海底金属矿床开采突水机理研究

随着陆地矿产资源的日益枯竭，海洋矿床的开采已成为人类开发的重点。但由于受到海水渗透的直接威胁，使得矿床的开采难度加大。海底采场是一个由多场（应力场、渗流场）及不同介质（海底孔隙介质、基岩裂隙介质）组成的复杂系统，高强度采掘引起扰动与多场耦合作用，造成了覆岩移动、海底沉陷、断层活化和裂隙扩张等时效变形，同时也影响和控制了海水的渗流及突水灾害的形成和演化。本项目针对海底矿床开采的特殊性，以我国首例进行滨海开采的金属矿山-三山岛金矿新立矿区为研究背景，立足矿床开采的条件与特点，深入地研究和论证地下开采作为一种工程动力地质作用对采场覆岩结构的扰动规律，阐明在海水压力、覆岩自重、复杂应力和开采扰动联合作用下岩层变形破坏的形成过程以及由此引发的海水渗流规律，揭示多场耦合作用下矿井突水的机理与演化模式，建立海水渗流动态识别模型与临突预报方法。研究成果可为海底金属矿床的安全开采提供重要的科学依科学依据。

本项目以三山岛金矿新立海底矿区开采为研究背景，立足海底矿床开采的条件与特点，围绕矿坑突水这一关键问题，开展了系统研究和工程实践。.结合以往物探资料和现场水文地质调查数据，分别从优势导水裂隙分析、监测水点流量时序变化和数值模拟三个方面对矿区围岩裂隙网络演化及其渗透性变化进行了分析。导水裂隙的演化可以反映矿山整体围岩的裂隙演化，主要受矿山开采和地应力调整的控制。新立矿体薄板状倾斜分布特征，使得倾向两侧围岩内易产生近平行于采场长壁方向的采动张裂隙；当采空区的上覆岩层在重力作用下发生沉降时，采场走向端部的上覆岩体易发生张拉破坏，这些张裂隙成为新立矿山地表水体下渗的主要通道。矿山采用充填采矿法，提前使围岩由卸载收敛转入挤压收敛状态，这一过程必然导致采动诱发张裂隙的闭合，尤其是近平行于采场走向方向张裂隙的闭合，而导水裂隙的闭合使得围岩渗透性明显减弱。新立矿区整体由浅入深的采矿顺序决定了矿山浅部开采诱发裂隙首先进入闭合状态，从而减小了上部地表水体对矿山的整体补给。.考虑采空区上覆岩层自重、地应力以及海水压力，构建了海底矿床开采的地质力学模型，采用数值模拟方法分析了矿体开挖引起的围岩变形和次生应力传播规律，探讨了矿体开挖引起的断层活化机理和矿坑突水的断层效应，分析了新立矿山水文地质防突结构特征，确定了矿坑可能的突水模式及突水位置。认为新立矿区可能存在两类突水类型，分别是回采影响断层型突水和掘进沟通型突水，突水隐患主要来自地表海水。矿山可能性最大的突水模式为控矿主断裂F1滑动突水和次级断裂F2张裂突水。F2由于处在新立矿与西山矿沉降区边界位置，易受地表拉伸作用影响增大其张开度，从而增加通过F2的巷道突水危险。当采空区形成一定规模后势必会导致F1滑动，从而破坏现有的断层泥隔水结构，并因剪胀作用形成突水通道，断层的滑动部位易发生在断层浅部靠近地表水体的部位，随着地下开采规模的不断扩大，不同的采矿顺序最终都将使得F1断层顶部产生滑动。.在以往水点检测数据的基础上，将主成分分析法和最大似然法相结合提出矿山海水渗流动态识别的有效方法。该方法能够避免混合比计算过程中假定的混合端元所带入的不确定信息，从所取混合水样入手采用最小二乘原则计算出最大可能的混合比，能够主动检验端元组合的正确性，并能指引合理选择端元进行计算，避免多次采集确定端元水样成分，这对海底矿山巷道涌水中海水识别具有重要意义。