1 引言

地下采礦引起的地表沉降和破壞是采礦工程設計和運行時必須考慮的一個問題, 而引起地表沉降的原因則是由于各種因素之間復雜的相互作用。Laubscher (2000年)開發了一種經驗方法來預測崩落作業造成的地表沉降。該方法基于MRMR分類系統, 它將預測的崩塌角與MRMR、開采深度和開采寬度聯系起來。

本公眾號過去的文章中，僅有三篇討論了地表沉降：

采礦引起地表沉降的影響因素

崩落采礦誘發地表沉降預測的經驗方法(Caving Angle)

地表沉降工程: 理論與實踐(By Syd S. Peng)

2 問題的提出

隨著礦山開采深度的不斷增加，采場采動壓力和地表塌陷問題日益突出，有些礦山的地表塌陷問題非常嚴重，幾十米深的地表陷坑隨時可能對地下開采和周圍的生態環境造成災難性破壞，從而增加了建設綠色礦山的阻力。另外，一些礦山已經由原來的露天開采逐漸轉為地下開采，這些礦山面臨著采動壓力和地表塌陷的雙重危險。當露天開采轉為地下開采時，露天開采的范圍部分或全部置于地下開采范圍的頂上，這將對地下開采形成潛在的危險。許多大型露天開采礦山在達到一定開采深度后,逐漸由露天開采轉向地下開采, 比如Chuquicamata礦和Palabora礦, 在這種情形下,地下開采活動會直接影響原露天采礦的邊坡穩定性, 一個典型的例子是Palabora礦, 在由露天開采專為地下崩落采礦法后, 于2005年在西面的邊坡發生了大規模的破壞, 如下圖所示. Chuquicamata礦于2020年開始轉入地下開采, 今后也可能面臨著同樣的狀況. 

崩落采礦法(Block Caving) [視頻]

Chuquicamata(丘基卡馬塔)露天礦巖石力學研究

代表性元素體積REV (Representative Elemental Volume)

丘基卡馬塔銅礦由露天開采轉入地下開采

本研究試圖解決這種復雜情況下地下開采過程對地表塌陷范圍和深度的影響，優化露天采場底部與地下采場頂板之間的保留礦體厚度，無論從安全經濟的角度還是從生態建設的角度都必須解決這個問題，從而形成真正的綠色礦山。

3 解決方案

首先，通過完整巖石的物理力學性質和不連續性巖體的物理力學性質推斷真實巖體的強度和變形特性。由于巖體在空間上存在著巨大的變異性, 其參數不能使用單一的平均巖體分類來描述，所以必須發展新的估算方法。使用離散斷裂網絡(DFN)建立三維數值模型來估算在采動壓力作用下真實巖體的強度和變形，從而預測地表塌陷的垂直深度以及地表的水平影響范圍。

其次， 因為地下開采活動會強烈地影響著露天采場邊坡的穩定性，因此通過上述建立的模型可以優化露天采場底部與地下采場頂板之間的保留礦體厚度。

最后，發展采動壓力和地表塌陷災情的大數據集。運用大數據和深度學習原理發現采動壓力和地表塌陷災情的問題，強化礦山的快速反應能力，提高智能化輔助決策能力。這是目前發展的巖土工程大數據集GeotechSet的其中一個子集，部分功能已經上線測試。在這個子集的基礎上，正在進行廣泛的調研(包括煤礦和非煤礦山)和文獻回顧，最終完成一個可操作的輔助決策系統。

4 關鍵的技術問題

(1) 研究空間變異的巖石力學性質對采動壓力和地表塌陷的影響；

(2) 通過建立離散斷裂網絡(DFN)，使用合成巖體模型(SRM)結合原巖的強度，同時考慮巖體的各向異性效應以及巖體的尺寸效應，來預測巖體沿自然裂隙發生的壓裂和破壞。(3) 建立礦山采動壓力和地表塌陷災情的大數據集

(4) 建立綜合性和系統性的礦山巖體離散斷裂網絡(DFN)模型和估算巖體力學參數的方法；

(5) 針對不同工況對采動壓力和地表塌陷的災情發展進行模擬。

5 預期的結果

這項研究將對礦山的開采方法和開采步驟提供實質性的建議，為采空區處理和地表沉降及塌陷提供處理意見，為建設綠色礦山提供決策性建議，提高礦山企業的整體經濟效益。同時，這項研究也能夠直接支撐和服務礦山企業的科技創新，促進建設綠色礦山的步伐，同時大數據的應用將提高礦山企業的智能化決策和管理水平。