王洋　王碩　唐志新　李志勇　肖明　吳迪

摘要：掌握礦山重大風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害總體情況，明確其發(fā)展動(dòng)態(tài)，并進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析、預(yù)警及預(yù)報(bào)，對(duì)礦山安全監(jiān)管與減少事故有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。以某鐵礦開采為工程背景，對(duì)地表及河床的移動(dòng)和變形進(jìn)行了分析研究，通過建立COMSOL數(shù)值模型，分析不同開采進(jìn)度下地表與河床的位移變化，結(jié)合無人機(jī)和無人船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的同時(shí)，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(guān)鍵詞：采動(dòng)影響;地表移動(dòng);變形監(jiān)測(cè);COMSOL數(shù)值模擬;無人機(jī)與無人船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20220108

基金項(xiàng)目：北京科技大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目;新疆維吾爾自治區(qū)高層次人才引進(jìn)工程（新黨辦發(fā)〔2012〕16號(hào)）

引言

礦山在開采礦體的同時(shí)也破壞了其原有的力學(xué)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(dǎo)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(guó)家對(duì)能源需求加大，人們擴(kuò)大了對(duì)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(huì)問題[3]。根據(jù)礦山工作經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估可能發(fā)生的情況，是礦山最常用、最有效的地表沉陷預(yù)測(cè)方法之一。雖然儲(chǔ)存在地下的礦產(chǎn)資源形態(tài)千變?nèi)f化，各個(gè)方面存在著不同，但可根據(jù)其相似部分總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、成果對(duì)比、實(shí)測(cè)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(gè)礦山難以實(shí)現(xiàn)全部開采，需要?jiǎng)澐殖蓭讉€(gè)區(qū)域，分別進(jìn)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(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到更深層次的成果，也減少了現(xiàn)場(chǎng)的工作量，更具有可行性和高效性。該方法能使現(xiàn)場(chǎng)情況數(shù)字化，復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化，整個(gè)礦山可視化，并且能夠形象全面地反映現(xiàn)實(shí)情況[8-13]。

本文以某鐵礦開采為工程背景，以采動(dòng)影響下地表及河床變形為基礎(chǔ)，建立COMSOL數(shù)值模型，對(duì)采動(dòng)影響下的地表、岸堤及河床的變形過程進(jìn)行研究和總結(jié);并通過無人機(jī)、無人船監(jiān)測(cè)地表及河床的變形，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，總結(jié)其變化規(guī)律，對(duì)后續(xù)地下礦體開挖引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害問題，需要密切關(guān)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(jìn)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(zhǎng)巖與砂巖接觸帶，標(biāo)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(jìn)70 m，礦體長(zhǎng)度約為100 m。第二階段為下半年開采，開采高度為7 m，推進(jìn)70 m，礦體長(zhǎng)度約為98 m。對(duì)開采不同進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)間是2020-02—2021-01，每期監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔為1個(gè)月。

每次充填面積約50 m×25 m，用鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)裝廢石、用尾砂包構(gòu)筑擋墻，并架設(shè)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(qiáng)度等級(jí)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(zhǎng)方體，將第二階段開采部分類比為開采7 m×70 m×98 m的長(zhǎng)方體載入模型。以第一階段和第二階段為時(shí)間點(diǎn)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(yù)留底板下110 m。河寬約60 m，河深取相對(duì)值15 m。在對(duì)“固體力學(xué)模塊”和“層流”進(jìn)行幾何模型建立，數(shù)學(xué)模型輸入，材料參數(shù)、初始值和邊界條件設(shè)定后，需要對(duì)求解域進(jìn)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(xué)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(gè)參數(shù)輸入至模型中并經(jīng)過后處理，可以得到模型的預(yù)測(cè)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(duì)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(dòng)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?yàn)樵陂_挖后，地下采場(chǎng)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(jìn)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(jìn)行充填后，對(duì)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(jìn)行礦山開采，能夠有效降低地表及岸堤的沉降，對(duì)于維持地表穩(wěn)定性具有重要意義。

2個(gè)階段采空區(qū)充填前后地表及岸堤位移變化對(duì)比見圖4。隨著采礦工作的持續(xù)進(jìn)行，推進(jìn)的長(zhǎng)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(shí)，所反映的地表及岸堤變形也相對(duì)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(dòng)帶動(dòng)了河床底部的泥沙，使河床底部受到的沖刷作用最大，導(dǎo)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(diǎn)處的河流流速發(fā)生紊亂導(dǎo)致河床底部泥沙不穩(wěn)定，同時(shí)對(duì)交匯處的河床沖擊作用增大，導(dǎo)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(duì)于河床的沉降作用也同樣明顯。

2個(gè)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(duì)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(gè)階段下，河床在充填前后受采動(dòng)影響的位移變化繪制成圖，并進(jìn)行對(duì)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(shí)，位移相對(duì)于未充填時(shí)減小。河床的位移變化相對(duì)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(dòng)影響，同時(shí)也受河水的沖擊作用及水對(duì)下部巖土體的破壞作用，使河下部分更易變形和移動(dòng)。

3模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

采用無人機(jī)對(duì)該鐵礦開采位置所對(duì)應(yīng)的地表位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)（見圖8）。監(jiān)測(cè)區(qū)域近似于400 m×800 m的矩形，無人機(jī)飛行方向?yàn)閺奈飨驏|且回旋監(jiān)測(cè)，每條單航線70個(gè)像素控制點(diǎn)（見圖9）。

使用無人船對(duì)河床進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(cè)區(qū)域河流長(zhǎng)度約760 m，寬度約60 m。監(jiān)測(cè)方向?yàn)閺纳嫌沃料掠位匦奖O(jiān)測(cè)，每條監(jiān)測(cè)線約10個(gè)控制點(diǎn)（見圖10）。

3.2誤差處理

無人機(jī)攝像監(jiān)測(cè)可能會(huì)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(cè)作業(yè)可能會(huì)受水流量和水流速度等因素的影響，所以選擇天氣晴朗、風(fēng)級(jí)較小的天氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。無人機(jī)的起飛點(diǎn)選擇空曠且遠(yuǎn)離建筑物的地點(diǎn)，無人船在測(cè)量過程中加大監(jiān)測(cè)范圍，增加監(jiān)測(cè)周期。小范圍的監(jiān)測(cè)曲線波動(dòng)并不影響對(duì)總體監(jiān)測(cè)結(jié)果的判斷。

3.3結(jié)果分析與對(duì)比

為研究地表及河床總體變形規(guī)律，選取1號(hào)測(cè)線到3號(hào)測(cè)線，分別將3條測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)作對(duì)比，并進(jìn)行分析，結(jié)果見圖11、圖12。

根據(jù)圖11-a）中1號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，100～125 m測(cè)線處地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢(shì)基本一致。該測(cè)線曾有施工項(xiàng)目，岸堤部分土地開挖，導(dǎo)致地表下沉。0～25 m測(cè)線處地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢(shì)基本一致。根據(jù)圖11-b）中2號(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，25～50 m測(cè)線處實(shí)際測(cè)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(hào)測(cè)線監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)對(duì)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(shì)與形狀基本無變化。監(jiān)測(cè)結(jié)果受水潮影響使得監(jiān)測(cè)結(jié)果有所升高。

根據(jù)圖12-a）中1號(hào)測(cè)線對(duì)比圖，25～50 m測(cè)線地表部分與模擬結(jié)果相比有所增加，總體曲線趨勢(shì)基本一致。根據(jù)圖12-b）中2號(hào)測(cè)線對(duì)比圖，測(cè)線25～50 m處地表的實(shí)際測(cè)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(hào)測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域不同開采進(jìn)度下地表及河床的位移變化進(jìn)行模擬并分析，得出不同開采進(jìn)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(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)從1號(hào)測(cè)線到3號(hào)測(cè)線，對(duì)比曲線類型基本相似，模擬與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的合理性和可行性。

3）監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，目前監(jiān)測(cè)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(cuò)動(dòng)損傷等。

4）對(duì)岸堤河床的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)留存，為后期時(shí)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(gè)時(shí)期的沉降情況，長(zhǎng)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行災(zāi)害識(shí)別與預(yù)警分析，為礦山安全生產(chǎn)、風(fēng)險(xiǎn)隱患識(shí)別與防控等提供重要依據(jù)。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]何海.采空區(qū)地表沉陷對(duì)上覆油氣管道變形的影響分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[2]譚志祥，鄧喀中.采動(dòng)區(qū)建筑物地基、基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)協(xié)同作用模型[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33（3）：30-33.

[3]羅瑞，陸葉，張振.廣西大境重晶石礦地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估及其防治措施[J].礦產(chǎn)勘查，2011，2（1）：89-92.

[4]GAVRILOV D A，MAMIROV T B.Geoarchaeology of the derkul River flood plain，west Kazakhstan：soil formation，sediment accumulation and human settlement[J].The Holocene，2021，31（11）：618-629.

[5]葉淑君，薛禹群，張?jiān)?，?上海區(qū)域地面沉降模型中土層變形特征研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（2）：140-147.

[6]張守山.深部開采礦山壓力顯現(xiàn)原因及其控制[J].煤礦現(xiàn)代化，2002（5）：18-19.

[7]謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，5（4）：29-33.

[8]陳勇亮，李福渝.GPS技術(shù)在姑山地表形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2013，29（1）：67-68.

[9]姚剛峰，熊學(xué)玉.基于ABAQUS準(zhǔn)靜態(tài)顯式分析的RC框架梁柱子結(jié)構(gòu)倒塌模擬[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)報(bào)，2021，29（2）：296-307.[10]趙東陽(yáng)，祝介旺，袁博.基于FLAC3D的露天礦邊坡破壞成因研究與預(yù)測(cè)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2021，30（1）：59-64，74.

[11]于洋，歐德民，徐建煌.基于大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的突發(fā)事件情報(bào)分析模型建構(gòu)[J].政法學(xué)刊，2021，38（2）：114-120.

[12]曾晟，葉文浩，徐華清.煤型鈾礦床煤鈾協(xié)同開采理論模型[J].金屬礦山，2020（5）：117-123.

[13]任鳳玉，丁航行，張世玉，等.金屬非金屬礦床完整性安全高效開采理論模型[J].金屬礦山，2020（1）：1-6.

作者簡(jiǎn)介：王洋（1990—），男，河北安國(guó)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(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院;3.沈陽(yáng)長(zhǎng)豐建設(shè)評(píng)價(jià)有限公司新疆分公司; 4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)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