采动影响下地表移动变形监测及模拟研究

王洋　王硕　唐志新　李志勇　肖明　吴迪

摘要：掌握矿山重大风险灾害总体情况，明确其发展动态，并进行监测分析、预警及预报，对矿山安全监管与减少事故有着重要的现实意义。以某铁矿开采为工程背景，对地表及河床的移动和变形进行了分析研究，通过建立COMSOL数值模型，分析不同开采进度下地表与河床的位移变化，结合无人机和无人船监测系统的实测数据，在验证模型准确性的同时，分析了地表及河床的变形规律，为矿山安全高效回采提供理论支撑。

关键词：采动影响;地表移动;变形监测;COMSOL数值模拟;无人机与无人船监测系统

中图分类号：TD325文章编号：1001-1277（2022）01-0048-06

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20220108

基金项目：北京科技大学中央高校基本科研业务费项目;新疆维吾尔自治区高层次人才引进工程（新党办发〔2012〕16号）

引言

矿山在开采矿体的同时也破坏了其原有的力学平衡，使地下岩体在不平衡力的作用下发生了破坏，破坏与变形传播到地表，导致地表发生位移和变形，这种现象被称为开采沉陷[1]。随着国家对能源需求加大，人们扩大了对各种矿产资源的挖掘，采矿工程带来的一系列不良影响，破坏着人类的生活环境，影响了生态平衡[2]。所以开采沉陷问题，不单是采矿问题，更是人类社会问题[3]。根据矿山工作经验，预估可能发生的情况，是矿山最常用、最有效的地表沉陷预测方法之一。虽然储存在地下的矿产资源形态千变万化，各个方面存在着不同，但可根据其相似部分总结经验、成果对比、实测分析，得出尽可能适用的一类方法，解决相似情景下的采矿问题。有些地方赋存的矿产资源分布较为广泛，一个矿山难以实现全部开采，需要划分成几个区域，分别进行生产[4-7]。数值模拟能够实现较好的模拟仿真，以模型数据对比实测数据，得到更深层次的成果，也减少了现场的工作量，更具有可行性和高效性。该方法能使现场情况数字化，复杂的问题简单化，整个矿山可视化，并且能够形象全面地反映现实情况[8-13]。

本文以某铁矿开采为工程背景，以采动影响下地表及河床变形为基础，建立COMSOL数值模型，对采动影响下的地表、岸堤及河床的变形过程进行研究和总结;并通过无人机、无人船监测地表及河床的变形，验证模型的准确性，总结其变化规律，对后续地下矿体开挖引起的地表沉陷进行预测，以期为矿山安全高效开采提供参考。

1工程概况

某铁矿地表有农田、池塘和山林坡地，为避免开采过程中出现地表沉陷等重大风险灾害问题，需要密切关注回采过程中地表及河床的变形情况。因此，本次以该铁矿不同开采进度为工程背景，研究地表及河床的变形情况。该铁矿矿体主要赋存于闪长岩与砂岩接触带，标高为-200～500 m，平均厚度超过30 m，平均地质品位大于38 %。该矿山采矿方法为连续式尾砂充填采矿法，即采即充。第一階段为上半年开采，开采高度为7 m，推进70 m，矿体长度约为100 m。第二阶段为下半年开采，开采高度为7 m，推进70 m，矿体长度约为98 m。对开采不同进度的矿体及充填现有采空区前后，地表及河床出现的位移变化进行监测，监测时间是2020-02—2021-01，每期监测时间间隔为1个月。

每次充填面积约50 m×25 m，用铲运机运装废石、用尾砂包构筑挡墙，并架设泄水井。先用尾砂充填2.7 m高，再用灰砂比1∶8的胶结料充填浇面300 mm，作为新分层的底板。胶结材料选择强度等级42.5的普通硅酸盐水泥。

2数值模型的建立

2.1模拟方案

为研究开采过程中地表及河床的位移变化，在COMSOL Multiphysics软件中基于研究区域地质资料建立数值模型。本次模拟将第一阶段开采部分类比为开采7 m×70 m×100 m的长方体，将第二阶段开采部分类比为开采7 m×70 m×98 m的长方体载入模型。以第一阶段和第二阶段为时间点研究地表及河床的位移变化。

2022年第1期/第43卷采矿工程采矿工程黄金模型的高度选500 m，预留底板下110 m。河宽约60 m，河深取相对值15 m。在对“固体力学模块”和“层流”进行几何模型建立，数学模型输入，材料参数、初始值和边界条件设定后，需要对求解域进行网格划分，本次模拟采用自由剖分四面体网格划分方式，网格划分结果见图1。

岩石力学参数见表1，河床初始值、边界条件及材料参数见表2。将各个参数输入至模型中并经过后处理，可以得到模型的预测值。

2.2数值模拟结果及分析

地下开挖后的地表及岸堤位移分布云图见图2。岸堤的地表位移相对较小，这是由于岸堤在水的渗透作用下，土体内聚力增大，在采动影响下相较于其他部分地表沉降速度慢，沉降量小。

在开挖第一阶段后，地表及岸堤位移的最大值为6.19 cm，见图2-a）。开挖第二阶段后地表及岸堤位移变化云图见图2-b），最大位移变化为14.7 cm，发生了更大的沉陷，是因为在开挖后，地下采场采空区顶板暴露面积增加，增大了地下采空区顶板的位移，引起了地表及岸堤沉降量的增加。

地下采空区进行料浆充填后，地表及岸堤仍发生沉降现象，但沉降现象减弱。充填第一阶段采空区后，最大位移为2.35 cm（见图3-a）），这是由于地下采空区进行充填后，对采空区的顶板起到了一定的支撑作用，这使得地表及岸堤发生沉降的空间并不大，并且由于充填体的支撑作用，地表及岸堤更为稳定。在第二阶段充填工作完成后最大位移为4.19 cm（见图3-b））。使用连续式尾砂充填采矿法进行矿山开采，能够有效降低地表及岸堤的沉降，对于维持地表稳定性具有重要意义。

2个阶段采空区充填前后地表及岸堤位移变化对比见图4。随着采矿工作的持续进行，推进的长度不断增加，地表及岸堤下沉位移也不断增加。采空区充填后，地表及岸堤位移明显减小，充填体的加入增加了矿区整体的稳定性，使岩体的变形和破坏减小，待传播至地表及岸堤时，所反映的地表及岸堤变形也相对较小。

河床的位移主要分布在河床中心线附近，这是由于河流的流动带动了河床底部的泥沙，使河床底部受到的冲刷作用最大，导致河流中心线位置位移变化最大。在两条河流交汇处附近，出现了明显的位移分布集中现象，这是由于两条河流交汇点处的河流流速发生紊乱导致河床底部泥沙不稳定，同时对交汇处的河床冲击作用增大，导致其位移变化增大。

在开挖第一阶段后，最大位移为6.61 cm，最小位移为5.06 cm（见图5-a））。第二阶段全部开挖完成后，未充填状态下的河床位移变化见图5-b），最大位移为15.2 cm，最小位移为11.6 cm。从图5可以看出，随着矿体的开采，河床位移都在增加，这与前節所得结论一致，地下采空区顶板暴露面积的增大，不仅加速了地表及岸堤的沉降现象，对于河床的沉降作用也同样明显。

2个阶段采空区充填后的河床位移分布云图见图6。从图6可以看出，地下采空区充填完成后，河床的位移明显降低。充填完第一阶段，河床的位移变化见图6-a），最大位移为2.99 cm，最小位移为2.29 cm。充填完第二阶段，河床的位移变化见图6-b），最大位移为4.94 cm，最小位移为3.78 cm。地下采空区充填体对顶板的支撑作用传播至河床，同样降低了河床的沉降现象。虽然河床位移大小发生变化，但位移整体分布情况未发生改变，最大位移仍出现在河床中心线附近。

将开挖2个阶段下，河床在充填前后受采动影响的位移变化绘制成图，并进行对比分析，结果见图7。

充填体的加入增加了矿区整体的稳定性，使岩体的变形和破坏减小，待传播至河床时，位移相对于未充填时减小。河床的位移变化相对于地表及岸堤的位移变化要高，下沉值更大，这是由于河床不仅受采动影响，同时也受河水的冲击作用及水对下部岩土体的破坏作用，使河下部分更易变形和移动。

3模拟结果与实测结果对比

3.1现场实测

采用无人机对该铁矿开采位置所对应的地表位置进行监测（见图8）。监测区域近似于400 m×800 m的矩形，无人机飞行方向为从西向东且回旋监测，每条单航线70个像素控制点（见图9）。

使用无人船对河床进行监测，无人船搭载单波束声呐系统下水，吃水深度约0.8 m。监测区域河流长度约760 m，宽度约60 m。监测方向为从上游至下游回旋式监测，每条监测线约10个控制点（见图10）。

3.2误差处理

无人机摄像监测可能会受天气、岸堤房屋、车辆或农作物等因素的影响，无人船监测作业可能会受水流量和水流速度等因素的影响，所以选择天气晴朗、风级较小的天气进行监测。无人机的起飞点选择空旷且远离建筑物的地点，无人船在测量过程中加大监测范围，增加监测周期。小范围的监测曲线波动并不影响对总体监测结果的判断。

3.3结果分析与对比

为研究地表及河床总体变形规律，选取1号测线到3号测线，分别将3条测线监测结果与模拟数据作对比，并进行分析，结果见图11、图12。

根据图11-a）中1号测线监测结果与模拟数据对比，100～125 m测线处地表部分与模拟结果相比有所增加，总体曲线趋势基本一致。该测线曾有施工项目，岸堤部分土地开挖，导致地表下沉。0～25 m测线处地表部分与模拟结果相比有所增加，总体曲线趋势基本一致。根据图11-b）中2号测线监测与模拟数据对比，25～50 m测线处实际测量数据略低于数值模拟结果，存在可控范围内的误差。根据图11-c）中3号测线监测结果与模拟数据对比，河床部分的曲线变化情况与数值模拟结果基本一致，无明显变化，曲线趋势与形状基本无变化。监测结果受水潮影响使得监测结果有所升高。

根据图12-a）中1号测线对比图，25～50 m测线地表部分与模拟结果相比有所增加，总体曲线趋势基本一致。根据图12-b）中2号测线对比图，测线25～50 m处地表的实际测量数据稍低于数值模拟结果，存在可控范围内的误差。由图12-c）可知，3号测线地表及河床基本与数值模拟结果一致。

4结论

1）对监测区域不同开采进度下地表及河床的位移变化进行模拟并分析，得出不同开采进度下的位移最大变化和最小变化。

2）模拟数据与监测结果进行对比，发现从1号测线到3号测线，对比曲线类型基本相似，模拟与监测结果基本一致，验证了模型的合理性和可行性。

3）监测结果表明，目前监测沉降曲线形态基本保持一致，河床整体并没有发生沉陷及错动损伤等。

4）对岸堤河床的沉降数据进行数据留存，为后期时间序列下的综合分析提供了数据依据。后期通过查看各个时期的沉降情况，长时间序列数据的分析进行灾害识别与预警分析，为矿山安全生产、风险隐患识别与防控等提供重要依据。

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作者简介：王洋（1990—），男，河北安国人，工程师，从事地质勘查、矿山开采工作;新疆维吾尔自治区哈密市伊州区瑞华大厦1705室，哈密红石矿业有限公司，839000;E-mail：824158881@qq.com

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

王洋，王硕，唐志新，李志勇，肖明，吴迪4（1.哈密红石矿业有限公司; 2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院;3.沈阳长丰建设评价有限公司新疆分公司; 4.北京科技大学土木与资源工程学院）

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