海底倾斜矿体开采沉陷预测研究

doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.522

海底倾斜矿体开采沉陷预测研究

曹家源^,¹^,²^,³, 马凤山^,¹^,², 郭捷¹^,², 张国栋⁴, 李兆平⁴

1. 中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029

2. 中国科学院地球科学研究院，北京 100029

3. 中国科学院大学，北京 100049

4. 山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东莱州 261442

Study on Subsidence Prediction of Inclined Orebody Cut and Fill Mining in Seabed

CAO Jiayuan^,¹^,²^,³, MA Fengshan^,¹^,², GUO Jie¹^,², ZHANG Guodong⁴, LI Zhaoping⁴

1. Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

2. Institutions of Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

4. Sanshandao Gold Mine, Shandong Gold Mining (Laizhou) Co. , Ltd. , Laizhou 261442, Shandong, China

通讯作者: 马凤山（1964-），男，河北吴桥人，研究员，博士生导师，从事地质工程与地质灾害研究工作。fsma@mail.iggcas.ac.cn

收稿日期: 2018-07-31 修回日期: 2019-01-03 网络出版日期: 2019-08-08

基金资助:

国家自然科学基金项目“海底采矿对地质环境的胁迫影响与致灾机理”. 41831293
“金属矿山地下采动引起的竖井变形破坏机理研究”. 41772341

Received: 2018-07-31 Revised: 2019-01-03 Online: 2019-08-08

作者简介 About authors

曹家源（1990-），男，山东威海人，博士研究生，从事矿山地质工程与地质灾害研究工作313052383@qq.com , E-mail：313052383@qq.com

摘要

三山岛金矿新立矿区是我国唯一一座海底金属矿山，其对开采技术的要求较高，海下开采遇到了严重的安全问题，其中海底移动变形对采矿安全造成重大威胁。金属矿开采所引起的覆岩移动和变形是一个复杂的力学问题，掌握采空区覆岩体采动岩体移动规律和实现对覆岩沉陷的有效预测是新立矿区亟待解决的重要课题。通过对新立矿区井下55线各中段石门巷道顶板位移进行监测，得到了充填法开采倾斜金属矿体的覆岩移动和变形特征。在此基础上，提出了倾斜金属矿体充填采矿法引发覆岩内部移动和变形的悬臂梁机制。最后，通过分析顶板位移监测数据和位移曲线特征，提出了倾斜矿体充填法开采覆岩沉陷预测的轮廓函数方法。该方法由几个指数函数组成，采用该方法得到的沉陷预测曲线与实测结果十分接近，预测准确率都在85%以上。该研究结果对海底矿山的安全生产具有重要的指导意义。

关键词： 倾斜矿体 ; 覆岩移动 ; 轮廓函数法 ; 沉陷预测 ; 海底金属矿山 ; 矿山安全 ; 三山岛金矿

Abstract

Xinli mining area of Sanshandao gold mine is the only undersea metal mines in China，its mining technology demand is higher，and also have serious security problems.At present，at home and abroad，the research on the prediction of rock mass movement and surface subsidence caused by coal mining is relatively mature，and a variety of practical subsidence models and realistic surface subsidence prediction methods are formed.However，most large and medium metal mines are mined using filling methods.The effect of repeated mining not only makes the mines face new deformation and damage of the filling body，and with the continuous expansion of the scale of the filling body，the large-scale deformation and destruction of the filling body further complicates the movement of rock mass.Finally，threatening the safe production of mines.With the popularization of filling mining methods，the law of rock mass movement and surface deformation caused by filling mining has become an urgent problem to be solved.The in-depth study of this problem can provide the basis for rock movement and surface settlement for the safe mining design of submarine mines，and provide a conceptual model for the prediction of rock mass movement and surface settlement caused by mining.So，grasping mining-induced movement rules of overburden above goaf and realizing valid predictions for overburden movement are the problems to be solved for Xinli seabed gold mine.The monitoring of the displacement of rock mass is a direct means to study the movement and deformation of rock mass caused by inclined orebody mining.The movement and deformation characteristics of inclined overburden in mining by filling method are obtained by monitoring the displacement of roof of each level of the 55 lines underground in Xinli mining area.On this basis，the paper firstly proposed a cantilever mechanism to explain movement and deformation in overburden rocks triggered by cut and fill mining method in metal mines with inclined veins.Based on the analysis of the displacement monitoring data of roof，and according to the characteristics of the displacement curve，the profile functions method is proposed to predict the subsidence of inclined overburden in mining by filling method.The method consists of several exponential functions and the subsidence curve obtained by this method is very close to the measured results.And the accuracy of the prediction is all above 85%.Therefore，the research results have important guiding significance for the safe production of submarine mines.

Keywords： inclined orebody ; overburden movement ; profile function method ; subsidence prediction ; submarine metal mine ; mine safety ; Sanshandao gold mine

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本文引用格式

曹家源, 马凤山, 郭捷, 张国栋, 李兆平. 海底倾斜矿体开采沉陷预测研究[J]. 黄金科学技术, 2019, 27(4): 522-529 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.522

CAO Jiayuan, MA Fengshan, GUO Jie, ZHANG Guodong, LI Zhaoping. Study on Subsidence Prediction of Inclined Orebody Cut and Fill Mining in Seabed[J]. Gold Science and Technology, 2019, 27(4): 522-529 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2019.04.522

近年来，金属矿山的开采直接诱发了多种地质灾害。其中，地表沉降已成为矿山工程中破坏性最大、影响范围最广的地质灾害，给矿山和社会带来了重大生命财产损失^[1,2,3,4,5]。目前，国内外学者对煤矿开采导致的岩体移动和地表沉陷预测问题的研究比较成熟，形成了多种实用的沉陷模型和符合实际的地表沉陷预测方法，包括经验法、影响函数法、分析模型法、物理模型法和数值模拟法等^{[6,7,8,9,10,11]}。然而，将这些理论运用到倾斜矿体开采沉陷预测中还是不切实际，主要原因有^{[12,13,14,15]}：沉降最大值与顶板厚度之间的关系不明确；地表沉降曲线的非对称性及沉降中心的偏移；竖直沉降量最大值点有可能不止一个；开挖空间倾斜方向上开采程度的变化。因此，在煤矿开采中应用较成熟的岩体移动和沉陷预测理论，无法直接应用于金属矿山。但仍有学者尝试将水平矿体开采地表沉陷预测方法拓展应用至倾斜矿体开采地表沉陷预测中，如Kratzsch^[16]利用改进的影响函数法预测倾斜地表沉陷；戴华阳等^[17]将概率积分法影响函数矢量分解并加以竖直分量的水平位移参数,推导出倾斜煤层开挖地表沉陷预测公式；李永树^[18]采用随机介质理论、叠加原理和曲面积分方法推导出不规则地下空间开挖引起的地表沉陷预测公式。这些方法虽然能够描述地表下沉曲线的波状形态，但都不能从岩层或岩体移动机理上给予说明，且在有断裂存在的情况下，这些公式都不能很好地反映岩体移动^[19]。此外，为考虑矿山生产安全和地表环境保护，大部分大中型金属矿山使用充填法进行开采。重复采动的影响不仅使矿山开采面临新的充填体变形破坏问题，而且随着矿山充填体规模的不断扩大，大规模充填体的变形破坏又使得矿山开采岩体移动的过程进一步复杂化，最终威胁矿山的安全生产。随着充填采矿方法的普及，认识充填开采导致的岩体移动和地表变形规律已成为一个亟待解决的问题。

三山岛新立矿区是一座海底金属矿山，充填开采引起的覆岩变形、破坏有可能导致海床隔水层破坏和海水浸入，从而造成重大安全事故。特别是海床下矿体的快速、高强度回采及井下大爆破，都会引起海床的不均匀变形和沉降，这种不均匀变形和沉降与矿体倾角、开采厚度、开采时间、矿岩特性及回采顺序等有关，各种不利因素的叠加可能导致上覆岩层与顶板的变形相对集中，在开采区域内出现较大沉降与变形，超出安全允许范围。此外，三山岛金矿属于海底开采，在水压和岩体内部渗流的作用下，开采引起的岩体移动规律变得更为复杂。因此，监测围岩的移动、认识岩体变形规律和有效预测覆岩沉陷便成为大规模海底开采亟需解决的首要问题。对该问题的深入研究，可以为海底矿山安全开采设计提供岩体移动及地表沉降依据，为矿山开采引起的岩体移动及地表沉降预测提供概念模型。

1 新立矿区工程地质条件

1.1 矿体几何条件与地质特征

新立金矿位于山东省莱州市三山岛镇新立村西北部边缘的王河入海口附近（图1），矿体受控于F1控矿断裂，位于海水之下。矿区东北侧为一小的窿起（三山岛），东南面为滨海平原，北西两面濒临渤海。其中，矿区东北翼已建立了3条竖井和1条回风井，-165 m回风巷道以下开拓了10个开采中段，分别为-200，-240，-320，-360，-400，-440，-480， -520，-560，-165 m中段，-165 m回风巷道以上开拓了-135，-105 m 2个探矿巷道。新立矿区浅部中段开拓分布示意图如图2所示。

图1

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图1 新立矿区金矿床分布图

Fig.1 Distribution map of gold deposit in Xinli mining area

1.第四系；2.玲珑序列崔召单元；3.马连庄序列栾家寨单元；4.实测及推测断层；5.金矿体

图2

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图2 新立矿区东北翼浅部中段开拓分布图

Fig.2 Open-up distribution map of shallow middle section in the northeastern part of Xinli mining area

新立矿区东北翼段F1主断裂带自北东23勘探线入海至119勘探线，控制长度为1 300 m，发育于新元古代震旦期玲珑超单元与新太古代五台—阜平期马连庄超单元接触带内带的二长花岗岩内。F1断裂经历了成矿前的左行压扭性活动、成矿期的右行压扭性活动和成矿后的左行压扭性活动。新立断裂经成矿期右行压扭后，主压应力方向转变为与成矿前相似的NW-SE向，并继续进行左行压扭，强度大且持续时间长。成矿前和成矿期形成的结构面被强烈改造，主裂面成为压扭性构造面，倾角为46°，并形成连续稳定的断层泥。

1.2 岩石特征

矿区基岩成分主要为岩浆岩和变质岩，以灰白—灰黑色断层泥为标志的主裂面沿蚀变带近顶板处连续发育。蚀变岩分带明显，沿走向、倾向呈带状展布，由上盘至下盘依次为黄铁绢英岩化花岗岩（γJH）、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩（SγJH）、断层泥（主裂面）、黄铁绢英岩化碎裂岩（SJH）、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩（SγJH）和黄铁绢英岩化花岗岩（γJH），如图3所示。上述花岗质碎裂岩带局部缺失，分布不连续，各蚀变带间岩层渐变过渡。主裂面以下蚀变矿化程度随着其与主裂面距离的增大而变弱，最靠近主裂面的碎裂岩带蚀变与矿化最剧烈，矿区主矿体赋存在主裂面以下35 m范围内的碎裂岩带内。金矿化特征是黄铁绢英岩化的碎裂岩带主要呈浸染状和细脉状，而黄铁绢英岩化的花岗岩带和花岗质碎裂岩带主要呈细脉状和网脉状。

图3

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图3 31线断裂蚀变带地质剖面图

Fig.3 Geological section of 31 line fractured alteration zone

1.3 工程岩体的外部作用

由于新立矿区海底不允许塌陷，且对贵金属的回采率要求高，就开采条件而言，倾斜中厚—薄层矿体（矿岩）条件中等，对采矿方法的选择有很大的制约性，充填采矿法是唯一可供选择的海底开采方法。主要采用竖井加平巷开拓的点柱式上向分层充填采矿法进行开采，其中-200 m标高及以上中段段高为30~35 m；-200 m标高以下中段段高为40 m。各中段沿脉巷道布置在矿体下盘脉外30~50 m。盘区沿走向布置，长度为100 m，矿体厚度为20～30 m，高度为40 m，底柱高度为5 m，顶柱高度为2 m，点柱沿走向间距为16 m，垂直走向间距为12 m，采场分层回采高度为2.5 m，保持充填后留约1.0 m作为下一分层落矿的补偿空间。

2 倾斜矿体开采沉陷预测

充填采矿法能够有效控制上覆岩层的移动变形，减小地表沉降，实现了“三下”矿产的成功开采，这已在国内外大多数煤矿和非煤矿山开采实践中被证实。充填体的及时充填和较高的早期强度能够有效减缓围岩移动，从而保证采场的安全稳定。尽管采用充填法进行开采可以缓解围岩移动和变形，但由于充填不及时、不饱满，导致矿山生产期内并不能在很高程度上保证围岩和地表不发生下沉、变形和破坏。因此，有必要对新立矿区岩体移动和变形规律进行研究，并对开采沉陷进行预测。

2.1 新立矿区各中段石门巷道顶板位移监测

为了研究新立矿区覆岩移动变形规律，在各中段55线石门巷道顶板设置了一系列位移监测点。各中段监测点布设如图4所示，图中从上到下依次为-200，-240，-320，-400，-480 m中段。在靠近矿体的部位监测点设置密集，在远离矿体的部位监测点设置稀疏，间隔约为50 m。从2015年11月17日开始，采用井下水准测量方法对顶板位移进行监测，在此期间共监测5次，一直监测到2016年8月8日。

图4

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图4 各中段监测点布设图

Fig.4 Layout diagram of monitoring points in each level

2.2 监测结果及分析

新立矿区井下55线各中段石门巷道顶板位移监测结果如图5所示（图中虚线为各中段沉降位移为0时初始点的连线）。需要指出的是，巷道顶板位移是由巷道自身的收敛位移和受矿体开采影响所产生的位移决定的。由于时间效应，可以近似地认为巷道自身的收敛位移已接近于0。因此，所监测到的巷道顶板位移是由矿体开采所产生的。从各中段监测点的最终形态来看，充填法不能完全阻止岩体移动和变形。在倾斜矿体开采期间，矿体的上下盘岩体都向矿体移动，并且越靠近采区则位移越大，远离采区则位移越小。-200，-240，-320 m中段位移较大，最大位移量可达-51 mm；-400，-480 m中段位移较小，其中，-480 m中段基本不产生位移。虚线水平凸向上盘方向。

图5

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图5 新立矿区井下位移监测曲线（沉降值扩大100倍）

Fig.5 Underground subsidence monitoring curve of Xinli mining area (settlement value increases by 100 times)

注：图中虚线为各中段沉降位移为0时初始点的连线

2.3 充填开采倾斜矿体覆岩移动和变形机制

根据井下位移监测结果，可以将新立采空区上盘岩体内部移动和变形看作是悬臂梁的弯曲变形，裂隙的发育决定着悬臂梁倾角与矿体倾角相一致。矿体倾角决定了覆岩悬臂梁的倾角，不同倾角的矿体开采，会影响覆岩自重应力与水平构造应力对覆岩悬臂梁的作用角度。在垂直方向上，浅部时覆岩自重应力为主要作用力，深部时水平构造应力为主要作用力；在水平方向上，随着基岩离采空区距离的增加，受裂隙发育程度的影响，悬臂梁机制出现分化，风化程度较大的浅部基岩在自重应力作用下仍然以悬臂梁机制变形为主，风化程度小且裂隙不发育的深部基岩则在水平构造应力作用下以水平构造应力卸载变形为主（图6）。

图6

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图6 充填开采倾斜矿体覆岩移动和变形机制

Fig.6 Movement and deformation mechanism of overlying strata triggered by cut and fill mining method in inclined mining

注：α表示矿体倾角；θ表示最大下沉角；γ表示上山移动角；β表示下山移动角

2.4 轮廓函数法

从55线各中段石门巷道顶板位移监测结果曲线形态（图5）来看，沉降曲线具有非对称性，沉降中心发生偏移，并且竖直沉降量最大值点不止一个。由于倾斜矿体开采时沉降曲线较为复杂，故传统水平矿体开采地表沉降预测方法不能直接用于倾斜矿体开采地表沉陷预测。因此，采用轮廓函数方法对倾斜矿体开采地表沉陷进行预测。该方法基于统计学原理，不仅能快速、简单地获得满意的结果，而且适用于倾斜矿体和直立矿体的沉降预测。该方法假设覆岩有2种类型的运动：一是由于岩层的弯曲和破裂而发生垂直于矿体的运动；二是由于岩层的剪切和滑动而发生平行于矿体的运动。除此之外，轮廓函数的运用还必须满足以下3个假设条件（图7）：

图7

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图7 轮廓函数示意图

Fig.7 Schematic of profile function

注：α表示矿体倾角；θ₀和θ₀₁表示最大下沉角；β_0、β₀₁和β_OM表示下山移动角

（1）每个开采中段对沉陷的影响都是独立的，且都有各自的沉陷曲线；

（2）沉陷曲线可以由以下指数函数表示：

z (x) = D \times e^{- {(\frac{x - x_{0}}{B})}^{2}}

（1）

式中： $x$ 为初始点的坐标到工作面顶板的水平距离； $z (x)$ 为该点的沉降值。在 $x$ ₀处函数具有最小值，D为最小值点所对应的最小值。

（3）遵循叠加原理，总的沉降曲线是各自沉陷曲线的总和。

因此，总的沉陷曲线是多个指数函数之和，可表示为

z (x) = D_{1} \times e^{- {(\frac{x - x_{01}}{B_{1}})}^{2}} + D_{2} \times e^{- {(\frac{x - x_{02}}{B_{2}})}^{2}} + \dots + D_{n} \times e^{- {(\frac{x - x_{n}}{B_{n}})}^{2}}

（2）

式中：x为初始点的坐标到工作面顶板的水平距离；z(x)为该点的沉降值。在x₀₁、x₀₂和x₀_n处函数具有最小值，D₁、D₂和D_n为最小值点所对应的最小值。2B₁、2B₂和2B_n为半个沉陷曲线的宽度。

2.5 预测结果

运用轮廓函数方法对55线各中段石门巷道顶板位移进行预测。在计算和调整过程中，因地下开采而引起的沉陷预测曲线的基本参数就确立了，所得到的参数如表1所示。得到的预测沉陷曲线与实测数据对比如图8所示，图中黑点为实测数据，曲线为预测的沉陷曲线。-200，-240，-320，-400，-480 m中段预测的准确率依次为85.16%，95.38%，97.32%，85.79%，98.08%。因此，从图8及预测准确率可以得出，采用轮廓函数法对倾斜矿体开挖引起的沉陷进行预测是可靠的。

表1 沉陷预测曲线参数

Table 1 Parameters of subsidence prediction curve

参数	中段/m
参数	-200	-240	-320	-400	-480
x₀₁	-18.83	-10.28	-13.18	2.124	0.857
B₁	143.6	194	186.6	523.4	347
D₁	37.27	51.73	24.85	134.3	3.941
x₀₂	-28.38	-9.577	-7.194	0.5013	1.698
B₂	268.7	335.1	242.5	310.2	229.5
D₂	132.6	134.6	42.97	493.3	7.9e+5
x₀₃	21.76	11.96	-16.07	-12.31	-19.8
B₃	499.2	527.8	303.8	239.5	57.83
D₃	14.86	16.13	164.9	66.91	30.14
x₀₄	-	-	-	-	-4.921
B₄	-	-	-	-	138.1
D₄	-	-	-	-	29.5

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图8

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图8 预测沉降曲线与实测数据比较

Fig. 8 Comparison of predicted settlement curve and measured data

3 结论

新立矿区金矿体位于海水之下，为防止海水渗入井下，必须及时有效地控制地表变形。通过对新立矿区井下55线各中段石门巷道顶板位移的监测结果进行分析，采用轮廓函数方法对各中段石门巷道顶板位移进行了预测，得到以下结论：

（1）充填采矿法不仅能最大限度地回采各种复杂地质条件下的矿体和深部矿体，而且可以在一定程度上保证地表不出现塌陷，因此被广泛应用于金属矿床开采中。然而，由于充填不及时和充填结顶率等问题，矿山生产期内不能在很高程度上保证围岩和地表不发生下沉、变形和破坏。

（2）井下岩体位移监测是研究倾斜矿体开采引起的岩体移动和变形规律的直接手段。矿区井下55线各中段石门巷道顶板位移监测结果显示，矿体开采对上盘岩体的影响范围较大，而对下盘岩体的影响范围很小，而且越靠近矿体，岩体下沉量越大。各中段沉降位移为0时初始点的连线凸向上盘方向。

（3）由于矿山水平构造应力的影响，倾斜矿体上盘覆岩内部移动变形机制类似悬臂梁弯曲变形。在垂直方向上，浅部时覆岩自重体积力为主要作用力，深部时则水平构造应力为主要作用力；在水平方向上，随着基岩离采空区距离的增加，受裂隙发育程度的影响，悬臂梁机制出现分化，风化程度较大的浅部基岩在自重体积力作用下仍然以悬臂梁机制变形为主，风化程度小且裂隙不发育的深部基岩则在水平构造应力作用下主要以水平构造应力卸载变形为主。

（4）根据监测的位移曲线特征，提出了采用轮廓函数方法对充填法开采倾斜矿体覆岩沉降进行预测。利用该方法所得到的沉降预测曲线与实测结果十分接近，同时预测结果的准确率都在85%以上，最高准确率达98.08%。因此，采用轮廓函数法对矿区沉陷进行预测是可靠的。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

杜国栋，李晓，丁恩保 .

矿体倾角对地表沉降的影响研究

［J］.金属矿山，2006（2）：9-11.