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。……