無(wú)底柱分段崩落法覆蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)滲水的影響分析*

陳 陌 張治強(qiáng) 郭松山 張 偉 鄒榮利 李 暢

（遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

無(wú)底柱分段崩落法廣泛應(yīng)用于地下礦山開(kāi)采中，具有高效、安全、成本低等特點(diǎn)，通過(guò)無(wú)底柱分段崩落法采出的礦石占地下金屬礦山總產(chǎn)量的80%［1］左右。該方法在覆蓋層以下放礦開(kāi)采，會(huì)導(dǎo)致崩落礦石與覆蓋層接觸［2-3］，且地下開(kāi)采又受移動(dòng)巖層、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、塌陷坑、地下水、積水等影響［4］，使得礦山損失貧化高。

覆蓋層散體顆粒的結(jié)構(gòu)對(duì)礦山安全生產(chǎn)具有重要作用。截至目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于覆蓋層滲水特性的研究主要集中在覆蓋層合理厚度、覆蓋層含水率等方面［5-9］，本研究主要總結(jié)了無(wú)底柱分段崩落法覆蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)于滲水影響的研究現(xiàn)狀。并且，除了對(duì)于采用無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采的地下金屬礦山外，因地質(zhì)條件不同，也可針對(duì)其他非金屬地下礦山、有色金屬地下礦山或露天礦山等進(jìn)行探討。通過(guò)設(shè)計(jì)不同的覆蓋層結(jié)構(gòu)，采用物理相似模擬實(shí)驗(yàn)［10］探究對(duì)滲水的影響規(guī)律，可為預(yù)防雨季發(fā)生泥石流災(zāi)害和淹井事故等提供理論依據(jù)，具有很好的實(shí)際意義。

1 崩落法覆蓋層合理厚度對(duì)于積水下滲的影響分析

1.1 覆蓋層合理厚度

在露天礦坑礦體開(kāi)采時(shí)，礦體上部分采用露天開(kāi)采形成一個(gè)采坑，下部分采用無(wú)底柱分段崩落法進(jìn)行后續(xù)開(kāi)采時(shí)利用礦坑邊坡、圍巖和采剝的廢石形成覆蓋巖層。張海磊等［11］以白銀山深部銅礦為例計(jì)算出礦山最小覆蓋層厚度為23.5 m，覆蓋層的最小塊度為800 mm?？梢源藶榛鶞?zhǔn)條件進(jìn)行物理相似模擬實(shí)驗(yàn)研究。崔志平［12］運(yùn)用PFC2D軟件分別對(duì)石寶鐵礦進(jìn)行30 m、40 m 不同覆蓋巖層厚度的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，得出40 m 的覆蓋巖層能夠起到防止地壓沖擊的作用。2 篇文獻(xiàn)得出同樣的結(jié)論，可結(jié)合實(shí)際選取適合礦山的覆蓋層合理厚度，且需在采場(chǎng)回采過(guò)程中不斷利用采出的廢石充填因崩落法采出礦石時(shí)覆蓋層下移形成的空間。

1.2 覆蓋層厚度與滲漏時(shí)間的聯(lián)系

在露天轉(zhuǎn)地下開(kāi)采時(shí)因地下通過(guò)無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采，將采用崩落頂板圍巖的方式在礦坑形成覆蓋層以起到防止積水下滲過(guò)快的作用，若降雨強(qiáng)度過(guò)大、降雨量過(guò)多、積水過(guò)盛、體積含水率過(guò)高將導(dǎo)致覆蓋層滲透特性改變，從而引發(fā)淹井、井下泥石流［13-15］等工程地質(zhì)災(zāi)害。

若能使?jié)B水時(shí)間延長(zhǎng)就可為井下排水提供充足的準(zhǔn)備時(shí)間。國(guó)內(nèi)學(xué)者甘德清等［16］以石人溝鐵礦真實(shí)數(shù)據(jù)為例通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行散體覆蓋層滲漏實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用量綱分析法得到了在不同降雨量下覆蓋層下滲度與下滲時(shí)間的關(guān)系式，得出覆蓋層厚度與下滲時(shí)間成正比。常帥等［17］通過(guò)對(duì)覆蓋層的滲水特性進(jìn)行研究，以覆蓋層不同粒級(jí)結(jié)構(gòu)組成及不同分布條件的相互結(jié)合為目的，得出其最優(yōu)組合，可減緩覆蓋層滲水速率。郝全明等［18］以礦區(qū)爆破后巖石堆的粒度比為基準(zhǔn)，利用相似性原理，建立以礦區(qū)原料為相似材料制成的模擬散體滲漏實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)散體滲漏時(shí)間與覆蓋層厚度的關(guān)系，推導(dǎo)出覆蓋層厚度與散體滲漏時(shí)間的計(jì)算公式。

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，也可對(duì)上述各模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)及計(jì)算公式進(jìn)行探究。覆蓋層的厚度直接影響了覆蓋層的滲水特性，厚度增加的同時(shí)積水下滲的時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，但相對(duì)應(yīng)的也會(huì)改變覆蓋層的壓力和應(yīng)力狀態(tài)，如何選取合理的覆蓋層厚度，可通過(guò)對(duì)于覆蓋層滲水特性的研究得出，以物理模擬實(shí)驗(yàn)為主，也可采用數(shù)字模型［19］和數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)［20］方法。

1.3 覆蓋層含水率與滲水關(guān)系的研究現(xiàn)狀

覆蓋層由散體構(gòu)成，因覆蓋層顆粒流動(dòng)特性，其孔隙大小影響了含水率大小，孔隙增大導(dǎo)致透水性增強(qiáng)。史振寧等［21］通過(guò)自主研發(fā)的一種土體入滲實(shí)驗(yàn)裝置，得出了降雨入滲過(guò)程中土體含水率分布解析計(jì)算方法，認(rèn)為在相同降雨量下隨覆蓋層厚度增加邊坡穩(wěn)定性下降、覆蓋層含水率增加。王述紅等［22］發(fā)現(xiàn)非飽和土的滲透系數(shù)與土壤含水率有關(guān)，可以通過(guò)SWCC（水土特征曲線）和MVG 模型求解，建立了降雨強(qiáng)度—時(shí)間臨界曲線模型并通過(guò)ABAQUS 軟件進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于147 mm/d 時(shí)，邊坡會(huì)具有范圍較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。王正成等［23-24］通過(guò)Van Genuchten數(shù)學(xué)模型［25］得出體積含水量與土體孔徑的關(guān)系及體積含水率和滲透系數(shù)隨基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。

2 崩落法覆蓋層粒度分布對(duì)于積水下滲的影響分析

2.1 覆蓋層粒度分布

覆蓋層粒度分布是指將散體試樣按照粒度的不同分為若干級(jí)以后的分級(jí)狀態(tài)，由于粒度不同，位置不同所引起的不同的相應(yīng)空間分布情況不同，覆蓋層由散體顆粒結(jié)構(gòu)組成，若在崩落圍巖時(shí)，通過(guò)改變覆蓋層的粒度分布條件，分析是否可使覆蓋層滲水特性改變。

針對(duì)覆蓋層的滲水特性，查閱文獻(xiàn)得知國(guó)內(nèi)對(duì)于覆蓋層粒度分布方面的研究較少。無(wú)底柱分段崩落法開(kāi)采中，隨開(kāi)采深度增加，初始覆蓋巖層不斷下降，此時(shí)覆蓋層呈現(xiàn)巖層塊度上大下小的分級(jí)現(xiàn)象，此為覆蓋層的自然分級(jí)現(xiàn)象［26］。當(dāng)覆蓋層厚度一定及粒度組成一定時(shí)，自然分級(jí)狀態(tài)下覆蓋層因散體顆粒的“料泛”特性［27］，會(huì)使覆蓋層積水下滲過(guò)程中散體顆粒發(fā)生類(lèi)似于流體的流落現(xiàn)象，若散體顆粒密度和粒徑過(guò)小，可能會(huì)引發(fā)井下泥石流等災(zāi)害。

BUCHAN等［28］指出，多孔介質(zhì)材料的粒度分布是在一定散體顆粒數(shù)量及粒徑基礎(chǔ)上的相應(yīng)關(guān)系，即不太可能得出每一級(jí)的散體顆粒數(shù)量。劉云鵬［29］通過(guò)對(duì)陜西不同的4種地質(zhì)土壤的粒徑分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型的土壤各級(jí)散體顆粒的含量有顯著差異，這將導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、持水性、滲水性等的物理性質(zhì)發(fā)生改變。綜上所述，粒度分布與粒徑之間存在線性相關(guān)關(guān)系，粒度分布及粒徑不同，滲水規(guī)律不同。

2.2 覆蓋層粒度分布對(duì)于滲水的影響

覆蓋層的滲水特性受散體顆粒粒徑大小及各粒級(jí)散體顆粒分布的影響。礦坑積水的匯聚會(huì)形成對(duì)覆蓋層的侵蝕作用，將對(duì)覆蓋層的穩(wěn)定性造成較大的影響，積水下滲也會(huì)降低覆蓋層散體顆粒的力學(xué)性質(zhì)。覆蓋層屬于多孔介質(zhì)，在多孔介質(zhì)內(nèi)的孔隙之間的流動(dòng)特性可用經(jīng)典流體力學(xué)理論來(lái)分析，劉仁興［30］通過(guò)二維及三維的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，研究了不同粒徑分布多孔介質(zhì)的滲流特征，且得出了在已知孔隙率及孔徑分布條件下的最優(yōu)有效平均粒徑計(jì)算公式；趙芳芳［31］對(duì)矸石山基礎(chǔ)物理性質(zhì)進(jìn)行了研究，通過(guò)不同級(jí)配的煤矸石滲透實(shí)驗(yàn)及煤矸石山的堆積相似模擬實(shí)驗(yàn)，得出煤矸石山分層的幾何模型及滲透系數(shù)值，截取剖面分析了矸石山內(nèi)部各個(gè)剖面的粒度分布規(guī)律；陳佳偉［32］采用軸向位移控制法，對(duì)不同浸水時(shí)間的煤粒試樣的粒度分布特征進(jìn)行了研究，并就單向往復(fù)循環(huán)荷載加載方式對(duì)級(jí)配煤粒試樣壓緊后粒度分布的影響進(jìn)行了研究，由穩(wěn)態(tài)滲透法得出所需的滲透系數(shù)。

覆蓋層散體顆粒的粒徑不均勻性將影響覆蓋層滲流的不均勻性，覆蓋層粒度分布不均勻會(huì)使覆蓋層具有較大的孔隙，將會(huì)引發(fā)積水滲透災(zāi)害。覆蓋層粒度分布規(guī)律是影響覆蓋層滲水特性的一個(gè)決定性因素，在覆蓋層采用不同的粒度分布下，所得到的覆蓋層含水量、覆蓋層孔隙率、覆蓋層透水率及積水下滲所需時(shí)間也截然不同，如何選取最優(yōu)的覆蓋層粒度分布，可通過(guò)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)，探究得出覆蓋層粒度分布規(guī)律，即可得出不同覆蓋層粒度分布與滲水時(shí)間的關(guān)系。

3 崩落法覆蓋層粒度組成對(duì)于積水下滲的影響分析

3.1 覆蓋層粒度組成

覆蓋層滲水特性與覆蓋層粒度組成有緊密關(guān)系，覆蓋層散體顆粒粒徑大小不均，采用單一粒徑為標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)服力不足。按照國(guó)際制，將散體顆粒按粒徑大小分為黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、砂粒（0.02～2 mm）和石礫（＞2 mm），基于此，可得出按礦山覆蓋層相似比例，選取所需模擬實(shí)驗(yàn)覆蓋層粒度組成的粒徑標(biāo)準(zhǔn)。覆蓋層巖石構(gòu)成復(fù)雜，各巖石的特性也略有不同，可按礦山覆蓋層實(shí)際巖石構(gòu)成選取適宜的粒度組成材料。

彭紅濤［33］提出砂礫層覆蓋至地表，有抵抗土壤侵蝕的作用。降雨時(shí)，雨水匯聚滲入覆蓋層，經(jīng)砂礫層顆粒之間的空隙下滲會(huì)導(dǎo)致部分雨水被攔截至砂礫層中。ZAVALA等［34］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤礫石覆蓋率大于60%時(shí)，積水下滲量隨之減少。歐陽(yáng)國(guó)泉［35］認(rèn)為，隔水礫石能防止積水下滲，增大積水的下滲路徑，且覆蓋層中礫石可減少土體內(nèi)部孔隙度?；谒执鎯?chǔ)—釋放的替代型土質(zhì)覆蓋層，從20 世紀(jì)90 年代歐美國(guó)家始發(fā)探究實(shí)驗(yàn)，細(xì)粒土石能充當(dāng)“吸水海綿”發(fā)揮儲(chǔ)水作用，在非蓄水階段通過(guò)蒸發(fā)和蒸騰作用恢復(fù)儲(chǔ)水功能［36］，可因地制宜通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水的動(dòng)態(tài)循環(huán)而達(dá)到防滲作用。

3.2 覆蓋層粒度組成對(duì)于滲水的影響

覆蓋層若經(jīng)自然分級(jí)后在其體內(nèi)存在裂隙，氣候條件的改變常常會(huì)使覆蓋層呈現(xiàn)階段性膨脹及收縮，且覆蓋層土體在干與濕的不斷交替中，會(huì)使土體體積及應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，影響覆蓋層的滲透性及持水性，導(dǎo)致積水滲入裂隙，使整個(gè)覆蓋層發(fā)生破壞。

覆蓋層結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)地均勻、抗蝕力低，是遭到強(qiáng)烈侵蝕的重要原因［37］。若降雨時(shí)雨水匯聚礦坑，會(huì)導(dǎo)致該處的水力侵蝕、重力侵蝕和潛蝕相對(duì)活躍，且引發(fā)泥石流，造成大量沙石下井，堵塞井道，阻礙井下開(kāi)采進(jìn)程。利用實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同覆蓋層粒度組成與滲水時(shí)間的關(guān)系，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)后，即可估算出不同覆蓋層粒度組成和降雨強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的滲漏時(shí)間，在受到雨水侵蝕時(shí)起到緩沖作用，避免井下災(zāi)害發(fā)生。

4 結(jié) 論

（1）粒度分布及組成與粒徑之間存在線性相關(guān)關(guān)系，粒度分布及組成與粒徑不同，滲水規(guī)律不同。

（2）覆蓋層各級(jí)粒度分布及組成的改變可引起覆蓋層滲水特性的改變，降雨時(shí)使雨水沿不同的路徑下滲可增強(qiáng)覆蓋層的穩(wěn)定性。

（3）按礦山實(shí)地覆蓋層組成條件選取適宜的粒徑大小及材料，運(yùn)用相似原理利用實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)驗(yàn)測(cè)出不同覆蓋層粒度組成與滲水時(shí)間的關(guān)系，選取合理的參數(shù)后，即可估算出不同覆蓋層粒度組成和降雨強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的滲漏時(shí)間。

（4）在覆蓋層厚度一定的情況下，合理控制覆蓋層粒度分布，可以避免覆蓋層雨水下滲速度太快，從而使覆蓋層失去延緩洪峰的作用，確保降雨過(guò)后，減緩井下排水壓力，減少井下傷亡及損失，使井下仍然能進(jìn)行正常生產(chǎn)。

（5）可通過(guò)物理相似模擬實(shí)驗(yàn)探究得出覆蓋層粒度分布及組成規(guī)律，測(cè)出不同覆蓋層粒度分布及組成與滲水時(shí)間的關(guān)系，為未來(lái)覆蓋層滲水特性研究提供理論基礎(chǔ)。

5 建 議

（1）覆蓋層粒度分布不均勻會(huì)使覆蓋層具有較大的孔隙，將會(huì)引發(fā)積水滲透災(zāi)害，可在覆蓋層上層鋪設(shè)砂礫層以發(fā)揮較強(qiáng)的填縫性及吸水性，通過(guò)動(dòng)態(tài)的水循環(huán)以實(shí)現(xiàn)覆蓋層的防滲作用。

（2）若能滿足控制覆蓋層粒度組成條件，即可在散體顆粒與散體顆粒之間的空隙處放入粒徑小于其空隙的顆粒，如此往復(fù)循環(huán)直至無(wú)法放入，從而形成一個(gè)完善的防滲系統(tǒng)。

（3）可通過(guò)在原有覆蓋層形成的條件下加入防滲墻、防滲網(wǎng)、防滲材料等，起到減弱覆蓋層的透水性，延長(zhǎng)積水下滲時(shí)間的作用，以形成封閉的防滲體系。