高阳铁矿水文地质条件与突水规律研究

论文摘要

金属矿产资源的短缺已经成为了国家经济发展的瓶颈,矿山的地下水问题是制约金属矿产能否安全开采的关键。本文以“十一五”国家科技支撑计划课题“复杂富水矿床开采关键技术开发与研究”为依托,以典型复杂富水矿床高阳铁矿为研究对象,对矿区水文地质条件、矿床突水风险及地下水对围岩稳定性的影响进行了从整体到局部的系统性分析和从定性化到定量化逐步深入的研究,为解放铁矿-285m水平矿体和地下水防治工作提供了理论性和实际性的指导作用。具体研究成果如下:1、矿区水文地质条件定性研究:运用系统论的观点分析了高阳铁矿所在淄博盆地的水文地质条件。在充分了解和分析矿区地质和水文地质的基础上,把淄博盆地按三个级别分为:淄博盆地一级水文地质单元、金岭矿区二级水文地质单元和高阳矿区三级水文地质单元。首先探讨各单元的边界条件、地下水的补给、径流、排泄等运移规律;然后从整体性、结构性、层级性和开放性四个系统观点分析了各单元和单元之间的联系和相互之间的关系;最后在系统论的指导下对高阳铁矿的地下水防治问题提出了几点建意,基本确定了矿坑涌水水源和地下水运移规律。2、矿床突水风险性半定量研究:以模糊数学为评判工具,对高阳铁矿矿体范围内地下水突水风险性进行模糊综合评价。首先选取了16个评价指标,通过专家打分法确定各指标的权重,并结合矿坑的实际情况确定分级标准;然后在分析矿坑巷道的打通情况和穿脉分布的基础上,把矿坑分为7个评价单元,并对各单元评价指标进行实际付值,获得各单元的评价矩阵;最后通过模糊综合评判的方法计算出各评价单元的隶属度,最终确定评价单元的突水风险性强弱,获得两个突水风险强区、两个突水风险较强区、两个突水风险弱区和一个突水风险中等区,并对评价结果进行分析,为高阳铁矿下一步地下水防治和采矿掘进提供指导性建议。3、巷道围岩稳定性定量研究:以有限元软件ANSYS为研究平台,对突水风险强区7号穿脉巷道围岩在地下水作用下对应力应变和稳定性的影响和变化规律,进行水-岩耦合三维数值模拟。首先深入分析7号穿脉的地质条件,建立地质模型;再通过抽象概化,建立计算模型;然后确定围岩参数和水-岩耦合下的软化区物理力学参数,通过ANSYS计算,得到模型结果;最后分析了考虑水-岩耦合和不考虑两种情况下,及在0m、12.5m、30.5m、75.5m、106.5m五种水压情况下的围岩位移、应力、应变、弹性应变和塑性应变的分布情况与变化规律,并评价了围岩稳定性,为高阳铁矿下一步注浆封堵和确定防水矿柱厚度提供数量化支持。除以上研究成果外,还取得了如下认识:1、通过对高阳铁矿半年多放水数据的处理,获得时间、涌水量和水压间的关系曲线,运用地下水动力学的基本理论对曲线的变化规律进行解析;选用合适的岩溶灰岩水的涌水量计算公式,通过最小二乘法求取相关参数,确定涌水量与地下水位之间的函数关系,并初步预测了不同地下水位时的单位涌水量。2、以前期抽水试验数据和放水试验数据为基础,通过比较矿区最大静水量和排水量之间的关系,探讨了高阳矿区三级水文地质单元内玉皇山断层的导通性,证明该断层在矿区范围内是导水的。3、以矿床充突水条件基本理论为指导,深入分析了高阳铁矿的突水条件,并确定了该铁矿的水文地质类型为矿体直接顶底板之一为层状岩溶含水层,另一为层状“隔”水层的岩溶水突水为主的水文地质复杂矿床。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的产生与研究意义
• 1.1.1 课题的产生
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 高阳铁矿的研究现状
• 1.2.2 系统论的国内外研究现状
• 1.2.3 模糊数学的国内外研究现状
• 1.2.4 数值模拟的国内外研究现状
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.4 主要创新点
• 第2章 高阳铁矿地质概况
• 2.1 高阳铁矿概况
• 2.2 矿区地质概况
• 2.3 水文地质条件
• 2.3.1 第四纪含水层
• 2.3.2 奥陶纪含水层
• 2.3.3 石炭、二跌纪含水层
• 第3章 矿区水文地质条件系统观分析
• 3.1 地下水系统概念
• 3.1.1 系统观概述
• 3.1.2 地下水系统概念
• 3.2 高阳矿区水文地质单元划分
• 3.2.1 淄博盆地一级水文地质单元
• 3.2.2 金岭矿区二级水文地质单元
• 3.2.3 高阳矿区三级水文地质单元
• 3.3 高阳矿区水文地质系统
• 3.3.1 淄博盆地地下水系统概念的建立
• 3.3.2 淄博盆地地下水系统的基本特征
• 3.3.3 系统观点对研究高阳铁矿地下水问题的指导作用
• 第4章 放水试验数据分析与玉皇山断层导通性研究
• 4.1 放水试验数据分析与涌水量预测
• 4.1.1 放水数据处理
• 4.1.2 放水数据地下水动力学解析
• 4.1.3 放水试验涌水量拟合
• 4.1.4 高阳铁矿涌水量初步预测
• 4.2 玉皇山断层导通性研究
• 第5章 高阳铁矿突水风险模糊综合评判
• 5.1 矿床突水条件分析
• 5.1.1 高阳铁矿的突水水源
• 5.1.2 高阳铁矿的突水通道
• 5.1.3 影响矿床突水程度和特征的因素
• 5.2 矿床水文地质复杂程度模糊综合评判
• 5.2.1 评价指标的选取
• 5.2.2 评价指标权重的确定
• 5.2.3 评价指标分级标准的确定
• 5.2.4 综合评判隶属度的确定
• 5.2.5 模糊综合评判
• 5.2.6 高阳铁矿水文地质复杂程度分析
• 5.3 矿床突水类型划分
• 5.3.1 矿床突水类型划分的要求
• 5.3.2 矿床突水类型分类
• 5.3.3 高阳铁矿突水类型划分
• 5.3.4 高阳铁矿水文地质类型最终定名
• 5.4 矿床突水风险模糊综合评价
• 5.4.1 评价指标的选取
• 5.4.2 评价指标权重的确定
• 5.4.3 评价指标分级标准的确定
• 5.4.4 模糊综合评判分区评价
• 5.4.5 高阳铁矿模糊评价结果分析
• 第6章 高阳铁矿水-岩耦合数值模拟研究
• 6.1 地质模型的确定
• 6.2 计算模型的确定
• 6.3 水-岩耦合分析
• 6.3.1 地下水对岩石软化区域的影响
• 6.3.2 地下水对岩石物理力学性质的影响
• 6.4 计算参数的确定
• 6.4.1 地压和水压的确定
• 6.4.2 物理力学参数的确定
• 6.5 数值模拟的计算结果
• 6.6 数值模拟的结果分析
• 第7章 结论与不足
• 7.1 结论
• 7.2 不足
• 参考文献
• 附图
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及参加的科研项目
• 致谢