金屬礦地下開采地表沉陷預(yù)測及監(jiān)測安全技術(shù)探討

姜昌宏

（新疆亞克斯資源開發(fā)股份有限公司 哈密 839000）

1 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大家需要的礦產(chǎn)資源數(shù)量也越來越多，為了滿足人們的要求地下開采的規(guī)模也逐漸變大。在開采的過程中，巖體的原始應(yīng)力平衡會被打破從而出現(xiàn)巖層和地表移動的情況。開采沉陷是指當(dāng)?shù)乇戆l(fā)生移動后出現(xiàn)的沉陷盆地、裂縫等問題，這些問題都會影響到沉陷區(qū)建筑物、公鐵路的正常使用，甚至使得地表和地下水受到影響，帶來更大的安全隱患。現(xiàn)在在進(jìn)行金屬礦開采時，針對地表沉陷問題的防護(hù)變得十分重要，通過各類檢測防護(hù)手段，及時進(jìn)行預(yù)測，提高開采安全，對礦山的安全開采有著十分重要的意義。

2 金屬礦開采過程中的地表沉陷規(guī)律

由于地下開采導(dǎo)致的地表沉陷總的來說是比較復(fù)雜的力學(xué)過程，采空區(qū)上方的巖體在開采的過程中，應(yīng)力平衡遭到破壞，從而使得頂板巖層發(fā)生移動，地表沉陷，導(dǎo)致地面的一些建筑設(shè)施受到損害。其規(guī)律特征表現(xiàn)以下幾方面。

2.1 巖體內(nèi)部移動破壞形成下沉盆地

當(dāng)?shù)叵碌牡V產(chǎn)資源被開采之后，巖體內(nèi)部就會出現(xiàn)采空區(qū)，此時頂板的巖層下部的空間引起了應(yīng)力的重新分配，原來的平衡被打破，頂板巖層就會收到各處的拉引，處于一個受拉的狀態(tài)，產(chǎn)生不同的移動和彎曲。當(dāng)這一應(yīng)變在巖體自身的承載范圍內(nèi)，那么此時將保持連續(xù)和規(guī)律的平緩彎曲。而當(dāng)彎曲越來越大，撓度越來越大，拉應(yīng)力超過了巖層的最大的承載力，則會發(fā)生斷裂、破碎等情況，進(jìn)而使其上部巖層產(chǎn)生斷裂、離層，導(dǎo)致采區(qū)附近的巖體重新分布。如果開采的范圍太大，巖層移動逐漸延續(xù)到地表，這樣就會形成下沉的盆地[1]。

2.2 地表移動與變形

當(dāng)采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，地表就會出現(xiàn)移動和變形，這里主要有地表水平和垂直方向的位移。在垂直的方向，當(dāng)開挖的礦產(chǎn)數(shù)不斷增多時，位移量就會持續(xù)增大，當(dāng)?shù)搅艘欢ㄒ?guī)模時，就會達(dá)到最大下沉值，其位置一般在采空區(qū)上方附近，一般會偏向下山方向。水平方向，水平移動值主要從零點(diǎn)增加，采空區(qū)的上方位置處，水平位移數(shù)值是最小的，兩側(cè)的邊緣點(diǎn)處數(shù)值最大，之后隨著礦體傾角的增大，在下山的方向，其水平移動數(shù)值只會越來越小，上山方向則越來越大。

2.3 移動角及移動范圍

由于開采礦的數(shù)目和開采中段的不一樣使得移動角也有所不同。移動角指的是主斷面上面的臨界變形點(diǎn)和采空區(qū)邊界水平線之間外側(cè)的夾角。在開采的時候，一般會先對巖層的移動角進(jìn)行確定，確定方法主要使用經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法，之后劃出移動的范圍[2]。

2.4 地表沉陷問題的影響因素

作為比較復(fù)雜的時空過程，地表沉陷問題會涉及到許多地質(zhì)和人為的因素。其中包含地層巖性、礦體質(zhì)量、開采強(qiáng)度等。但是除了這些之外，部分金屬礦區(qū)還有一些比較獨(dú)特的地理位置、構(gòu)造特點(diǎn)等。首先是采空區(qū)的因素，例如一些采空區(qū)的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，上下位置有重疊，上部采空區(qū)距離地表比較近等，這些都有可能造成采空區(qū)跨度和采高過大，頂板厚度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn);礦體埋藏深度相對來說比較淺，上覆巖層遭到破壞之后，落下的巖體很難使得采空區(qū)能夠被充分地填充;上下采空區(qū)連通，導(dǎo)致出現(xiàn)大規(guī)模的采空區(qū)，使整體存在穩(wěn)定性方面的安全隱患。地質(zhì)構(gòu)造因素主要關(guān)系到礦區(qū)的地理特征，例如桃花山的鐵礦其處在鐵門坎附近的破碎帶之中，破碎帶內(nèi)巖石比較破碎，碳酸鹽化，受北西向構(gòu)造破碎帶控制，礦體走向和破碎帶相同;破碎帶在開挖之后就容易脫落，遇到水后發(fā)生泥化，降低了采空區(qū)頂板的整體強(qiáng)度;礦體位于鐵門坎向斜內(nèi)，巖體整體強(qiáng)度和力學(xué)性質(zhì)明顯降低，一些金屬礦區(qū)的大氣降水因素也會產(chǎn)生影響，和水相遇之后塌陷體不管是抗壓強(qiáng)度還是內(nèi)聚力都會出現(xiàn)大幅度的降低，水自身也在一定程度上加大了上覆巖層的壓力[3]。

3 金屬礦開采中的地表沉陷的預(yù)測和監(jiān)測

3.1 開采過程中的沉陷監(jiān)測

我們都知道地下金屬礦開采會引起地表沉陷，然而在很多情況下力學(xué)的分析是很難得到精準(zhǔn)的結(jié)果，而傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式和工程類比法也沒有辦法做到全面的預(yù)測?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，在開采沉陷預(yù)測問題上為我們提供了一些解決的途徑。我們可以利用計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬和GPS,GIS的手段，來對沉陷問題進(jìn)行準(zhǔn)確定位，通過數(shù)值分析來預(yù)測沉陷趨勢[4]。

3.2 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬

當(dāng)?shù)V體被開采之后，再出現(xiàn)的應(yīng)力變化下，可以根據(jù)巖石力學(xué)理論，結(jié)合一些經(jīng)驗(yàn)公式和以及礦體的實(shí)際情況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬模型，來對開挖過程做出模擬，建立變化曲線，能夠表現(xiàn)出在不一樣的開采深度下，巖層、地表發(fā)生的移動變化。這里常用的有離散元、有限元、邊界元等方法。數(shù)值模擬技術(shù)相對來說對基礎(chǔ)參數(shù)的依賴性極高，因此要確保這一參數(shù)的準(zhǔn)確性，因此初始基礎(chǔ)參數(shù)是其應(yīng)用的重點(diǎn)部分。

3.3 現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)

現(xiàn)代檢測技術(shù)主要是依靠GPS、GIS 技術(shù)等，配合其他的處理軟件，快速提取礦山大范圍監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，實(shí)時動態(tài)的跟蹤數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而準(zhǔn)確的得到沉降數(shù)據(jù)，幫助我們做好提起預(yù)備方案?，F(xiàn)在GPS和GIS是是其中應(yīng)用最為廣泛的，將兩個系統(tǒng)結(jié)合起來，可以對在開采礦體時，對其地表巖層的移動做好動態(tài)監(jiān)測，把這兩個技術(shù)結(jié)合在一起，對引起礦山地表災(zāi)害的地址、地貌、水文等實(shí)施跟蹤，把GPS得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)輸入并存儲在GIS系統(tǒng)中，通過這一系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。來為礦山的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)作用[5]。

4 地表沉陷的防治

從金屬礦區(qū)塌陷規(guī)模、特征、穩(wěn)定性等來看，針對開采中出現(xiàn)的塌陷問題主要提出以下幾點(diǎn)防治措施。

（1）嚴(yán)禁在塌陷變形區(qū)做其他的工程活動，及時的回填塌坑。及時修設(shè)排洪溝，防止降水導(dǎo)致地表的再一次被破壞。沿地表變形區(qū)附近要建立預(yù)警標(biāo)志，派專門的人員負(fù)責(zé)監(jiān)測工作，還要注意密切觀察礦坑的涌水量及崩落塊石等。再回采時要嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)參數(shù)，預(yù)留礦柱。對局部不穩(wěn)定的礦段、巷道等要加強(qiáng)支護(hù)和一些加固措施。

（2）按設(shè)計(jì)要求的礦塊回采順序進(jìn)行回采，做到合理利用資源，不浪費(fèi)。下部礦體在開拓和開采的時候，絕對不能在塌陷體的下方出現(xiàn)采空區(qū)，如果塌陷體的下方還有礦體，在開采之后要對采空區(qū)做好填充措施。老塌陷區(qū)的殘留礦體或礦柱不要再重復(fù)開采，若要開采需有完善的可行性論證及設(shè)計(jì)[6]。

（3）用充填料對采空區(qū)進(jìn)行填充，支撐好空區(qū)，減少采空區(qū)上覆巖層下沉量。保留永久礦柱或支撐，選留合適的位置。要在采空區(qū)的通道中一些比較穩(wěn)定的巖體位置修筑封堵墻，墻體要具有一定的厚度，防止出現(xiàn)圍巖垮塌的情況。除此之外還可以利用巖體聲發(fā)射監(jiān)測手段來監(jiān)測采空區(qū)。

5 結(jié)束語

隨著金屬礦地下開采規(guī)模的增大，其對自然的破壞不斷加大，給人們造成的威脅也越來越大，應(yīng)對地表沉陷這一問題目前來說主要的技術(shù)手段是數(shù)值模擬預(yù)測和現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)。前者對地表沉陷預(yù)測提供了一定的指導(dǎo)作用，但這些問題不能只靠著這些理論的研究來解決，還需要和實(shí)際的施工實(shí)踐結(jié)合在一起。通過現(xiàn)代監(jiān)測手段等來得到實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合理論指導(dǎo)實(shí)踐，創(chuàng)造出一個合適的地表沉陷預(yù)測體系，能夠適應(yīng)不同礦山的實(shí)際條件，幫助我們更好地控制地表沉陷，保護(hù)地表環(huán)境。