采動影響下地表移動變形監(jiān)測及模擬研究

王洋　王碩　唐志新　李志勇　肖明　吳迪

摘要：掌握礦山重大風險災害總體情況，明確其發(fā)展動態(tài)，并進行監(jiān)測分析、預警及預報，對礦山安全監(jiān)管與減少事故有著重要的現(xiàn)實意義。以某鐵礦開采為工程背景，對地表及河床的移動和變形進行了分析研究，通過建立COMSOL數(shù)值模型，分析不同開采進度下地表與河床的位移變化，結(jié)合無人機和無人船監(jiān)測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，在驗證模型準確性的同時，分析了地表及河床的變形規(guī)律，為礦山安全高效回采提供理論支撐。

關鍵詞：采動影響;地表移動;變形監(jiān)測;COMSOL數(shù)值模擬;無人機與無人船監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：TD325文章編號：1001-1277（2022）01-0048-06

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20220108

基金項目：北京科技大學中央高校基本科研業(yè)務費項目;新疆維吾爾自治區(qū)高層次人才引進工程（新黨辦發(fā)〔2012〕16號）

引言

礦山在開采礦體的同時也破壞了其原有的力學平衡，使地下巖體在不平衡力的作用下發(fā)生了破壞，破壞與變形傳播到地表，導致地表發(fā)生位移和變形，這種現(xiàn)象被稱為開采沉陷[1]。隨著國家對能源需求加大，人們擴大了對各種礦產(chǎn)資源的挖掘，采礦工程帶來的一系列不良影響，破壞著人類的生活環(huán)境，影響了生態(tài)平衡[2]。所以開采沉陷問題，不單是采礦問題，更是人類社會問題[3]。根據(jù)礦山工作經(jīng)驗，預估可能發(fā)生的情況，是礦山最常用、最有效的地表沉陷預測方法之一。雖然儲存在地下的礦產(chǎn)資源形態(tài)千變?nèi)f化，各個方面存在著不同，但可根據(jù)其相似部分總結(jié)經(jīng)驗、成果對比、實測分析，得出盡可能適用的一類方法，解決相似情景下的采礦問題。有些地方賦存的礦產(chǎn)資源分布較為廣泛，一個礦山難以實現(xiàn)全部開采，需要劃分成幾個區(qū)域，分別進行生產(chǎn)[4-7]。數(shù)值模擬能夠?qū)崿F(xiàn)較好的模擬仿真，以模型數(shù)據(jù)對比實測數(shù)據(jù)，得到更深層次的成果，也減少了現(xiàn)場的工作量，更具有可行性和高效性。該方法能使現(xiàn)場情況數(shù)字化，復雜的問題簡單化，整個礦山可視化，并且能夠形象全面地反映現(xiàn)實情況[8-13]。

本文以某鐵礦開采為工程背景，以采動影響下地表及河床變形為基礎，建立COMSOL數(shù)值模型，對采動影響下的地表、岸堤及河床的變形過程進行研究和總結(jié);并通過無人機、無人船監(jiān)測地表及河床的變形，驗證模型的準確性，總結(jié)其變化規(guī)律，對后續(xù)地下礦體開挖引起的地表沉陷進行預測，以期為礦山安全高效開采提供參考。

1工程概況

某鐵礦地表有農(nóng)田、池塘和山林坡地，為避免開采過程中出現(xiàn)地表沉陷等重大風險災害問題，需要密切關注回采過程中地表及河床的變形情況。因此，本次以該鐵礦不同開采進度為工程背景，研究地表及河床的變形情況。該鐵礦礦體主要賦存于閃長巖與砂巖接觸帶，標高為-200～500 m，平均厚度超過30 m，平均地質(zhì)品位大于38 %。該礦山采礦方法為連續(xù)式尾砂充填采礦法，即采即充。第一階段為上半年開采，開采高度為7 m，推進70 m，礦體長度約為100 m。第二階段為下半年開采，開采高度為7 m，推進70 m，礦體長度約為98 m。對開采不同進度的礦體及充填現(xiàn)有采空區(qū)前后，地表及河床出現(xiàn)的位移變化進行監(jiān)測，監(jiān)測時間是2020-02—2021-01，每期監(jiān)測時間間隔為1個月。

每次充填面積約50 m×25 m，用鏟運機運裝廢石、用尾砂包構(gòu)筑擋墻，并架設泄水井。先用尾砂充填2.7 m高，再用灰砂比1∶8的膠結(jié)料充填澆面300 mm，作為新分層的底板。膠結(jié)材料選擇強度等級42.5的普通硅酸鹽水泥。

2數(shù)值模型的建立

2.1模擬方案

為研究開采過程中地表及河床的位移變化，在COMSOL Multiphysics軟件中基于研究區(qū)域地質(zhì)資料建立數(shù)值模型。本次模擬將第一階段開采部分類比為開采7 m×70 m×100 m的長方體，將第二階段開采部分類比為開采7 m×70 m×98 m的長方體載入模型。以第一階段和第二階段為時間點研究地表及河床的位移變化。

2022年第1期/第43卷采礦工程采礦工程黃金模型的高度選500 m，預留底板下110 m。河寬約60 m，河深取相對值15 m。在對“固體力學模塊”和“層流”進行幾何模型建立，數(shù)學模型輸入，材料參數(shù)、初始值和邊界條件設定后，需要對求解域進行網(wǎng)格劃分，本次模擬采用自由剖分四面體網(wǎng)格劃分方式，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖1。

巖石力學參數(shù)見表1，河床初始值、邊界條件及材料參數(shù)見表2。將各個參數(shù)輸入至模型中并經(jīng)過后處理，可以得到模型的預測值。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

地下開挖后的地表及岸堤位移分布云圖見圖2。岸堤的地表位移相對較小，這是由于岸堤在水的滲透作用下，土體內(nèi)聚力增大，在采動影響下相較于其他部分地表沉降速度慢，沉降量小。

在開挖第一階段后，地表及岸堤位移的最大值為6.19 cm，見圖2-a）。開挖第二階段后地表及岸堤位移變化云圖見圖2-b），最大位移變化為14.7 cm，發(fā)生了更大的沉陷，是因為在開挖后，地下采場采空區(qū)頂板暴露面積增加，增大了地下采空區(qū)頂板的位移，引起了地表及岸堤沉降量的增加。

地下采空區(qū)進行料漿充填后，地表及岸堤仍發(fā)生沉降現(xiàn)象，但沉降現(xiàn)象減弱。充填第一階段采空區(qū)后，最大位移為2.35 cm（見圖3-a）），這是由于地下采空區(qū)進行充填后，對采空區(qū)的頂板起到了一定的支撐作用，這使得地表及岸堤發(fā)生沉降的空間并不大，并且由于充填體的支撐作用，地表及岸堤更為穩(wěn)定。在第二階段充填工作完成后最大位移為4.19 cm（見圖3-b））。使用連續(xù)式尾砂充填采礦法進行礦山開采，能夠有效降低地表及岸堤的沉降，對于維持地表穩(wěn)定性具有重要意義。

2個階段采空區(qū)充填前后地表及岸堤位移變化對比見圖4。隨著采礦工作的持續(xù)進行，推進的長度不斷增加，地表及岸堤下沉位移也不斷增加。采空區(qū)充填后，地表及岸堤位移明顯減小，充填體的加入增加了礦區(qū)整體的穩(wěn)定性，使巖體的變形和破壞減小，待傳播至地表及岸堤時，所反映的地表及岸堤變形也相對較小。

河床的位移主要分布在河床中心線附近，這是由于河流的流動帶動了河床底部的泥沙，使河床底部受到的沖刷作用最大，導致河流中心線位置位移變化最大。在兩條河流交匯處附近，出現(xiàn)了明顯的位移分布集中現(xiàn)象，這是由于兩條河流交匯點處的河流流速發(fā)生紊亂導致河床底部泥沙不穩(wěn)定，同時對交匯處的河床沖擊作用增大，導致其位移變化增大。

在開挖第一階段后，最大位移為6.61 cm，最小位移為5.06 cm（見圖5-a））。第二階段全部開挖完成后，未充填狀態(tài)下的河床位移變化見圖5-b），最大位移為15.2 cm，最小位移為11.6 cm。從圖5可以看出，隨著礦體的開采，河床位移都在增加，這與前節(jié)所得結(jié)論一致，地下采空區(qū)頂板暴露面積的增大，不僅加速了地表及岸堤的沉降現(xiàn)象，對于河床的沉降作用也同樣明顯。

2個階段采空區(qū)充填后的河床位移分布云圖見圖6。從圖6可以看出，地下采空區(qū)充填完成后，河床的位移明顯降低。充填完第一階段，河床的位移變化見圖6-a），最大位移為2.99 cm，最小位移為2.29 cm。充填完第二階段，河床的位移變化見圖6-b），最大位移為4.94 cm，最小位移為3.78 cm。地下采空區(qū)充填體對頂板的支撐作用傳播至河床，同樣降低了河床的沉降現(xiàn)象。雖然河床位移大小發(fā)生變化，但位移整體分布情況未發(fā)生改變，最大位移仍出現(xiàn)在河床中心線附近。

將開挖2個階段下，河床在充填前后受采動影響的位移變化繪制成圖，并進行對比分析，結(jié)果見圖7。

充填體的加入增加了礦區(qū)整體的穩(wěn)定性，使巖體的變形和破壞減小，待傳播至河床時，位移相對于未充填時減小。河床的位移變化相對于地表及岸堤的位移變化要高，下沉值更大，這是由于河床不僅受采動影響，同時也受河水的沖擊作用及水對下部巖土體的破壞作用，使河下部分更易變形和移動。

3模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

3.1現(xiàn)場實測

采用無人機對該鐵礦開采位置所對應的地表位置進行監(jiān)測（見圖8）。監(jiān)測區(qū)域近似于400 m×800 m的矩形，無人機飛行方向為從西向東且回旋監(jiān)測，每條單航線70個像素控制點（見圖9）。

使用無人船對河床進行監(jiān)測，無人船搭載單波束聲吶系統(tǒng)下水，吃水深度約0.8 m。監(jiān)測區(qū)域河流長度約760 m，寬度約60 m。監(jiān)測方向為從上游至下游回旋式監(jiān)測，每條監(jiān)測線約10個控制點（見圖10）。

3.2誤差處理

無人機攝像監(jiān)測可能會受天氣、岸堤房屋、車輛或農(nóng)作物等因素的影響，無人船監(jiān)測作業(yè)可能會受水流量和水流速度等因素的影響，所以選擇天氣晴朗、風級較小的天氣進行監(jiān)測。無人機的起飛點選擇空曠且遠離建筑物的地點，無人船在測量過程中加大監(jiān)測范圍，增加監(jiān)測周期。小范圍的監(jiān)測曲線波動并不影響對總體監(jiān)測結(jié)果的判斷。

3.3結(jié)果分析與對比

為研究地表及河床總體變形規(guī)律，選取1號測線到3號測線，分別將3條測線監(jiān)測結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)作對比，并進行分析，結(jié)果見圖11、圖12。

根據(jù)圖11-a）中1號測線監(jiān)測結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對比，100～125 m測線處地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢基本一致。該測線曾有施工項目，岸堤部分土地開挖，導致地表下沉。0～25 m測線處地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢基本一致。根據(jù)圖11-b）中2號測線監(jiān)測與模擬數(shù)據(jù)對比，25～50 m測線處實際測量數(shù)據(jù)略低于數(shù)值模擬結(jié)果，存在可控范圍內(nèi)的誤差。根據(jù)圖11-c）中3號測線監(jiān)測結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對比，河床部分的曲線變化情況與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，無明顯變化，曲線趨勢與形狀基本無變化。監(jiān)測結(jié)果受水潮影響使得監(jiān)測結(jié)果有所升高。

根據(jù)圖12-a）中1號測線對比圖，25～50 m測線地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢基本一致。根據(jù)圖12-b）中2號測線對比圖，測線25～50 m處地表的實際測量數(shù)據(jù)稍低于數(shù)值模擬結(jié)果，存在可控范圍內(nèi)的誤差。由圖12-c）可知，3號測線地表及河床基本與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

4結(jié)論

1）對監(jiān)測區(qū)域不同開采進度下地表及河床的位移變化進行模擬并分析，得出不同開采進度下的位移最大變化和最小變化。

2）模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)從1號測線到3號測線，對比曲線類型基本相似，模擬與監(jiān)測結(jié)果基本一致，驗證了模型的合理性和可行性。

3）監(jiān)測結(jié)果表明，目前監(jiān)測沉降曲線形態(tài)基本保持一致，河床整體并沒有發(fā)生沉陷及錯動損傷等。

4）對岸堤河床的沉降數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)留存，為后期時間序列下的綜合分析提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。后期通過查看各個時期的沉降情況，長時間序列數(shù)據(jù)的分析進行災害識別與預警分析，為礦山安全生產(chǎn)、風險隱患識別與防控等提供重要依據(jù)。

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作者簡介：王洋（1990—），男，河北安國人，工程師，從事地質(zhì)勘查、礦山開采工作;新疆維吾爾自治區(qū)哈密市伊州區(qū)瑞華大廈1705室，哈密紅石礦業(yè)有限公司，839000;E-mail：824158881@qq.com

通信作者，E-mail：DiWu1218@ustb.edu.cn，18710162586

王洋，王碩，唐志新，李志勇，肖明，吳迪4（1.哈密紅石礦業(yè)有限公司; 2.中國礦業(yè)大學（北京）能源與礦業(yè)學院;3.沈陽長豐建設評價有限公司新疆分公司; 4.北京科技大學土木與資源工程學院）

Monitoring and simulation of surface movement and deformation under influence of miningWang Yang，Wang Shuo，Tang Zhixin，Li Zhiyong，Xiao Ming，Wu Di

（1.Hami Hongshi Mining Co.，Ltd.;

2.School of Energy and Mining Engineering，China University of Mining and Technology-Beijing;

3.Xinjiang Branch of Shenyang Changfeng Construction Evaluation Co.，Ltd.;

4.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing）

Abstract：It is of great practical significance for mine safety supervision and accident prevention to master the general situation of major risk disaster and clarify its development trend，and carry out monitoring，analysis，warning and forecast.Based on the engineering background of an iron mine mining，the movement and deformation of the surface and riverbed are analyzed and studied.Based on the establishment of COMSOL numerical simulation model，the surface and riverbed displacement variation under different mining progress is analyzed.Based on the actual survey data of UAV and unmanned ship monitoring system，the accuracy of the model is verified while the surface and riverbed deformation rules are analyzed，providing theoretical support for safe and efficient mining in mines.

Keywords：influence of mining;surface movement;deformation monitoring;COMSOL numerical simulation;UAV and unmanned ship monitoring system