海底采礦覆巖變形破壞特征及臨界開采上限的物理模擬試驗研究*

李 光 王志文③ 馬鳳山 趙海軍 郭 捷

(①中國科學院地質與地球物理研究所， 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室， 北京 100029， 中國)

(②中國科學院地球科學研究院， 北京 100029， 中國)

(③中國科學院大學， 北京 100049， 中國)

0 引 言

隨著礦產資源消耗的日益增加，賦存地質條件較好的礦藏因長期開采而接近枯竭。自然界中賦存條件復雜的礦藏，尤其是水下礦體的開采，引起了普遍的關注(Rona， 2003； Liu et al.，2012)。全球范圍內的海底儲存大量未經開采的各類礦產資源，可以為未來人類可持續發展提供關鍵物質基礎(劉帥奇等， 2021)。

和陸上礦山開挖不同，濱海礦山開挖往往面臨上覆水體的威脅，礦井突涌水事件屢見不鮮。其中：濱海金屬礦山因其與海底煤礦特征不同，受水害威脅更加嚴重(Li et al.，2013； Sui et al.，2013)。海底金屬礦往往具有較大的傾角，陡傾礦體的開采不可避免會令不同深度的工作面在垂直方向上投影重疊，不同中段的巖體變形相互影響容易誘發大規模的變形破壞。此外，當上覆圍巖出現較大變形時，可能產生連接海底的導水通道，致使海水灌入礦山采空區。海水具有不易疏降處理、補給來源難以切斷等特點，因此，海底采礦通常設置隔水礦柱作為主要隔水措施，其中隔水礦柱厚度的選擇是關乎整個礦山工程安全、高效生產的關鍵問題(趙國彥等， 2009)。

在研究某些實際工程問題時，原位試驗和室內試驗很難開展，數值模擬試驗和理論推導方法又難以充分考慮工程地質條件的制約作用。針對這些不足，發展了地質力學模型試驗方法。該方法以相似原理為理論依據，結合具體的工程地質體選取合適比例進行縮尺度研究，能夠更真切地反映工程活動和地質體之間相互影響(李術才等， 2013； 楊寶全等， 2016； 劉聰等， 2018)。由于海底采礦工程地質條件復雜，使用物理模型試驗方法研究需要較高的工藝水平，并投入較大人力、物力，因此并不多見。陳紅江等(2010)采用相似物理模型試驗方法對水下開采頂板突水現象進行了研究。張杰(2011)考慮地下水的影響，設計了流固耦合的物理模型，并對保水采煤工作面的安全進距和基巖保護層厚度展開研究。徐乃忠等(2019)采用地質力學模型試驗針對新近系煤層開采沉陷及覆巖移動規律進行研究。目前，針對礦山開采引起的巖移變形主要集中在陸地煤礦，而針對海底金屬礦山研究較少。而且，以往對于隔水礦柱厚度選取主要基于概化的力學模型和經驗公式，采用物理模型試驗方法對具體地質環境條件下的研究較少。

綜上所述，本文選取我國唯一在采的濱海基巖金屬礦山三山島金礦新立礦區為研究對象，采用物理模型試驗方法，提取新立礦區典型地質剖面作為原型，重現礦山充填開采過程，闡明動態開采條件下海底礦山采空區圍巖變形破壞過程和特征，并給出新立礦區頂部隔離礦柱臨界開采上限。研究成果可為新立礦區臨界開采上限的確定提供理論基礎，也對相似地質條件下的礦山發展具有借鑒意義。

1 研究區工程地質條件

山東三山島金礦是我國首個發現并進行開采的濱海基巖金屬礦山，地處山東省煙臺市萊州市三山島鎮特別工業區，位于渤海南岸的濱海平原，北、西、南三面環海，東部是陸地(Zhao et al.，2012)。區內出露地層巖性簡單，主要為第四系沉積物及膠東群花崗巖。區內主要受三山島-倉上斷裂控制，探明金礦主要成生于斷裂的蝕變帶，可見圖1a(段學良等， 2019)。

圖1 研究區地質概況

三山島金礦劃分為新立和西山兩個礦區，其中新立礦區整體位于海平面以下，上覆海水，在開采過程中不具備自然排水的條件； 其頂部和控礦斷裂連接的第四系含水地層具有豐富的補給來源，和F1斷裂之間僅有一層亞黏土隔水層，在開采過程中有可能因巖移錯斷頂部隔水層，并使F1斷層滑移轉變為導水通道，對開采工作構成威脅(圖1b)。自2005年以來，新立礦區由-165m向下采用充填法采礦，在頂部設置了135m厚的隔水礦柱(段學良等， 2021)。新立礦區目前采用上向水平分層充填采礦法，選取全尾砂進行回填，采用鑿巖和爆破結合方式采礦。目前，底部礦體接近枯竭，而開采實踐證明，頂部隔水礦柱厚度設置相對保守，浪費了部分資源。因此，有必要基于礦區地質條件，重新厘定合理隔水礦柱厚度，給出三山島新立礦區合理開采上限。

2 研究區礦體開采物理模型試驗

2.1 物理模型概化

在物理模型設計過程中，要實現礦區構造，地應力和水文等條件的精細化刻畫，問題將會非常復雜。為此，根據所研究的主要問題對工程體原型進行適當的簡化，選取典型剖面作為原型(圖1c)，根據巖性組合和巖體結構特征進行相應的概化。該剖面礦體的厚度隨埋深增加(平均厚度40m)，且礦體上邊界基本與控礦斷裂F1相切，礦體和斷裂的傾角約45°。

綜合考慮試驗室條件及試驗工藝，將原型剖面概化為圖2所示的概化模型。巖體頂部的海底第四系沉積物厚度概化為35m厚。礦體概化為頂部20m寬，底部40m寬的四邊形。

圖2 研究區典型剖面概化圖

2.2 相似關系設計

根據量綱分析法，基于新立礦區復雜的工程地質條件，綜合考慮試驗目的和試驗設備，挑選幾個重要的指標來完成相似模擬(李光等， 2019a)。本試驗的主要研究內容是新立礦區在開采過程中的覆巖變形破壞規律及預設隔水礦柱高度。在地質力學模型試驗中，重力是誘發各種物理過程的重要作用力，在滿足幾何相似的條件下，要滿足重力場相同，這就要求實現相似材料的重度相似。在礦山開采的穩定性研究中，為保證模型和原型在開挖過程中的變形破壞特征相似，抗壓強度和彈性模量是不可或缺的重要指標。

因此，在模型試驗中主要分析以下物理量：礦區的幾何尺寸l、巖體的密度ρ、巖體彈性模量E、巖體抗壓強度UCS、重力加速度g、應力σ、位移d。應力和位移是試驗過程中的待求量。礦區的幾何尺寸l、巖體的密度ρ、巖體彈性模量E、巖體抗壓強度UCS反映了模型試驗的特征。將新立礦區各物理現象及參量表達為：

f(l，ρ，E，UCS，g，d，σ)=0

(1)

根據相似三定律，將地質體原型p與模型m間量綱相同的物理量比值定義為相似常數，以C來表示。根據試驗條件和試驗要求，結合前人模型試驗的經驗，本文模型試驗選取密度ρ、尺寸l作為控制量，各物理量相似常數見表1。

表1 相似關系設計表

2.3 相似材料配比

在物理模型搭建前，要根據原型特點，選擇合適的材料制備滿足相似關系的相似材料。相似材料配比的選取至關重要，是模型試驗成功與否的關鍵(李光等， 2019b)。研究區巖石力學參數如表2所示，根據選取的相似常數換算得到目標相似材料物理力學指標如表3所示(郭捷等， 2015； 李光等， 2020)。

表2 研究區巖石物理力學參數

表3 相似材料目標參數

本次試驗采用易于獲取的普通河砂為骨料，高強石膏和普通硅酸鹽水泥為膠結劑，速凝劑作為添加劑混合制作相似材料。依據國際巖石力學學會推薦，采用直徑50mm，高100mm的模具制造標準試樣，測量試件密度并進行單軸壓縮試驗。在相似材料配比試驗中，通過調節河砂、水泥、石膏之間的配比關系來實現相似材料參數的改變。砂膠比為河砂與水泥和石膏總和的質量比，水膏比為水泥和石膏的質量比。

本次試驗以重度，抗壓強度，彈性模量為主要考慮因素，采用均勻設計原理進行試驗，最終采用的相似材料配比及相應物理、力學參數見表4。隔水黏土層在模型中厚度較小，采用1cm厚的黏土在模型中體現，斷層采用薄層云母粉模擬(李光等， 2020)。

表4 相似材料配比及參數

2.4 物理模型試驗方案

試驗采用光學散斑測量系統來觀測模型在開挖試驗過程中的變形，系統由普通數碼相機、相機腳架、數字圖像相關法軟件GOM Correlate組成。數字圖像相關法是將試件變形前后的多幅數字圖像疊合對比，通過對相同點的位移變形計算獲取監測區域的變形信息，對試驗條件要求較少，并且具有全場測量、抗干擾能力強、測量精度高等優點。

試驗采用自主研發的液壓伺服綜合實驗平臺進行加載，綜合平臺采用伺服控制，整個平臺由模型箱、加載系統和控制系統3個部分組成，如圖3所示。模型箱的尺寸為160cm×20cm×100cm。加載系統采用電腦控制的油壓加載，豎向荷載為0～300kN，水平向荷載為0～300kN。本次試驗模擬的是自地表以下深度達350m范圍內的地質體，受實驗條件所限，水平方向并不能實現梯度加載，因此取實際埋深175m處水平地應力作為模型試驗中加載的地應力。根據該區地應力實測資料，通過相似關系換算出，實驗室需施加的水平荷載為4.2kN，模型邊界條件如圖4所示。

圖3 液壓伺服綜合試驗平臺

圖4 模型邊界條件示意圖

根據研究區實際開采現狀，首先對礦體-165m以下3個中段：-200～-165m中段、-240～-205m中段和-280～-245m中段進行充填開采，重點觀察開采過程中圍巖的位移變化。之后針對-165m以上預留的隔水礦柱進行逐步充填回采，主要目標是獲得上覆圍巖形成導水通道的臨界高度，進而確定開采臨界上限。

在礦體開采過程中，首先對模型施加水平荷載以模擬水平地應力，待荷載穩定后，對各中段進行開采。中段開采完成后，以開采殘渣混合水泥、石膏作為充填物對采空區回填。綜合考慮試驗成本和設備條件，每中段的開采時間間隔設置為1h，模型各中段具體開采充填狀況如圖5所示。

圖5 物理模型試驗過程

3 模型試驗結果分析

3.1 覆巖變形破壞特征

因試驗過程中出現了部分模型表皮脫落的現象，影響了散斑的質量。因此，在模型上選定7條散斑清晰的測線進行數據分析，繪制成如圖6所示系列曲線。

圖6 模擬開采全過程圍巖位移曲線圖

如圖6a所示，在-200～-165m中段開采時，采空區頂板和上盤礦體發生變形，最大變形發生在采空區和斷層之間的礦體處，變形量約為8.54cm，采空區底板和下盤巖體變形不明顯； 如圖6b所示，當開采-240m～-205m中段時，上盤區域向下的位移明顯增加，最大變形點出現在該開采中段的右上側和斷層之間，監測到的最大變形量達147.91cm。菱形采空區左下側區域圍巖發生卸荷回彈，出現明顯的豎向位移。隨開采向深部進行，歷史采空區相對于現采空區位于頂部，原采空區底板轉變成為現采空區頂板，頂部的變形逐步累加。頂部巖層受力狀態轉變為一端固定，一端受阻的懸臂梁式，上盤區域巖體呈連續、均勻式彎曲下沉； 如圖6c所示，工作面推進到-280～-245m中段時，采空區上盤圍巖變形呈漏斗狀，最大變形點位于該開采中段的右上方，最大變形量達149.45cm，這可能是受到了重復采動作用的影響。

下向開采階段完成后，轉入頂部礦體回采階段。如圖6d所示，對-160～-125m中段進行開采時發現，除現采空區頂板和上盤圍巖發生變形外，歷史采空區頂、底板和附近圍巖的變形量同步增加，最大變形點仍出現在下向開采第2個中段處。這可能是由于隨開采中段的增加，礦體附近圍巖承載力變弱，在右側邊界荷載作用下，上盤巖體向巖體強度較低的采空充填區移動，形成了淺部礦體開采，深部歷史采空區變形持續增大的現象； 如圖6e所示，對-120～-85m中段圍巖進行回采直至圍巖發生整體失穩破裂，礦體下盤圍巖在開采中段附近發生隆起現象，在上盤區域沉降劇烈，圍巖沿斷層兩側發生了差異性變形。

3.2 臨界開采上限確定

在礦體開采過程中，采場圍巖按距離由近到遠分為塌落區、屈服區、彈性變形區、未擾動區。塌落區巖體脫離母體，失去了承載力； 屈服區巖體完整性遭到破壞，尚未脫離母體，但在采動作用下極易轉化成塌落區； 彈性變形區離開挖空間最遠，其巖體受開挖影響僅發生彈性變形，不發生破壞。隨著礦山開采工作面拓展，現采空區受歷史采空區影響，其塑性變形區相比單一采空區更大，巖體移動范圍也更大，塌落巖體增加，巖體向采空區變形加劇； 這一過程降低了圍巖承載力，且在影響范圍擴大后，傳遞到地表引起變形。對淺部中段開采時即發生這一過程，首先在采空區頂部萌生拉裂紋(圖7a)，隨后裂紋擴展匯合，切割頂部巖體(圖7b)，引發頂部楔形坍塌(圖7c)，降低圍巖質量，斷層兩側的巖體發生錯動滑移(圖7d)。

圖7 覆巖變形破裂發育全過程

在受工程擾動之前，巖體中地應力場處于平衡狀態。針對局部礦體進行采掘會在巖體內部形成一個臨空區域，給巖體變形提供了空間。與此同時，圍巖在應力場的作用下向臨空方向發生卸荷回彈，在應力重分布作用下局部巖體應力集中，超過承載極限后發生破壞，和周圍巖體脫離，在適當的地質條件下可以達到新的平衡狀態。研究區在開采由深部轉為淺部的過程中，采空中段增加，采空區圍巖強度和承載力降低，斷層受到的阻滑力降低。在對-120m以上礦體進行開采時，淺部上盤巖體受重力影響較小，主要在水平應力作用下沿斷層產生明顯的“爬坡效應”。埋深相對較深的上盤巖體主要受重力作用影響，向采空區發生位移，沿斷層活動相對較弱； 在淺部采空區上盤形成拉應力集中區，產生水平裂紋。

綜上所述，對研究區典型剖面礦體頂部預留礦柱進行回采時發現，回采至-90～-85m中段時，圍巖在重分布應力的作用下無法達到新的平衡狀態，圍巖失穩發生變形破壞，最后導致頂板失去承載力，在采空區和頂部第四系之間形成了貫通破壞。此時的臨界開采高度為-85m，頂部預留隔離礦柱臨界厚度為50m。采空區和頂部含水層發生貫通破壞模式是斷層活化，采空區和頂部海水之間沿斷層發生較大錯動，形成海水灌入的通道。

4 結 論

濱海礦山開采過程中，對覆巖變形破壞規律及臨界開采上限的掌握是礦山安全、高效生產的關鍵，本文依托山東三山島金礦新立礦區，基于濱海礦山復雜的地質特征，采用室內地質力學模型試驗研究方法，重現了海下充填開采過程，獲得主要結論包括：

(1)采空區頂板和上盤礦體主要發生沉降變形，最大沉降發生在采空區和斷層之間的礦體處，上盤地表出現沉降中心； 下盤巖體臨近采空區附近發生隆起，在礦體頂部地表出現隆起中心，圍巖沿斷層兩側的變形表現出明顯的差異性。圍巖水平位移主要發生在礦體上盤和開采中段下盤受重分布應力作用影響較大的區域，位移指向采空區。

(2)隨著研究區礦體開采的不斷進行，采空區體積不斷增大，斷層所受阻滑力降低。深部礦體主要受豎直方向地應力控制，其變形破壞主要向采空區方向伸展，沿斷層的活動相對較弱。而淺部礦體則主要表現為沿斷層走向的變形破壞，更易誘發斷層失穩破壞。試驗結果顯示，三山島新立礦區的臨界開采高度為-85m，頂部預留隔離礦柱臨界厚度為50m。超過該臨界值時，采空區和頂部含水層發生貫通性破壞，其失穩模式為斷層活化。

本文在進行室內物理模型試驗時，未能按實際情況在礦體頂部施加真實水壓，在模型筑造和監測系統布設方面也存在考慮不周之處，未能獲取理想的試驗數據。后續應繼續開展考慮不同礦體傾角、礦體厚度、礦體-斷層間距等因素影響下的對比試驗，并將此次試驗中的不足逐步改善。