海底采矿覆岩变形破坏特征及临界开采上限的物理模拟试验研究*

李 光 王志文③ 马凤山 赵海军 郭 捷

(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， 中国)

(②中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国)

(③中国科学院大学， 北京 100049， 中国)

0 引 言

随着矿产资源消耗的日益增加，赋存地质条件较好的矿藏因长期开采而接近枯竭。自然界中赋存条件复杂的矿藏，尤其是水下矿体的开采，引起了普遍的关注(Rona， 2003； Liu et al.，2012)。全球范围内的海底储存大量未经开采的各类矿产资源，可以为未来人类可持续发展提供关键物质基础(刘帅奇等， 2021)。

和陆上矿山开挖不同，滨海矿山开挖往往面临上覆水体的威胁，矿井突涌水事件屡见不鲜。其中：滨海金属矿山因其与海底煤矿特征不同，受水害威胁更加严重(Li et al.，2013； Sui et al.，2013)。海底金属矿往往具有较大的倾角，陡倾矿体的开采不可避免会令不同深度的工作面在垂直方向上投影重叠，不同中段的岩体变形相互影响容易诱发大规模的变形破坏。此外，当上覆围岩出现较大变形时，可能产生连接海底的导水通道，致使海水灌入矿山采空区。海水具有不易疏降处理、补给来源难以切断等特点，因此，海底采矿通常设置隔水矿柱作为主要隔水措施，其中隔水矿柱厚度的选择是关乎整个矿山工程安全、高效生产的关键问题(赵国彦等， 2009)。

在研究某些实际工程问题时，原位试验和室内试验很难开展，数值模拟试验和理论推导方法又难以充分考虑工程地质条件的制约作用。针对这些不足，发展了地质力学模型试验方法。该方法以相似原理为理论依据，结合具体的工程地质体选取合适比例进行缩尺度研究，能够更真切地反映工程活动和地质体之间相互影响(李术才等， 2013； 杨宝全等， 2016； 刘聪等， 2018)。由于海底采矿工程地质条件复杂，使用物理模型试验方法研究需要较高的工艺水平，并投入较大人力、物力，因此并不多见。陈红江等(2010)采用相似物理模型试验方法对水下开采顶板突水现象进行了研究。张杰(2011)考虑地下水的影响，设计了流固耦合的物理模型，并对保水采煤工作面的安全进距和基岩保护层厚度展开研究。徐乃忠等(2019)采用地质力学模型试验针对新近系煤层开采沉陷及覆岩移动规律进行研究。目前，针对矿山开采引起的岩移变形主要集中在陆地煤矿，而针对海底金属矿山研究较少。而且，以往对于隔水矿柱厚度选取主要基于概化的力学模型和经验公式，采用物理模型试验方法对具体地质环境条件下的研究较少。

综上所述，本文选取我国唯一在采的滨海基岩金属矿山三山岛金矿新立矿区为研究对象，采用物理模型试验方法，提取新立矿区典型地质剖面作为原型，重现矿山充填开采过程，阐明动态开采条件下海底矿山采空区围岩变形破坏过程和特征，并给出新立矿区顶部隔离矿柱临界开采上限。研究成果可为新立矿区临界开采上限的确定提供理论基础，也对相似地质条件下的矿山发展具有借鉴意义。

1 研究区工程地质条件

山东三山岛金矿是我国首个发现并进行开采的滨海基岩金属矿山，地处山东省烟台市莱州市三山岛镇特别工业区，位于渤海南岸的滨海平原，北、西、南三面环海，东部是陆地(Zhao et al.，2012)。区内出露地层岩性简单，主要为第四系沉积物及胶东群花岗岩。区内主要受三山岛-仓上断裂控制，探明金矿主要成生于断裂的蚀变带，可见图1a(段学良等， 2019)。

图1 研究区地质概况

三山岛金矿划分为新立和西山两个矿区，其中新立矿区整体位于海平面以下，上覆海水，在开采过程中不具备自然排水的条件； 其顶部和控矿断裂连接的第四系含水地层具有丰富的补给来源，和F1断裂之间仅有一层亚黏土隔水层，在开采过程中有可能因岩移错断顶部隔水层，并使F1断层滑移转变为导水通道，对开采工作构成威胁(图1b)。自2005年以来，新立矿区由-165m向下采用充填法采矿，在顶部设置了135m厚的隔水矿柱(段学良等， 2021)。新立矿区目前采用上向水平分层充填采矿法，选取全尾砂进行回填，采用凿岩和爆破结合方式采矿。目前，底部矿体接近枯竭，而开采实践证明，顶部隔水矿柱厚度设置相对保守，浪费了部分资源。因此，有必要基于矿区地质条件，重新厘定合理隔水矿柱厚度，给出三山岛新立矿区合理开采上限。

2 研究区矿体开采物理模型试验

2.1 物理模型概化

在物理模型设计过程中，要实现矿区构造，地应力和水文等条件的精细化刻画，问题将会非常复杂。为此，根据所研究的主要问题对工程体原型进行适当的简化，选取典型剖面作为原型(图1c)，根据岩性组合和岩体结构特征进行相应的概化。该剖面矿体的厚度随埋深增加(平均厚度40m)，且矿体上边界基本与控矿断裂F1相切，矿体和断裂的倾角约45°。

综合考虑试验室条件及试验工艺，将原型剖面概化为图2所示的概化模型。岩体顶部的海底第四系沉积物厚度概化为35m厚。矿体概化为顶部20m宽，底部40m宽的四边形。

图2 研究区典型剖面概化图

2.2 相似关系设计

根据量纲分析法，基于新立矿区复杂的工程地质条件，综合考虑试验目的和试验设备，挑选几个重要的指标来完成相似模拟(李光等， 2019a)。本试验的主要研究内容是新立矿区在开采过程中的覆岩变形破坏规律及预设隔水矿柱高度。在地质力学模型试验中，重力是诱发各种物理过程的重要作用力，在满足几何相似的条件下，要满足重力场相同，这就要求实现相似材料的重度相似。在矿山开采的稳定性研究中，为保证模型和原型在开挖过程中的变形破坏特征相似，抗压强度和弹性模量是不可或缺的重要指标。

因此，在模型试验中主要分析以下物理量：矿区的几何尺寸l、岩体的密度ρ、岩体弹性模量E、岩体抗压强度UCS、重力加速度g、应力σ、位移d。应力和位移是试验过程中的待求量。矿区的几何尺寸l、岩体的密度ρ、岩体弹性模量E、岩体抗压强度UCS反映了模型试验的特征。将新立矿区各物理现象及参量表达为：

f(l，ρ，E，UCS，g，d，σ)=0

(1)

根据相似三定律，将地质体原型p与模型m间量纲相同的物理量比值定义为相似常数，以C来表示。根据试验条件和试验要求，结合前人模型试验的经验，本文模型试验选取密度ρ、尺寸l作为控制量，各物理量相似常数见表1。

表1 相似关系设计表

2.3 相似材料配比

在物理模型搭建前，要根据原型特点，选择合适的材料制备满足相似关系的相似材料。相似材料配比的选取至关重要，是模型试验成功与否的关键(李光等， 2019b)。研究区岩石力学参数如表2所示，根据选取的相似常数换算得到目标相似材料物理力学指标如表3所示(郭捷等， 2015； 李光等， 2020)。

表2 研究区岩石物理力学参数

表3 相似材料目标参数

本次试验采用易于获取的普通河砂为骨料，高强石膏和普通硅酸盐水泥为胶结剂，速凝剂作为添加剂混合制作相似材料。依据国际岩石力学学会推荐，采用直径50mm，高100mm的模具制造标准试样，测量试件密度并进行单轴压缩试验。在相似材料配比试验中，通过调节河砂、水泥、石膏之间的配比关系来实现相似材料参数的改变。砂胶比为河砂与水泥和石膏总和的质量比，水膏比为水泥和石膏的质量比。

本次试验以重度，抗压强度，弹性模量为主要考虑因素，采用均匀设计原理进行试验，最终采用的相似材料配比及相应物理、力学参数见表4。隔水黏土层在模型中厚度较小，采用1cm厚的黏土在模型中体现，断层采用薄层云母粉模拟(李光等， 2020)。

表4 相似材料配比及参数

2.4 物理模型试验方案

试验采用光学散斑测量系统来观测模型在开挖试验过程中的变形，系统由普通数码相机、相机脚架、数字图像相关法软件GOM Correlate组成。数字图像相关法是将试件变形前后的多幅数字图像叠合对比，通过对相同点的位移变形计算获取监测区域的变形信息，对试验条件要求较少，并且具有全场测量、抗干扰能力强、测量精度高等优点。

试验采用自主研发的液压伺服综合实验平台进行加载，综合平台采用伺服控制，整个平台由模型箱、加载系统和控制系统3个部分组成，如图3所示。模型箱的尺寸为160cm×20cm×100cm。加载系统采用电脑控制的油压加载，竖向荷载为0～300kN，水平向荷载为0～300kN。本次试验模拟的是自地表以下深度达350m范围内的地质体，受实验条件所限，水平方向并不能实现梯度加载，因此取实际埋深175m处水平地应力作为模型试验中加载的地应力。根据该区地应力实测资料，通过相似关系换算出，实验室需施加的水平荷载为4.2kN，模型边界条件如图4所示。

图3 液压伺服综合试验平台

图4 模型边界条件示意图

根据研究区实际开采现状，首先对矿体-165m以下3个中段：-200～-165m中段、-240～-205m中段和-280～-245m中段进行充填开采，重点观察开采过程中围岩的位移变化。之后针对-165m以上预留的隔水矿柱进行逐步充填回采，主要目标是获得上覆围岩形成导水通道的临界高度，进而确定开采临界上限。

在矿体开采过程中，首先对模型施加水平荷载以模拟水平地应力，待荷载稳定后，对各中段进行开采。中段开采完成后，以开采残渣混合水泥、石膏作为充填物对采空区回填。综合考虑试验成本和设备条件，每中段的开采时间间隔设置为1h，模型各中段具体开采充填状况如图5所示。

图5 物理模型试验过程

3 模型试验结果分析

3.1 覆岩变形破坏特征

因试验过程中出现了部分模型表皮脱落的现象，影响了散斑的质量。因此，在模型上选定7条散斑清晰的测线进行数据分析，绘制成如图6所示系列曲线。

图6 模拟开采全过程围岩位移曲线图

如图6a所示，在-200～-165m中段开采时，采空区顶板和上盘矿体发生变形，最大变形发生在采空区和断层之间的矿体处，变形量约为8.54cm，采空区底板和下盘岩体变形不明显； 如图6b所示，当开采-240m～-205m中段时，上盘区域向下的位移明显增加，最大变形点出现在该开采中段的右上侧和断层之间，监测到的最大变形量达147.91cm。菱形采空区左下侧区域围岩发生卸荷回弹，出现明显的竖向位移。随开采向深部进行，历史采空区相对于现采空区位于顶部，原采空区底板转变成为现采空区顶板，顶部的变形逐步累加。顶部岩层受力状态转变为一端固定，一端受阻的悬臂梁式，上盘区域岩体呈连续、均匀式弯曲下沉； 如图6c所示，工作面推进到-280～-245m中段时，采空区上盘围岩变形呈漏斗状，最大变形点位于该开采中段的右上方，最大变形量达149.45cm，这可能是受到了重复采动作用的影响。

下向开采阶段完成后，转入顶部矿体回采阶段。如图6d所示，对-160～-125m中段进行开采时发现，除现采空区顶板和上盘围岩发生变形外，历史采空区顶、底板和附近围岩的变形量同步增加，最大变形点仍出现在下向开采第2个中段处。这可能是由于随开采中段的增加，矿体附近围岩承载力变弱，在右侧边界荷载作用下，上盘岩体向岩体强度较低的采空充填区移动，形成了浅部矿体开采，深部历史采空区变形持续增大的现象； 如图6e所示，对-120～-85m中段围岩进行回采直至围岩发生整体失稳破裂，矿体下盘围岩在开采中段附近发生隆起现象，在上盘区域沉降剧烈，围岩沿断层两侧发生了差异性变形。

3.2 临界开采上限确定

在矿体开采过程中，采场围岩按距离由近到远分为塌落区、屈服区、弹性变形区、未扰动区。塌落区岩体脱离母体，失去了承载力； 屈服区岩体完整性遭到破坏，尚未脱离母体，但在采动作用下极易转化成塌落区； 弹性变形区离开挖空间最远，其岩体受开挖影响仅发生弹性变形，不发生破坏。随着矿山开采工作面拓展，现采空区受历史采空区影响，其塑性变形区相比单一采空区更大，岩体移动范围也更大，塌落岩体增加，岩体向采空区变形加剧； 这一过程降低了围岩承载力，且在影响范围扩大后，传递到地表引起变形。对浅部中段开采时即发生这一过程，首先在采空区顶部萌生拉裂纹(图7a)，随后裂纹扩展汇合，切割顶部岩体(图7b)，引发顶部楔形坍塌(图7c)，降低围岩质量，断层两侧的岩体发生错动滑移(图7d)。

图7 覆岩变形破裂发育全过程

在受工程扰动之前，岩体中地应力场处于平衡状态。针对局部矿体进行采掘会在岩体内部形成一个临空区域，给岩体变形提供了空间。与此同时，围岩在应力场的作用下向临空方向发生卸荷回弹，在应力重分布作用下局部岩体应力集中，超过承载极限后发生破坏，和周围岩体脱离，在适当的地质条件下可以达到新的平衡状态。研究区在开采由深部转为浅部的过程中，采空中段增加，采空区围岩强度和承载力降低，断层受到的阻滑力降低。在对-120m以上矿体进行开采时，浅部上盘岩体受重力影响较小，主要在水平应力作用下沿断层产生明显的“爬坡效应”。埋深相对较深的上盘岩体主要受重力作用影响，向采空区发生位移，沿断层活动相对较弱； 在浅部采空区上盘形成拉应力集中区，产生水平裂纹。

综上所述，对研究区典型剖面矿体顶部预留矿柱进行回采时发现，回采至-90～-85m中段时，围岩在重分布应力的作用下无法达到新的平衡状态，围岩失稳发生变形破坏，最后导致顶板失去承载力，在采空区和顶部第四系之间形成了贯通破坏。此时的临界开采高度为-85m，顶部预留隔离矿柱临界厚度为50m。采空区和顶部含水层发生贯通破坏模式是断层活化，采空区和顶部海水之间沿断层发生较大错动，形成海水灌入的通道。

4 结 论

滨海矿山开采过程中，对覆岩变形破坏规律及临界开采上限的掌握是矿山安全、高效生产的关键，本文依托山东三山岛金矿新立矿区，基于滨海矿山复杂的地质特征，采用室内地质力学模型试验研究方法，重现了海下充填开采过程，获得主要结论包括：

(1)采空区顶板和上盘矿体主要发生沉降变形，最大沉降发生在采空区和断层之间的矿体处，上盘地表出现沉降中心； 下盘岩体临近采空区附近发生隆起，在矿体顶部地表出现隆起中心，围岩沿断层两侧的变形表现出明显的差异性。围岩水平位移主要发生在矿体上盘和开采中段下盘受重分布应力作用影响较大的区域，位移指向采空区。

(2)随着研究区矿体开采的不断进行，采空区体积不断增大，断层所受阻滑力降低。深部矿体主要受竖直方向地应力控制，其变形破坏主要向采空区方向伸展，沿断层的活动相对较弱。而浅部矿体则主要表现为沿断层走向的变形破坏，更易诱发断层失稳破坏。试验结果显示，三山岛新立矿区的临界开采高度为-85m，顶部预留隔离矿柱临界厚度为50m。超过该临界值时，采空区和顶部含水层发生贯通性破坏，其失稳模式为断层活化。

本文在进行室内物理模型试验时，未能按实际情况在矿体顶部施加真实水压，在模型筑造和监测系统布设方面也存在考虑不周之处，未能获取理想的试验数据。后续应继续开展考虑不同矿体倾角、矿体厚度、矿体-断层间距等因素影响下的对比试验，并将此次试验中的不足逐步改善。