随着陆地矿产资源的日趋减少，海洋矿产开发已成为全球的新兴产业并占有越来越重要的地位（李伟等，2003）。滨海基岩矿床是指赋存在离海岸线较近的浅海大陆架中的固体矿床，它与陆地同类型矿床大多一脉相承，是陆地矿床在海下的自然延伸。由于滨海基岩矿床上覆海水深度浅，在目前的开采技术条件下，对该类矿床的开采是矿业开发的重点。然而，对于海下大规模开采的矿山，由地下采动引起的岩体移动变形会对海底采矿安全造成重大威胁（曹家源等，2019；张超等，2020）。因此，关注采场围岩的变形破坏情况，对于实现海底矿山的安全高效生产具有重要意义。

地下开采引起的岩体移动和地表变形受多种因素的影响，如矿体形态、地应力、地质构造、水文地质条件、采矿量和采矿方法等（Brady et al.，1985；Kalenchuk et al.，2008）。国内外众多学者以地表岩移监测为基础，从几何角度对开采沉降进行统计分析，运用的方法有负指数法（曾卓乔，1980）、剖面函数法（刘玉成等，2019）、典型曲线法（梅松华等，2004）、概率积分法（史继彪，2021）、克诺特影响函数法（Knothe，1952）和随机介质理论（贺跃光等，2003）等。总结来看，这些方法可以划分为经验法、分析法、数值法和混合方法（Laubscher et al.，1994；Yang，et al.，2013；Unlu et al.，2013）。

除了对采矿导致的地表变形破坏进行研究之外，国内外学者还关注受采矿影响更为直接的覆岩变形，从不同角度研究了矿体采动覆岩结构演化特征和变形破坏规律，提出了多种具有代表性的经典理论和假说，如压力拱假说、悬臂梁假说、砌体梁理论和关键层理论等（张玉军等，2020）。对于矿山开采所导致的沉陷的影响因素，部分学者也开展了相应研究，如矿体倾角、地形、采空区条件、采高、采深、覆岩硬度、松散层厚度和充填效应等。综合来看，这些影响因素可以归类为基本地质因素和开采因素（曹光明，2019；刘东海等，2020；康新亮等，2021）。虽然国内外学者对采动覆岩变形开展了大量研究，并取得了丰硕成果，但是这些成果的研究对象多为煤矿（刘玉成等，2019；张玉军等，2020；刘东海等，2020），而对于海底倾斜金属矿体开采所产生的变形破坏规律及变形机理研究较少。

三山岛金矿新立矿区是我国唯一实施海底开采的金属矿山。本文立足新立海底金矿床开采条件与特点，依据建立的井下水准监测系统，分析三山岛金矿海底动态开采条件下的巷道顶板围岩沉降问题，并对影响因素进行初步探讨，旨在为海底安全高效采矿提供借鉴。

三山岛金矿地处山东省莱州市，属于莱州湾滨海地带，其北、西两面濒临渤海，仅东南部与陆地相连。区内地势低洼而平坦，地面海拔标高一般为1.2~4.5 m，西北部分布有3座小山峰，最高海拔为67.1 m。区内地表主要被第四系松散堆积物所覆盖，下伏基岩有二长花岗岩、花岗闪长岩、英云闪长岩和斜长片麻岩等。新立金矿体产于三山岛—仓上断裂（F₁）下盘的蚀变岩内（图1），主要赋存在黄铁绢英岩和绢英岩内。F₁断层总体走向NE，倾向SE，倾角为45°~75°（新立矿区范围），平面上呈“S”形展布，控制倾斜延深达1 000 m以上。F₁断层主断面延展稳定，发育有厚度为0.05~0.50 m的灰黑色断层泥，主断面两侧发育有厚度为1~10 m的碎裂岩带。

新立矿区金矿主矿体规模大，呈简单大脉状产出，平均厚度为25 m，产状较稳定，矿化连续性好。新立矿区于2005年底建成投产，设计矿石生产规模为1 500 t/d，采用竖井加平巷开拓的点柱式机械化上向水平分层充填采矿法进行开采，采场沿矿体走向布置，采场宽度和矿体宽度一致，每个中段高度为40 m，顶柱高度为2 m，底柱高度为5 m。沿垂直走向相邻2个采场间设宽度为3~5 m的连续间柱。采用分级尾砂对采场进行充填，充填高度为2.5 m，空顶高度为1.5 m，为下一分层回采爆破作业提供补偿空间。采场设计生产能力为100 t/d，-165 m标高及以下矿床开拓最终形成12个开采中段（图2）。

新立矿区构造应力以水平构造应力为主，最大主应力方向为NNW向。为了研究新立矿区井下矿体围岩变形破坏特征，以与矿体走向垂直的55号勘探线为监测剖面（图1），这是考虑55线的副井石门巷道自上盘垂直穿过矿体，形成了最有利的监测空间条件。

自2015年8月起，陆续在井下建立沉降监测系统，监测网主要布设于55号勘探线的-200 m、-240 m、-320 m、-400 m、-480 m和-600 m共6个中段的石门巷道（图3），建设时间最晚的-600 m中段监测系统也于2017年12月建成，共计布设沉降监测点134个。

所有监测均采用四等水准观测方法，主线水准均设计为附合水准路线，以保证测量精度。自2015年11月开始陆续对其各中段石门巷道进行布点监测，前期观测周期为1个月，后因监测工作量不断加大，同时各区域沉降数据比较稳定，因此2017年以后将监测周期调整为2个月，至2021年11月，观测次数最多达35期。-400 m以上中段利用了部分残留早期开拓控制点高程进入沉降累计测算，其他区域沉降数据均自正式监测开始计算。

为了详细研究不同开采中段各监测点监测期内的沉降特点，将各监测点沉降数据进行统计整理，并分别绘制出2016年以来-200 m、-240 m、-320 m、-400 m、-480 m和-600 m中段的累积沉降量曲线。为保持统一，便于观察，横坐标为各监测点距离-240 m中段起点的水平距离，纵坐标比例尺扩大1 000倍，即相比于横坐标，同样长度的纵坐标刻度代表距离比值为1∶1 000。图4（a）和图4（b）分别为-200 m和-240 m中段沉降曲线；图5（a）和图5（b）分别为-320 m和-400 m中段沉降曲线；图6（a）和图6（b）分别为-480 m和-600 m中段沉降曲线。

由图4和图5可知：55号勘探线剖面范围内的6个开采中段均表现出不同程度的沉降现象，其中-200 m中段和-240 m中段累积沉降量曲线底部较为平缓，呈近似“锅”状，而-320 m、-400 m、-480 m和-600 m中段沉降曲线呈“漏斗”状。笔者推断这一现象与各中段矿体的开采量有关，2016—2021年，采矿活动主要在55号勘探线剖面的深部中段进行，在55号勘探线剖面的上部中段有少量采矿活动。

由各中段监测点累积沉降曲线可知，越靠近矿体（或控矿断层F₁）部位岩体的下沉量越大。以-400 m中段为例，如图7所示，与断层距离较近的相关监测点（J8、J9、J11和J17）的沉降累积量变化较快，稍远些的监测点沉降累积量变化较慢，形成的沉降曲线图表现为左侧曲线斜率绝对值较大而右侧曲线斜率绝对值稍小的特点。此外，各中段监测曲线左侧存在轻微隆起现象，即累积沉降曲线数值呈正值，其中-480 m中段与-600 m中段监测点累积沉降曲线左侧隆起最为明显（图6）。

以2017年全年监测期间各中段最大沉降点为讨论对象（其中，-600 m中段因2017年12月才建成，因此此处取2019年数据为研究对象），可以发现不同深度中段最大沉降点监测沉降数据曲线均呈波动变化（图8），充分反映了围岩变形的非线性特点。岩体受开采扰动，原来平衡状态被打破，围岩变形的非线性也反映了岩体应力的调整过程。

55号勘探线监测剖面不同深度各中段截至2021年11月的最终累积沉降量曲线分布如图9所示，为了使曲线更加直观，图中沉降值比例扩大了100倍。由图9可知，各中段在地下开挖的影响下最终会在矿体上盘区域出现沉降区。沉降区的形成是由于采空区上盘的围岩向采空区弯曲挤入破坏而产生裂隙带，随着开采范围的不断扩大，裂隙带不断扩张，直至延伸发育至地表（海底），形成贯通的裂隙带，裂隙带附近的岩层均延续了向采空区弯曲的趋势。海底不同深度各中段矿体的开采引起的变形均表现为对上盘岩体的影响范围大，而对下盘岩体的影响范围小。

新立矿区内F₁控矿断层是具有优势条件的地质结构，断层两侧沉降数值的显著差异可能与断层有着密切联系。蒋建平等（2002）提出的优势断层理论解释了不同性质断层情况下岩移现象的非对称特点，即具备一定优势条件的断层的存在，会使井下巷道顶板沉降曲线呈现非对称特点。

图10可用来解释累积沉降曲线中断层下盘区域出现的隆起现象：在水平构造应力的影响下，断层附近区域出现附加拉应力，致使岩体出现隆起现象，累积沉降曲线出现正值。

新立矿区共有6座充填搅拌站，1 000 m³砂仓，6套高浓度胶结砂浆制备系统。55号勘探线剖面采掘区的充填工作采用自流输送方式，充填管路敷设至各作业分段采场，日均充填量为2 600 m³。虽然充填体可以降低矿区留设矿柱的压力，减缓围岩变形（丁德强，2007），但是充填体的变形以及充填不及时、不充分会导致充填后的区域仍存在空隙，这就为围岩体移动变形提供了可能性。井下充填体的充填效果和强度一般受料浆浓度、充填管径和充填流速的直接影响（许毓海等，2004）。

矿体开采厚度决定着所形成采空区的规模，从而一定程度上决定了开挖扰动的强弱。在相同地质条件下进行开采，开挖矿体越多，扰动越大，造成的岩体沉降现象越明显。表1为2016—2021年不同深度开采中段出矿量占当年出矿总量的比例，对应的分布曲线如图11所示。由表1和图11可知：2016—2021年期间，除2019年和2021年之外，-480 m中段是出矿量占比最大的中段，而-600 m中段出矿量占比在2019年最大。也就是说，最近几年-480 m中段和-600 m中段出矿量均较大，相应围岩体所受应力扰动也非常显著，从而造成这2个中段的累积沉降曲线比较尖锐的沉降特点和较明显的隆起特点（图10）。

不同围岩岩性及结构特点决定了同等受力大小下围岩具有不同的变形特点。断层等地质界面的存在使得围岩体在受力扰动后表现出不同的变形特点。此外，不同开采深度对应着不同的地应力环境和水文地质环境，例如，深部高地应力区围岩更易受扰动而发生破坏，甚至发生冲击地压。同时，深部高温热水与岩体发生化学反应也会削弱岩体强度。岩体移动变形现象具有一定程度的滞后性和渐变性，岩移变形往往与开采活动有一定的时间差。

（1）55号勘探线监测剖面内6个开采中段沉降曲线均呈现不对称的漏斗形。其中，较浅部的-200 m和-240 m中段累积沉降曲线较平缓，呈现“平底锅”型曲线，较深部的-320 m、-400 m、-480 m和-600 m中段累积沉降曲线较尖锐，呈现“漏斗”型曲线。各中段下盘监测点累积沉降曲线均出现轻微隆起现象。

（2）海底不同深度各中段矿体的开采引起的变形均表现为对上盘岩体的影响范围大，而对下盘岩体的影响范围小。越靠近矿体（或控矿断层F₁），岩体的下沉量越大。任一深度中段的任一监测期间内，测点单次沉降数值具有上下波动特点。

（3）新立矿区矿体厚度、开采深度、围岩岩性和岩体结构以及充填效果是影响海底矿体开采围岩变形的主要因素。其中，控矿断层F₁的存在直接影响围岩变形曲线的形态，在将来矿山生产和安全维护工作（巷道维修工作）中，应考虑这一变形特点，以防影响生产效率甚至产生安全事故。

（4）作为滨海基岩矿床，三山岛金矿海底采矿引起的围岩变形具有重要的研究价值。自2015年以来，随着新立矿区采矿规模的扩大、开采强度的提高和开采年限的延长，井下部分巷道变形严重，井下围岩的移动和变形可能造成海水沿着受损岩体涌入巷道，从而威胁采矿人员的生命安全。将来若能开展更加细致充足的实地监测工作和理论分析，将有助于促进海底倾斜金属矿山开采所致围岩变形研究的进一步深入。