陳 陌 張治強 郭松山 張 偉 鄒榮利 李 暢

（遼寧科技大學礦業(yè)工程學院）

無底柱分段崩落法廣泛應用于地下礦山開采中，具有高效、安全、成本低等特點，通過無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采，會導致崩落礦石與覆蓋層接觸［2-3］，且地下開采又受移動巖層、地質結構、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構對礦山安全生產(chǎn)具有重要作用。截至目前，國內(nèi)外學者對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］，本研究主要總結了無底柱分段崩落法覆蓋層結構對于滲水影響的研究現(xiàn)狀。并且，除了對于采用無底柱分段崩落法開采的地下金屬礦山外，因地質條件不同，也可針對其他非金屬地下礦山、有色金屬地下礦山或露天礦山等進行探討。通過設計不同的覆蓋層結構，采用物理相似模擬實驗［10］探究對滲水的影響規(guī)律，可為預防雨季發(fā)生泥石流災害和淹井事故等提供理論依據(jù)，具有很好的實際意義。

1 崩落法覆蓋層合理厚度對于積水下滲的影響分析

1.1 覆蓋層合理厚度

在露天礦坑礦體開采時，礦體上部分采用露天開采形成一個采坑，下部分采用無底柱分段崩落法進行后續(xù)開采時利用礦坑邊坡、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?？梢源藶榛鶞蕳l件進行物理相似模擬實驗研究。崔志平［12］運用PFC2D軟件分別對石寶鐵礦進行30 m、40 m 不同覆蓋巖層厚度的數(shù)值模擬實驗，得出40 m 的覆蓋巖層能夠起到防止地壓沖擊的作用。2 篇文獻得出同樣的結論，可結合實際選取適合礦山的覆蓋層合理厚度，且需在采場回采過程中不斷利用采出的廢石充填因崩落法采出礦石時覆蓋層下移形成的空間。

1.2 覆蓋層厚度與滲漏時間的聯(lián)系

在露天轉地下開采時因地下通過無底柱分段崩落法開采，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快的作用，若降雨強度過大、降雨量過多、積水過盛、體積含水率過高將導致覆蓋層滲透特性改變，從而引發(fā)淹井、井下泥石流［13-15］等工程地質災害。

若能使?jié)B水時間延長就可為井下排水提供充足的準備時間。國內(nèi)學者甘德清等［16］以石人溝鐵礦真實數(shù)據(jù)為例通過模擬實驗方法進行散體覆蓋層滲漏實驗，運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間的關系式，得出覆蓋層厚度與下滲時間成正比。常帥等［17］通過對覆蓋層的滲水特性進行研究，以覆蓋層不同粒級結構組成及不同分布條件的相互結合為目的，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，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驗裝置，通過散體滲漏時間與覆蓋層厚度的關系，推導出覆蓋層厚度與散體滲漏時間的計算公式。

實踐是檢驗真理的唯一標準，也可對上述各模擬實驗的數(shù)據(jù)及計算公式進行探究。覆蓋層的厚度直接影響了覆蓋層的滲水特性，厚度增加的同時積水下滲的時間也會相應增加，但相對應的也會改變覆蓋層的壓力和應力狀態(tài)，如何選取合理的覆蓋層厚度，可通過對于覆蓋層滲水特性的研究得出，以物理模擬實驗為主，也可采用數(shù)字模型［19］和數(shù)值模擬實驗［20］方法。

1.3 覆蓋層含水率與滲水關系的研究現(xiàn)狀

覆蓋層由散體構成，因覆蓋層顆粒流動特性，其孔隙大小影響了含水率大小，孔隙增大導致透水性增強。史振寧等［21］通過自主研發(fā)的一種土體入滲實驗裝置，得出了降雨入滲過程中土體含水率分布解析計算方法，認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，可以通過SWCC（水土特征曲線）和MVG 模型求解，建立了降雨強度—時間臨界曲線模型并通過ABAQUS 軟件進行模擬發(fā)現(xiàn)，當降雨強度大于147 mm/d 時，邊坡會具有范圍較大的滑坡風險。王正成等［23-24］通過Van Genuchten數(shù)學模型［25］得出體積含水量與土體孔徑的關系及體積含水率和滲透系數(shù)隨基質吸力的關系曲線。

2 崩落法覆蓋層粒度分布對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以后的分級狀態(tài)，由于粒度不同，位置不同所引起的不同的相應空間分布情況不同，覆蓋層由散體顆粒結構組成，若在崩落圍巖時，通過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。

針對覆蓋層的滲水特性，查閱文獻得知國內(nèi)對于覆蓋層粒度分布方面的研究較少。無底柱分段崩落法開采中，隨開采深度增加，初始覆蓋巖層不斷下降，此時覆蓋層呈現(xiàn)巖層塊度上大下小的分級現(xiàn)象，此為覆蓋層的自然分級現(xiàn)象［26］。當覆蓋層厚度一定及粒度組成一定時，自然分級狀態(tài)下覆蓋層因散體顆粒的“料泛”特性［27］，會使覆蓋層積水下滲過程中散體顆粒發(fā)生類似于流體的流落現(xiàn)象，若散體顆粒密度和粒徑過小，可能會引發(fā)井下泥石流等災害。

BUCHAN等［28］指出，多孔介質材料的粒度分布是在一定散體顆粒數(shù)量及粒徑基礎上的相應關系，即不太可能得出每一級的散體顆粒數(shù)量。劉云鵬［29］通過對陜西不同的4種地質土壤的粒徑分布進行研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的土壤各級散體顆粒的含量有顯著差異，這將導致土壤結構、持水性、滲水性等的物理性質發(fā)生改變。綜上所述，粒度分布與粒徑之間存在線性相關關系，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散體顆粒分布的影響。礦坑積水的匯聚會形成對覆蓋層的侵蝕作用，將對覆蓋層的穩(wěn)定性造成較大的影響，積水下滲也會降低覆蓋層散體顆粒的力學性質。覆蓋層屬于多孔介質，在多孔介質內(nèi)的孔隙之間的流動特性可用經(jīng)典流體力學理論來分析，劉仁興［30］通過二維及三維的數(shù)值模擬實驗，研究了不同粒徑分布多孔介質的滲流特征，且得出了在已知孔隙率及孔徑分布條件下的最優(yōu)有效平均粒徑計算公式；趙芳芳［31］對矸石山基礎物理性質進行了研究，通過不同級配的煤矸石滲透實驗及煤矸石山的堆積相似模擬實驗，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)部各個剖面的粒度分布規(guī)律；陳佳偉［32］采用軸向位移控制法，對不同浸水時間的煤粒試樣的粒度分布特征進行了研究，并就單向往復循環(huán)荷載加載方式對級配煤粒試樣壓緊后粒度分布的影響進行了研究，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使覆蓋層具有較大的孔隙，將會引發(fā)積水滲透災害。覆蓋層粒度分布規(guī)律是影響覆蓋層滲水特性的一個決定性因素，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間也截然不同，如何選取最優(yōu)的覆蓋層粒度分布，可通過物理相似模擬實驗，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間的關系。

3 崩落法覆蓋層粒度組成對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系，覆蓋層散體顆粒粒徑大小不均，采用單一粒徑為標準說服力不足。按照國際制，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，選取所需模擬實驗覆蓋層粒度組成的粒徑標準。覆蓋層巖石構成復雜，各巖石的特性也略有不同，可按礦山覆蓋層實際巖石構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，雨水匯聚滲入覆蓋層，經(jīng)砂礫層顆粒之間的空隙下滲會導致部分雨水被攔截至砂礫層中。ZAVALA等［34］發(fā)現(xiàn)，當土壤礫石覆蓋率大于60%時，積水下滲量隨之減少。歐陽國泉［35］認為，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Α尫诺奶娲屯临|覆蓋層，從20 世紀90 年代歐美國家始發(fā)探究實驗，細粒土石能充當“吸水海綿”發(fā)揮儲水作用，在非蓄水階段通過蒸發(fā)和蒸騰作用恢復儲水功能［36］，可因地制宜通過適當?shù)脑O計實現(xiàn)水的動態(tài)循環(huán)而達到防滲作用。

3.2 覆蓋層粒度組成對于滲水的影響

覆蓋層若經(jīng)自然分級后在其體內(nèi)存在裂隙，氣候條件的改變常常會使覆蓋層呈現(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，會使土體體積及應力狀態(tài)發(fā)生改變，影響覆蓋層的滲透性及持水性，導致積水滲入裂隙，使整個覆蓋層發(fā)生破壞。

覆蓋層結構疏松、質地均勻、抗蝕力低，是遭到強烈侵蝕的重要原因［37］。若降雨時雨水匯聚礦坑，會導致該處的水力侵蝕、重力侵蝕和潛蝕相對活躍，且引發(fā)泥石流，造成大量沙石下井，堵塞井道，阻礙井下開采進程。利用實驗室模型實驗測出不同覆蓋層粒度組成與滲水時間的關系，選取適當?shù)膮?shù)后，即可估算出不同覆蓋層粒度組成和降雨強度所對應的滲漏時間，在受到雨水侵蝕時起到緩沖作用，避免井下災害發(fā)生。

4 結 論

（1）粒度分布及組成與粒徑之間存在線性相關關系，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，降雨時使雨水沿不同的路徑下滲可增強覆蓋層的穩(wěn)定性。

（3）按礦山實地覆蓋層組成條件選取適宜的粒徑大小及材料，運用相似原理利用實驗室模型實驗測出不同覆蓋層粒度組成與滲水時間的關系，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度所對應的滲漏時間。

（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，使井下仍然能進行正常生產(chǎn)。

（5）可通過物理相似模擬實驗探究得出覆蓋層粒度分布及組成規(guī)律，測出不同覆蓋層粒度分布及組成與滲水時間的關系，為未來覆蓋層滲水特性研究提供理論基礎。

5 建 議

（1）覆蓋層粒度分布不均勻會使覆蓋層具有較大的孔隙，將會引發(fā)積水滲透災害，可在覆蓋層上層鋪設砂礫層以發(fā)揮較強的填縫性及吸水性，通過動態(tài)的水循環(huán)以實現(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，如此往復循環(huán)直至無法放入，從而形成一個完善的防滲系統(tǒng)。

（3）可通過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，延長積水下滲時間的作用，以形成封閉的防滲體系。