无底柱分段崩落法覆盖层结构对渗水的影响分析*

陈 陌 张治强 郭松山 张 伟 邹荣利 李 畅

（辽宁科技大学矿业工程学院）

无底柱分段崩落法广泛应用于地下矿山开采中，具有高效、安全、成本低等特点，通过无底柱分段崩落法采出的矿石占地下金属矿山总产量的80%［1］左右。该方法在覆盖层以下放矿开采，会导致崩落矿石与覆盖层接触［2-3］，且地下开采又受移动岩层、地质结构、塌陷坑、地下水、积水等影响［4］，使得矿山损失贫化高。

覆盖层散体颗粒的结构对矿山安全生产具有重要作用。截至目前，国内外学者对于覆盖层渗水特性的研究主要集中在覆盖层合理厚度、覆盖层含水率等方面［5-9］，本研究主要总结了无底柱分段崩落法覆盖层结构对于渗水影响的研究现状。并且，除了对于采用无底柱分段崩落法开采的地下金属矿山外，因地质条件不同，也可针对其他非金属地下矿山、有色金属地下矿山或露天矿山等进行探讨。通过设计不同的覆盖层结构，采用物理相似模拟实验［10］探究对渗水的影响规律，可为预防雨季发生泥石流灾害和淹井事故等提供理论依据，具有很好的实际意义。

1 崩落法覆盖层合理厚度对于积水下渗的影响分析

1.1 覆盖层合理厚度

在露天矿坑矿体开采时，矿体上部分采用露天开采形成一个采坑，下部分采用无底柱分段崩落法进行后续开采时利用矿坑边坡、围岩和采剥的废石形成覆盖岩层。张海磊等［11］以白银山深部铜矿为例计算出矿山最小覆盖层厚度为23.5 m，覆盖层的最小块度为800 mm。可以此为基准条件进行物理相似模拟实验研究。崔志平［12］运用PFC2D软件分别对石宝铁矿进行30 m、40 m 不同覆盖岩层厚度的数值模拟实验，得出40 m 的覆盖岩层能够起到防止地压冲击的作用。2 篇文献得出同样的结论，可结合实际选取适合矿山的覆盖层合理厚度，且需在采场回采过程中不断利用采出的废石充填因崩落法采出矿石时覆盖层下移形成的空间。

1.2 覆盖层厚度与渗漏时间的联系

在露天转地下开采时因地下通过无底柱分段崩落法开采，将采用崩落顶板围岩的方式在矿坑形成覆盖层以起到防止积水下渗过快的作用，若降雨强度过大、降雨量过多、积水过盛、体积含水率过高将导致覆盖层渗透特性改变，从而引发淹井、井下泥石流［13-15］等工程地质灾害。

若能使渗水时间延长就可为井下排水提供充足的准备时间。国内学者甘德清等［16］以石人沟铁矿真实数据为例通过模拟实验方法进行散体覆盖层渗漏实验，运用量纲分析法得到了在不同降雨量下覆盖层下渗度与下渗时间的关系式，得出覆盖层厚度与下渗时间成正比。常帅等［17］通过对覆盖层的渗水特性进行研究，以覆盖层不同粒级结构组成及不同分布条件的相互结合为目的，得出其最优组合，可减缓覆盖层渗水速率。郝全明等［18］以矿区爆破后岩石堆的粒度比为基准，利用相似性原理，建立以矿区原料为相似材料制成的模拟散体渗漏实验装置，通过散体渗漏时间与覆盖层厚度的关系，推导出覆盖层厚度与散体渗漏时间的计算公式。

实践是检验真理的唯一标准，也可对上述各模拟实验的数据及计算公式进行探究。覆盖层的厚度直接影响了覆盖层的渗水特性，厚度增加的同时积水下渗的时间也会相应增加，但相对应的也会改变覆盖层的压力和应力状态，如何选取合理的覆盖层厚度，可通过对于覆盖层渗水特性的研究得出，以物理模拟实验为主，也可采用数字模型［19］和数值模拟实验［20］方法。

1.3 覆盖层含水率与渗水关系的研究现状

覆盖层由散体构成，因覆盖层颗粒流动特性，其孔隙大小影响了含水率大小，孔隙增大导致透水性增强。史振宁等［21］通过自主研发的一种土体入渗实验装置，得出了降雨入渗过程中土体含水率分布解析计算方法，认为在相同降雨量下随覆盖层厚度增加边坡稳定性下降、覆盖层含水率增加。王述红等［22］发现非饱和土的渗透系数与土壤含水率有关，可以通过SWCC（水土特征曲线）和MVG 模型求解，建立了降雨强度—时间临界曲线模型并通过ABAQUS 软件进行模拟发现，当降雨强度大于147 mm/d 时，边坡会具有范围较大的滑坡风险。王正成等［23-24］通过Van Genuchten数学模型［25］得出体积含水量与土体孔径的关系及体积含水率和渗透系数随基质吸力的关系曲线。

2 崩落法覆盖层粒度分布对于积水下渗的影响分析

2.1 覆盖层粒度分布

覆盖层粒度分布是指将散体试样按照粒度的不同分为若干级以后的分级状态，由于粒度不同，位置不同所引起的不同的相应空间分布情况不同，覆盖层由散体颗粒结构组成，若在崩落围岩时，通过改变覆盖层的粒度分布条件，分析是否可使覆盖层渗水特性改变。

针对覆盖层的渗水特性，查阅文献得知国内对于覆盖层粒度分布方面的研究较少。无底柱分段崩落法开采中，随开采深度增加，初始覆盖岩层不断下降，此时覆盖层呈现岩层块度上大下小的分级现象，此为覆盖层的自然分级现象［26］。当覆盖层厚度一定及粒度组成一定时，自然分级状态下覆盖层因散体颗粒的“料泛”特性［27］，会使覆盖层积水下渗过程中散体颗粒发生类似于流体的流落现象，若散体颗粒密度和粒径过小，可能会引发井下泥石流等灾害。

BUCHAN等［28］指出，多孔介质材料的粒度分布是在一定散体颗粒数量及粒径基础上的相应关系，即不太可能得出每一级的散体颗粒数量。刘云鹏［29］通过对陕西不同的4种地质土壤的粒径分布进行研究，发现不同类型的土壤各级散体颗粒的含量有显著差异，这将导致土壤结构、持水性、渗水性等的物理性质发生改变。综上所述，粒度分布与粒径之间存在线性相关关系，粒度分布及粒径不同，渗水规律不同。

2.2 覆盖层粒度分布对于渗水的影响

覆盖层的渗水特性受散体颗粒粒径大小及各粒级散体颗粒分布的影响。矿坑积水的汇聚会形成对覆盖层的侵蚀作用，将对覆盖层的稳定性造成较大的影响，积水下渗也会降低覆盖层散体颗粒的力学性质。覆盖层属于多孔介质，在多孔介质内的孔隙之间的流动特性可用经典流体力学理论来分析，刘仁兴［30］通过二维及三维的数值模拟实验，研究了不同粒径分布多孔介质的渗流特征，且得出了在已知孔隙率及孔径分布条件下的最优有效平均粒径计算公式；赵芳芳［31］对矸石山基础物理性质进行了研究，通过不同级配的煤矸石渗透实验及煤矸石山的堆积相似模拟实验，得出煤矸石山分层的几何模型及渗透系数值，截取剖面分析了矸石山内部各个剖面的粒度分布规律；陈佳伟［32］采用轴向位移控制法，对不同浸水时间的煤粒试样的粒度分布特征进行了研究，并就单向往复循环荷载加载方式对级配煤粒试样压紧后粒度分布的影响进行了研究，由稳态渗透法得出所需的渗透系数。

覆盖层散体颗粒的粒径不均匀性将影响覆盖层渗流的不均匀性，覆盖层粒度分布不均匀会使覆盖层具有较大的孔隙，将会引发积水渗透灾害。覆盖层粒度分布规律是影响覆盖层渗水特性的一个决定性因素，在覆盖层采用不同的粒度分布下，所得到的覆盖层含水量、覆盖层孔隙率、覆盖层透水率及积水下渗所需时间也截然不同，如何选取最优的覆盖层粒度分布，可通过物理相似模拟实验，探究得出覆盖层粒度分布规律，即可得出不同覆盖层粒度分布与渗水时间的关系。

3 崩落法覆盖层粒度组成对于积水下渗的影响分析

3.1 覆盖层粒度组成

覆盖层渗水特性与覆盖层粒度组成有紧密关系，覆盖层散体颗粒粒径大小不均，采用单一粒径为标准说服力不足。按照国际制，将散体颗粒按粒径大小分为黏粒（＜0.002 mm）、粉粒（0.002～0.02mm）、砂粒（0.02～2 mm）和石砾（＞2 mm），基于此，可得出按矿山覆盖层相似比例，选取所需模拟实验覆盖层粒度组成的粒径标准。覆盖层岩石构成复杂，各岩石的特性也略有不同，可按矿山覆盖层实际岩石构成选取适宜的粒度组成材料。

彭红涛［33］提出砂砾层覆盖至地表，有抵抗土壤侵蚀的作用。降雨时，雨水汇聚渗入覆盖层，经砂砾层颗粒之间的空隙下渗会导致部分雨水被拦截至砂砾层中。ZAVALA等［34］发现，当土壤砾石覆盖率大于60%时，积水下渗量随之减少。欧阳国泉［35］认为，隔水砾石能防止积水下渗，增大积水的下渗路径，且覆盖层中砾石可减少土体内部孔隙度。基于水分存储—释放的替代型土质覆盖层，从20 世纪90 年代欧美国家始发探究实验，细粒土石能充当“吸水海绵”发挥储水作用，在非蓄水阶段通过蒸发和蒸腾作用恢复储水功能［36］，可因地制宜通过适当的设计实现水的动态循环而达到防渗作用。

3.2 覆盖层粒度组成对于渗水的影响

覆盖层若经自然分级后在其体内存在裂隙，气候条件的改变常常会使覆盖层呈现阶段性膨胀及收缩，且覆盖层土体在干与湿的不断交替中，会使土体体积及应力状态发生改变，影响覆盖层的渗透性及持水性，导致积水渗入裂隙，使整个覆盖层发生破坏。

覆盖层结构疏松、质地均匀、抗蚀力低，是遭到强烈侵蚀的重要原因［37］。若降雨时雨水汇聚矿坑，会导致该处的水力侵蚀、重力侵蚀和潜蚀相对活跃，且引发泥石流，造成大量沙石下井，堵塞井道，阻碍井下开采进程。利用实验室模型实验测出不同覆盖层粒度组成与渗水时间的关系，选取适当的参数后，即可估算出不同覆盖层粒度组成和降雨强度所对应的渗漏时间，在受到雨水侵蚀时起到缓冲作用，避免井下灾害发生。

4 结 论

（1）粒度分布及组成与粒径之间存在线性相关关系，粒度分布及组成与粒径不同，渗水规律不同。

（2）覆盖层各级粒度分布及组成的改变可引起覆盖层渗水特性的改变，降雨时使雨水沿不同的路径下渗可增强覆盖层的稳定性。

（3）按矿山实地覆盖层组成条件选取适宜的粒径大小及材料，运用相似原理利用实验室模型实验测出不同覆盖层粒度组成与渗水时间的关系，选取合理的参数后，即可估算出不同覆盖层粒度组成和降雨强度所对应的渗漏时间。

（4）在覆盖层厚度一定的情况下，合理控制覆盖层粒度分布，可以避免覆盖层雨水下渗速度太快，从而使覆盖层失去延缓洪峰的作用，确保降雨过后，减缓井下排水压力，减少井下伤亡及损失，使井下仍然能进行正常生产。

（5）可通过物理相似模拟实验探究得出覆盖层粒度分布及组成规律，测出不同覆盖层粒度分布及组成与渗水时间的关系，为未来覆盖层渗水特性研究提供理论基础。

5 建 议

（1）覆盖层粒度分布不均匀会使覆盖层具有较大的孔隙，将会引发积水渗透灾害，可在覆盖层上层铺设砂砾层以发挥较强的填缝性及吸水性，通过动态的水循环以实现覆盖层的防渗作用。

（2）若能满足控制覆盖层粒度组成条件，即可在散体颗粒与散体颗粒之间的空隙处放入粒径小于其空隙的颗粒，如此往复循环直至无法放入，从而形成一个完善的防渗系统。

（3）可通过在原有覆盖层形成的条件下加入防渗墙、防渗网、防渗材料等，起到减弱覆盖层的透水性，延长积水下渗时间的作用，以形成封闭的防渗体系。