂机理一致) ，目前矿山突水灾害的监测、预测，不能只监测岩 体涌水量、水压力表象特征，必须寻找突水量增大的本质机理和前兆规律一岩 层破坏导水通道的形成，加强突水过程中对岩层破坏微震活动性规律及定位的监 测分析。 目前，高性能的微震监测技术、网络传输技术、并行计算技术、渗流耦合力 学理论方法的发展为矿山突水等灾害分析预报方法的研究提供了技术手段。同 时，突水灾害具有震源区可接近性( 如采空区) ，空间上具有多发性、高重复性、 区域固定性、地质构造的明确性和在时间上的可控性( 如调整开采进度或顺序) 等特点，因此，开展矿山突水灾害的预测预报在空间、时间上都具有许多便宜条 - 2 - ， 、 舟t妒j - | ，每 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 件： ( 1 ) 可以对矿体和围岩的力学性质有一个总体的了解，这对于分析矿山突 水灾害产生的部位和原因，特别是寻找矿山突水灾害与地质结构的联系( 尤其是 占突水事故8 0 的断层突水，可进行断层区域的重点布控) ，具有重要的参考价 值。 ( 2 ) 矿山突水灾害的发生往往与已知的人工开挖过程( 即干扰) 具有特定 的联系。可以在矿山整个开采过程中观测和记录矿山突水灾害前兆、空间和时间 序列过程，分析他们与开采过程的联系，对于矿山突水灾害发生的机理和预测预 报无疑具有重要的作用。 ( 3 ) 建立典型开采工作面尺度范围的三维地质力学模型是可能的，从而可 以对进行开采过程诱发突水可能性的应力场、渗流场和损伤场分析。只有建立在 三维实体应力分析基础上的微震活动性时空分布规律分析，才更有牢固的物理力 学理论基础，才有可能对开采过程中的矿山突水现象和机理进行更加深入有效的 研究。 1 3 项目的思路 只通过建立三维突水力学模型进行渗流损伤数值模拟分析，模型的可靠性 和适用性缺乏实际监测反馈信息的验证；同时孤立地进行突水的微震监测，对于 结果的解释和机理分析缺乏理论依据和进一步的突水预测预报的可靠性。所以， 在突水的微震监测结果分析中，充分考虑背景应力场、损伤场、渗流场的内因影 响和联系，无疑是开展突水通道预测预报研究的新思路。两种方法从不同角度有 机结合，互为补充：数值模拟方法可以帮助理解所观测到的微震活动的特征和模 式；微震监测数据可以和数值模拟分析结果互为修正敏感的系统参数和标定模 型。 本项目基于“采动压力和水压力扰动应力场诱发微破裂( 微震活动性) 是矿 山突水前兆本质特征”这一学术思路，依托实例工程，采用渗流耦合力学理论、 并行计算科学技术和高新微震测量技术手段，在深层次上对采动岩层破坏突水通 道形成特征、突水岩层微震活动前兆信息和并行渗流耦合数值仿真结果进行综合 反演：通过应力场、损伤场和渗流场的演化来解读微震活动性规律，通过微震活 动信息来基准标定突水模型，达到揭示岩层破断突水前兆规律及定位突水通道的 目标，为建立矿山突水灾害预测预报奠定理论基础。 - 3 - 东北大学硕士学位论文 笫1 章绪论 1 4 本文所做的工作 矿区及大帷幕三维地质模型的建立： 微震监测数据后处理软件开发； 大帷幕及开采区微震监测数据分析； 矿区及大帷幕应力场数值模拟； 开采区围岩稳定性评价； 大帷幕在地下水渗流作用下应力场分析； 大帷幕安全稳定性评价； 4 东北大学硕士学位论文第2 章工程地质与水文地质条件 i 表2 1 西矿体( 7 线以西) 坑道涌水量预测表 开采水平 - 2 4 0 m- 2 8 0m3 2 0 m3 6 0 m4 0 0m ， 坑道涌水量 2 0 2 7 8 12 3 3 4 0 33 0 4 5 2 33 3 7 6 9 73 6 4 4 0 7 ( m 3 d ) 2 2 大帷幕区水文地质条件分析 ( 1 ) 含水层、隔水层的水文地质特征 大帷幕区含水层、隔水层及其分布与矿床中所述基本相同，故不再赘述，仅 对其特征予以剖析。 帷幕南段( 7 1 1 2 d 4 1 ) ：大理岩含水层有两层，即0 2 。和0 2 - m ，因中间有 1 9 0 m 以上厚度的闪长岩相隔，故基本无水力联系。 0 2 - 。层大理岩多直接埋藏于第四系之下，故与第四系含水层的水力联系密切。 本层在d 2 7 以东分布，d 3 6 一d 3 9 少量见着，呈东厚西薄，往西呈尖灭之势。垂 向上布于0 i n 和一9 0 m 之间，厚度o - - - 9 0 m ，裂隙发育，溶洞少见，钻孔单位涌水 量0 5 3 0 l ( s m ) 。 0 2 - m 层大理岩深3 0 8 3 6 4 m ，一般厚度2 0 - - - 3 0 m ，西厚东薄，d 3 号孔仅2 9 2 m 。 本段施工5 0 个钻孔，有3 5 个钻孔在大理岩中漏水，其中d 3 1 d 4 1 漏水点较少； 冲洗液单位消耗量最大达6 4 5 l ( s m ) ；1 3 个钻孔见有溶洞3 2 个，最大达 1 8 m ( d 1 3 孔) ，最小仅0 1 5 m 。 帷幕西南段( d 4 1 一d t o ) ：所示，主要含水层0 2 - m 大理岩埋深2 6 6 - - - 3 7 5 m ， 最厚1 0 7 6 m ，最薄2 6 5 3 m ，西北厚、东南薄，大理岩形态较规正，起伏变化 小，其它岩层的穿插夹杂基本没有。该段施工4 3 个钻孔，有3 7 个钻孔的大理岩 漏水，冲洗液单位消耗量最大达3 o l ( s m ) ；1 5 个孔见溶洞1 2 个，最大者 1 2 9 r n ( d 5 4 ) ，一般不足0 5 m 。见溶洞最多的钻孔为d 5 4 和d 5 6 ，各见有5 个 溶洞，总高度分别为2 4 9 m 和2 o o m 。该段中d 5 0 一d 5 6 岩溶相当发育，注浆 时耗灰量也多，次之为d 6 2 和d 6 8 附近，余皆耗灰平平，特别是岩溶发育不强。 西南段的闪长岩在钻进中基本没有漏水现象，说明其岩层比较完整。 帷幕西段( d t o d 1 0 4 ) ：该段走向近南北，横穿张马屯村中央，地表原为 一泄洪沟。主要含水层0 2 - m 大理岩一是厚大，二是复杂，表现为陡升陡降、大起 大落、穿插包容，尤以d 7 0 至d 9 2 一段为甚。d t o 至d 9 2 一段的大理岩中间，插 入一大块闪长岩体，埋深自2 7 0 一3 8 5 m ，厚2 0 一7 5 m 。由于闪长岩的穿插，使大 理岩支离破碎，接触带处尤为如此。这些造成了大理岩的岩溶裂隙更加发育，水 文地质条件更趋复杂，注浆的耗灰量不但大，而且多变。帷幕西段大理岩埋深 7 东北大学硕士学位论文 第2 章工程地质与水文地质条件 1 6 0 4 5 - 4 8 5 5 6 m ，最厚1 6 9 1 6 m ，最薄4 8 0 9 m ，一般1 0 0 - - - 1 2 0 m 。本段施 工7 3 个钻孔，有5 4 个钻孔漏水。冲洗液单位消耗量最大者是d 7 4 ，为1 2 7 4 l ( s m ) ，d 8 0 和d 8 1 也分别达到3 6 7 5 与4 2 4 7 l ( s m ) 。总体而言，南部 偏大，在1 o l ( s m ) 左右，北部偏小，在0 5 l ( s m ) 上下。有1 8 个钻孔 见4 5 个小溶洞，最大0 9 m ，一般不足0 5 m 。除南头d 7 1 、j l l 、j 1 2 、w 4 、w 5 及k 6 ( 见有0 6 和2 2 m 溶洞各1 个) 附近岩溶发育外，其余地段岩溶均不发育。 我们认为西段复杂是因为闪长岩的侵入，使大理岩张裂破碎。但裂隙的发育用裂 隙率来表征一是不全、二是不准，因而难以引用这一指标进行分析。闪长岩的 裂隙一般不发育，钻进中较少见有冲洗液漏失的现象，但并不排除部分地区的特 殊性。如b 1 3 全孔注浆时水泥浆顺闪长岩的裂隙跑到2 7 m 远的观1 3 中将其堵塞， 使之无法进行地下水动态长期观测，不得已而进行了处理。 帷幕北段( d 1 0 4 一注6 ) ：该段大体走向东西，自张马屯村北穿出。 0 2 - 在本段多有分布，表现为东厚西薄，西浅东深的特点。其埋深2 0 5 - 2 9 2 m ， 厚0 - - , 5 4 m ，一般3 0 m 左右。施工的6 2 个钻孔中有1 5 个漏水，3 个钻孔见溶洞5 个，最大仅0 7 m ，余均小于0 5 m 。 0 2 一层大理岩埋深3 0 0 一5 4 6 m ，厚1 9 2 l o m ，一般厚5 0 一l o o m ，表现为东 厚西薄、东深西浅的特点，高低起伏变化大。施工的6 2 个钻孔中有4 4 个漏水， 冲洗液消耗量大者有d 1 0 7 、d 1 3 8 、d 1 2 4 、d 1 3 5 ，分别为7 6 3 、5 2 9 、4 8 5 、 4 3 0 l ( s m ) 。1 7 个钻孔见溶洞3 6 个，最大为3 4 3 m ( d 1 2 2 ) ，多为不足l m 的小溶洞，岩溶发育段多在中部，有极大的不均一性。 0 ：一高悬于矿体之上，其下有闪长岩与作为矿体直接顶板的0 2 一相隔，仅在 7 号勘探线两层大理岩相连相接，在1 0n + l o 号勘探线间呈藕断丝连的形式。这 就决定了两层大理岩在帷幕附近联系不密切，但是后来的人为地质作用又将该两 层钻穿。因此言其连又不畅，言其隔又不断。 帷幕北段的闪长岩，主体是隔水的，亦有不少地段具有连通性好的裂隙。例 如在d 1 0 4 到d 1 1 6 之间的钻孔注浆时，闪长岩多次串浆。闪长岩的这种透水串浆 多发生在上部浅部，多在接触带，其量较少。 、 第四系含水层的地下水与0 2 - n 及0 2 一含水层的地下水没有水力联系。1 9 9 6 年 初大型放水试验时第四系民井的水位没有变化，证实了这种结论。 ( 2 ) 断裂构造对帷幕线水文地质条件的影响 闪长岩侵入时的挤压冲断，或其他地质应力的破坏，均能造成含水层的错断 张裂，导通和引入地下水，在此基础上岩溶得以更快更好地发育，形成一个支脉 相连的巨大的导水含水的空间网络。帷幕线上断裂多处出现，高角度，走向不明。 从钻孑l 偏斜的规律和矿床中同类断裂的走向分析，这种高角度的张性断裂的走向 多为n e 向。下面对断裂做一简要分析。 一8 - h 、 + ， e。j 程地质与水文地质条件 第2 章工程地质与水文地质条件 2 1 矿床水文地质条件 张马屯铁矿床位于济南铁矿区中部，矿体主要埋藏于标高一l o o m 到一4 0 0 m 之 间。矿床范围内地势平坦，地面标高2 9 7 3 2 5 m 。矿床内主要含水层为奥陶 系中统灰岩，次为奥陶系下统的白云质灰岩及第四系底部砂砾石含水层。闪长岩 含水弱，透水差，故视为相对隔水层。具有较好的阻水作用的f l 断层在+ 5 号勘 探线附近通过，将矿体分成东西两部分。 东矿体的矿石储量较少，灰岩富水性强，条件复杂，先期暂不开采。西矿体 储量大，为2 3 9 6 7 万t ，是小帷幕和大帷幕围堵的目标和范围。 西矿体主要含水层奥陶系中统灰岩根据其埋藏的空间位置、水力联系及与矿 层的关系，可分成0 2 一，、0 2 一、0 2 一三层n 3 1 ( 见图2 1 ) ： 0 2 一。层灰岩：分布于西矿体南侧，+ 7 号勘探线以西，埋藏于标高+ 2 6 一9 0 m ， 厚度o 9 0 m ，平均厚3 6 m 。其岩溶裂系发育，富水性强，透水性较好，钻孔 q = o 5 8 2 8 l ( s m ) ，渗透系数1 8 6 1 4 6 5 m d 。该层灰岩分布偏南， 有厚大的闪长岩的阻隔，对矿床充水不具威胁。 0 2 一。层灰岩：本层布于西矿体北部5 + 1 0 号勘探线间，埋于标高一1 1 2 一 3 1 5 m ，西浅东深，呈舌状由矿床北部向矿床内插入，终止于中部。其厚度0 一- 6 8 m ， 一般3 0 3 5 m ，主要含水段3 0 m 。该层多溶蚀裂隙，少溶蚀孔洞，钻孔单位涌水 量1 5 8 - - - 4 5 l ( s m ) ，渗透系数6 6 4 1 6 4 6 m d 。1 9 7 5 年坑道放水试验 1 2 9 万m 3 d 时，中心孔仅下降2 5 4 m 。 0 2 一层灰岩：西矿体除东部和中间部位外均有分布，厚度o 1 8 0 m ，局部大 于3 7 0 m ，埋深南浅北深，东浅西深，标高界于一1 5 0 - - - 一5 0 0 m ，局部未见底。该层 厚度大，分布广，透水强，含水丰富，钻孔单位涌水量0 0 1 6 6 4 9 l ( s m ) ， 渗透系数0 0 8 2 3 8 1 7 m d 。其富水性西部好，北部和南部略差。本层在1 9 7 5 年坑道放水试验水量为5 0 6 万m 3 d 时，中心孔仅下降2 6 0 6 m 。各层灰岩均 与区域灰岩相连通。o ：一和0 2 一联系较为密切，0 ：又多为矿层的顶板和底板，因 此是矿床充水的主要威胁。 奥陶系下统的白云质灰岩，含水性较强，透水性较好，仅在矿床北部7 线以 东与奥陶系中统灰岩直接接触，对大帷幕范围内的矿体无影响。 - 5 - 东北大学硕士学位论文第2 章工程地质与水文地质条件 第四系含水层含水亦较丰富，但其下有1 3 0 m 以上厚度的闪长岩与奥陶系灰 岩相隔，对矿床充水无直接威胁。各含水层分布示意图如下图所示： 1 蚓锄司i 图2 1 矿区岩层分布图 f i 9 2 1r o c kl a y e rd i s t r i b u t i o no f t h em i n ea r e a 根据勘探试验的资料综合分析认为西矿体的主要进水通道有三个地段。0 2 的主要进水通道在矿床北部，水1 9 孔的东西两侧，宽度约3 5 0 m ，灰岩平均厚度 2 0 _ _ 3 0 m ，水1 9 抽水试验的单位涌水量为1 5 7 5 l ( s 1 ) ，导水系数为1 8 6 m 2 d 。0 2 在南部的主要进水通道在水1 2 水7 一段，宽约1 7 5 m ，灰岩平均厚度 3 7 m 。水1 2 抽水试验的单位涌水量为3 8 1 7 l ( s m ) ，导水系数4 3 8 9 1 1 1 2 d 。 水1 2 孔抽水时姜家庄的观测孔有迅速和明显的反应。0 2 层灰岩西部的主要进 水通道在水1 5 水1 7 一段，长度约6 2 0 m ，灰岩的平均厚度在8 7 m 左右。水1 6 孔分两层做抽水试验，其单位涌水量分别是4 3 4 2 l ( s m ) 和2 1 5 1 l ( s m ) ， 导水系数分别是4 6 0 m 2 d 和2 2 7 m 2 d 。水1 7 抽水试验的单位涌水量为2 1 7 6 l ( s ，m ) ，导水系数为2 5 2 m 2 d 。第1 1 号勘探线可以看出：自1 1 _ 2 孔经1 l _ 孔和水1 6 孔到k 1 2 孔，灰岩的厚度特别大，埋藏也深，富水性强。水1 6 孔抽 水，黄台电厂的水井立刻有反映，足见其连通性好。矿坑进水的通道主要在西部， 帷幕堵水的难点和关键也在西部。 综上所述，西矿体奥陶系中下统灰岩含水极为丰富，区域地下水对其补给非 常充沛。1 9 7 8 年对西矿体矿坑涌水量进行了预测，结果见表2 1 。 6 东北大学硕士学位论文 第2 章工程地质与水文地质条件 d 1 2 - - 一d 1 6 一段：大理岩顶板陡升又陡降，幅度达l l m ，d 1 2 在孔深1 5 5 1 5 7 m 的闪长岩中见有擦痕，结合此段漏水量大，岩溶发育，注浆时有3 个钻孔 的大理岩单位耗浆量分别达2 2 8 9 、1 7 2 5 、2 5 1 6 t m ，故认为此段有断裂 构造。此处可能是1 9 7 6 年提交的勘探报告中所认为的矿床南部的进水口之一。 d 2 6 附近：大理岩顶板陡降6 m ，4 个溶洞总高1 8 5 m ，岩溶率为6 6 ， 注浆时单位耗灰量达2 8 1 4 9 t m ，数量之巨，相当惊人。 d 7 0 d 8 2 ：大理岩顶板骤然抬升7 0 一1 0 0 m ，底板陡降5 0 m 。3 0 ，- - , 5 0 m 厚的 闪长岩插入大理岩中，纵横交叉，错综复杂。此段裂隙发育，溶洞屡见，注浆时 的耗灰量最大，推断为一断层带。 d 8 4 - - d 8 8 ：大理岩底板陡降6 3 m ，而且大理岩、铁矿和闪长岩相互穿插。 d 8 5 、d 8 6 、d 8 7 中均见有角砾岩，大理岩角砾棱角明显，胶结物为钙质。d 8 8 耗 灰近千吨，属耗灰特大孔之列。 d 1 2 0 d 1 2 5 ：该处大理岩底板陡降两个台阶，高度分别是3 2 m 和3 0 m ，而 铁矿从无到有，从薄到厚，并有闪长岩在其中穿插，地质结构复杂。由于岩溶裂 隙发育，注浆时的耗灰量大，分析认为此处是一断层带。 d 1 3 1 - - d 1 4 1 ：在d 1 3 4 d 1 3 8 处的0 2 大理岩底板陡降3 5 m ，顶板随之凹陷。 0 2 - m 的顶板陡降2 1 m ，底板变化更急剧。d 1 3 9 钻探至4 8 7 5 6 m 未见其底。该处闪 长岩穿插，铁矿体形态复杂，厚度变化大，d 1 3 1 一d 1 4 1 的1 1 个钻孔中多处见 有角砾岩、角砾状构造、断层擦痕和断层泥，故判断此处为一规模较大的断层带。 ( 3 ) 裂隙岩溶发育的不均一性和水文地质条件的复杂性 裂隙岩溶发育的不均一性是正常的，各地都有这种现象，但表现形式却不一 样。由于裂隙岩溶发育不均一，导致水文地质条件的复什性，表现在以下诸方 面。 漏水量大的钻孔不一定耗灰量多。如d 7 4 在1 9 0 3 2 m 测得大理岩中的冲 洗液单位消耗量为1 2 7 4 l ( s m ) ，而该段仅注入水泥1 5 4 6 t 。造成此种现象 的原因一是冲洗液消耗量测量的误差较大，二是裂隙岩溶的性质不利于浆液的运 行。 溶洞多不一定耗灰多。例如d 1 1 9 孔0 2 一大理岩见溶洞3 个，总高度1 7 m ， 而注浆耗灰量仅7 5 2 t 。 后序次孔不一定耗灰少。j 1 2 处d 7 2 、d 7 3 中间，终孔与两孔的距离分别 是5 4 0 8 m 和9 2 2 4 m ，而耗灰量为1 2 4 2 6 5 t ，远远高出邻孔的6 1 6 6 6 t 和6 1 1 7 7 t 。 构造发育处耗灰量不一定多。d 1 3 1 - d 1 4 1 是一断层带，大理岩单位耗灰 量均在1 t m 左右，远低于2 4 4 6 t m 的平均水平。 ( 4 ) 大帷幕区南北间、东西间的水力差异 在大帷幕区内的中部东侧有一块缺失了大理岩含水层的地段。大帷幕区西 9 东北大学硕士学位论文第2 章工程地质与水文地质条件 侧，帷幕线d 7 0 d 9 2 间一2 4 0 一3 6 0 m 有一自南向北缓倾斜、厚度变化较大的 闪长岩体侵入，将大理岩分割成上下两部分。该闪长岩体向东延伸与前述缺失大 理岩区段接近。这一特殊的地质构造减弱了帷幕区内南部和北部大理岩的水力联 系。大帷幕区东西之间差异是逐渐过渡演变的，并没有明显的分界线。东部与小 帷幕相邻，受其影响明显，大理岩含水层较薄、较浅，水文地质条件相对简单。 西部大理岩较厚，埋藏较深；形态变化大，结构复杂，又是地下水的补给方向， 因之水文地质条件复杂。 ( 5 ) 大帷幕区和小帷幕区的水力联系 大帷幕区和小帷幕区理论上不应该有很强的水力联系，因为沿着7 号勘探线 建立了小帷幕堵水工程，而且幕内已采矿多年，幕内外的地下水位己拉开2 0 0 m 以上的水位差。但实际上两区之间有着一定的水力联系。大帷幕堵水工程竣工后， 1 9 9 7 年6 月一3 2 4 m 水平放水试验最大降深时，小帷幕区的排水量减少明显。且 3 0 号孔的水位下降6 7 5 m 。反之小帷幕在采某矿房时突水3 0 0 0 m 3 d ，亦使大帷 幕区观1 7 的地下水位下降5 m 左右。 - 1 0 - 建立 图、编 能，是 目前机械领域应用最广泛的c a d 软件之一。 a u t o c a d2 0 0 7 具有强大的绘图功能及应用方法和技巧，使用者能够利用 a u t o c a d2 0 0 7 软件方便、快捷地绘制工程图样和三维建模。其图形绘制功能包 括二维图形的绘制，二维图形的编辑，图层、特性和查询，文字和图案填充，图 块，标注尺寸，三维图形的绘制基础，绘制和编辑实体，三维图形的编辑，表格、 设计中心和工具选项板，外部参照和c a d 协同设计，绘制机械图，绘制建筑图， 图形的输出与打印等【1 4 1 。其三维建模功能已经足可以满足进行复杂三维地质建模 的需求。 在岩体工程中，地下岩体的稳定性是工程设计关注的重点之一。在地质体稳 定性分析系统中引入三维地质建模，可以提高综合分析效果。一个好