銅礦地下采空區(qū)穩(wěn)定性分析與處理

沈正通

（云南金沙礦業(yè)股份有限公司，云南 昆明 654100）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展金屬銅礦的應(yīng)用越來越廣泛，銅礦的開采活動(dòng)也隨之增多[1]。銅是我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展離不開的礦產(chǎn)資源之一，也是我國(guó)工業(yè)原料和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施原料的主要應(yīng)用金屬之一。其相關(guān)金屬礦山采選業(yè)生產(chǎn)總值每年占全國(guó)GDP總值的5.7%以上。隨著我國(guó)銅礦資源開發(fā)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，銅礦山采空區(qū)的數(shù)量和規(guī)模也與日俱增，因?yàn)椴煽諈^(qū)導(dǎo)致的安全事故和災(zāi)害也不算增多。為了保證采空區(qū)回采的安全性，保障開采場(chǎng)地的生命財(cái)產(chǎn)安全，就需要對(duì)銅礦地下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并做出相應(yīng)的處理，進(jìn)而減少由于采空區(qū)大面積坍塌等帶來的危害。其中，銅礦采空區(qū)的地形結(jié)構(gòu)、采空區(qū)穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)等是銅礦采空區(qū)安全的制約因素。

1 銅礦地下采空區(qū)的穩(wěn)定性分析

1.1 采空區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)

銅礦采空區(qū)的巖石層主要由閃長(zhǎng)巖、斜長(zhǎng)巖和石英片巖組成，并且采空區(qū)中巖石多為裂隙發(fā)育方式，如節(jié)理、斷層、張裂隙等。此區(qū)域中依據(jù)地質(zhì)特征可以分為八個(gè)巖石組分，石英巖組占較大的比重，其他巖組則較少。同時(shí)，石英片巖集中分布在采空區(qū)的頂板層中。采空區(qū)的上方一般為二云母巖，下方則以黑云母巖為主，同時(shí)采空區(qū)的上下方之間有原始銅礦和氧化銅礦存在[2]。并且采空區(qū)的頂板之上的銅礦巖石受環(huán)境氣候影響較為嚴(yán)重，尤其風(fēng)化作用，其對(duì)頂板銅礦巖石有很大侵蝕性，從而導(dǎo)致礦巖破碎，甚至遇到輕微的振動(dòng)也會(huì)使得頂板銅礦巖發(fā)生塌陷；下方的銅礦巖石則不受或少受風(fēng)化的影響，質(zhì)地牢固，通常不會(huì)出現(xiàn)破裂或斷層等現(xiàn)象。

此外地下采空區(qū)個(gè)別巖層有可能包含少量閃長(zhǎng)巖、角巖或矽卡巖。這類巖層屬于硬性至極硬性巖層范圍。下盤巖層較為穩(wěn)定，形成斷層或破碎帶情況可能性較小。整體密集程度大，對(duì)地下采空區(qū)的影響較小。開采工程地質(zhì)條件好，處應(yīng)對(duì)角巖的破碎帶外，一般不需要設(shè)置特別的開采防護(hù)措施，礦產(chǎn)施工地質(zhì)條件屬于簡(jiǎn)單型。

通常情況下銅礦采空區(qū)地下含水層多為第四系孔隙潛水、黑云母巖風(fēng)化孔裂隙水和二疊系石灰?guī)r巖溶水。整體地下水域補(bǔ)給大多依靠大氣降水，很少出現(xiàn)大型地質(zhì)構(gòu)造斷裂導(dǎo)致的地下采空去充水。礦區(qū)表面水域與采空區(qū)地下水域連接能力較弱，且難以形成大型水體區(qū)域。地下采空區(qū)礦床多存于水域侵蝕基準(zhǔn)面下部，進(jìn)行井巷建設(shè)時(shí)，容易出現(xiàn)滲水情況。

表1 銅礦巖物理參數(shù)

1.2 穩(wěn)定性分析

通過實(shí)地考察可以發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)不穩(wěn)定影響因素：第一，由于采空區(qū)的形態(tài)不一，采空區(qū)的長(zhǎng)度、寬度、高度以及體積均較大，其體積可達(dá)28000m3，地表投影面積約為800m3；采空區(qū)的面積以體積較大，給采空區(qū)穩(wěn)定性的分析和控制帶來很大的困難。第二，地層的巖石性質(zhì)，銅礦地下采空區(qū)內(nèi)縫隙較多，且以裂隙的方式不斷發(fā)育，其中張開裂隙、縱向裂隙、地層碎裂、節(jié)理發(fā)育情況較好，采空區(qū)中的頂板周圍的礦區(qū)巖石受風(fēng)化影響較大，地層以下約35m范圍內(nèi)云母巖幾乎全受到風(fēng)化作用，稱之為高等分化；采空區(qū)下部的礦巖受風(fēng)化作用影響較小，其構(gòu)造是由分散構(gòu)造轉(zhuǎn)變成碎裂構(gòu)造，巖石的抗拉強(qiáng)度極低。此外在地下銅礦開采時(shí)的爆破階段，容易引起采空區(qū)上方的巖石以及邊坡的巖土等震動(dòng)，從而引發(fā)銅礦采空區(qū)塌陷、掉落等現(xiàn)象。

1.3 采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算

通過對(duì)地下采空區(qū)的考察和分析，可以得出，銅礦地下采空區(qū)綜合穩(wěn)定性主要受到采空區(qū)自身形態(tài)因素、地層巖性礦區(qū)內(nèi)裂痕發(fā)育因素、礦區(qū)人為爆破震動(dòng)等因素影響。為了科學(xué)分析采空區(qū)整體穩(wěn)定性，計(jì)算礦區(qū)相關(guān)影響因素對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定的影響。利用PC端環(huán)境仿真，對(duì)銅礦區(qū)地下采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行具體計(jì)算。

設(shè)采空區(qū)頂板最小的厚度值為16m，利用壓力模擬裝置模擬空間應(yīng)力和爆破力，對(duì)地下銅礦采空區(qū)頂板巖層進(jìn)行分割作用；同時(shí)依據(jù)庫倫法則計(jì)算巖石的抗分割強(qiáng)度，巖體粘接力選取c=60kPa，計(jì)算成果如表2所示。

表2 采空區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果表

對(duì)于面積較大的采空區(qū)，其投影到地表層的面積接近800m2，所以其穩(wěn)定性的計(jì)算需要進(jìn)一步借助三維空間模擬信息系統(tǒng)和PC端的仿真模擬軟件。利用數(shù)據(jù)模擬方式進(jìn)行采空區(qū)受力分布圖見圖1，在縱向要注意采空區(qū)地表層由于受到空間應(yīng)力和爆破振動(dòng)等合成應(yīng)力的影響，從而造成其對(duì)采空區(qū)頂板的壓力記為P1=1.6MPa，垂直走向受到采空區(qū)上方巖石的重力P0=13MPa，水平走向作用力P3=0.68MPa，分割力P4=6.0MPa，所以在垂直方向上對(duì)采空區(qū)頂板的合應(yīng)力Pa=P1+P0=14.6MPa。

圖1 地下采空區(qū)受力分布

圖2 采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性研究

此采空區(qū)地層的彈性量F=3.9GPa，地層作用力比值v=0.19；可以將采空區(qū)沿著周圍劃分為30個(gè)單元，縱向分割為22個(gè)單元。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)的頂板是最為危險(xiǎn)的區(qū)域，其次采空區(qū)的周圍及其與頂板的交接處。沿著采空區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置4條勘測(cè)線，每條線之間相距3m設(shè)置若干個(gè)測(cè)量點(diǎn)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2曲線可知，采空區(qū)受到爆破力和空間應(yīng)力，各個(gè)區(qū)域的位移值隨著擴(kuò)展方向逐漸減小，另外通過曲線重合點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)：在頂板厚度最小值為12m左右時(shí)，爆破力與空間應(yīng)力對(duì)采空區(qū)的穩(wěn)定性不會(huì)造成太大的影響，采空區(qū)穩(wěn)定性較高。

2 銅礦地下采空區(qū)的處理

為了有效防治地下采空區(qū)出現(xiàn)意外事故，對(duì)于采空區(qū)的處理需要根據(jù)采空區(qū)自身分布環(huán)境和周圍地質(zhì)環(huán)境兩方面進(jìn)行綜合性治理。在地下采空區(qū)與隔板之間可以填充大量采空區(qū)下層墊層，以緩解地下采空區(qū)的壓力，分散應(yīng)力，避免周圍巖石發(fā)生大面積的掉落，甚至威脅到人們開采和器械設(shè)備的安全；崩塌周圍巖石處理采空區(qū)的方法分為爆破崩塌和自然崩塌，如果周圍巖性較為穩(wěn)定，不滿足自然崩塌的要求，則選用爆破的方法崩塌周圍巖石。爆破崩塌方法所耗費(fèi)的成本較高，其爆破范圍、數(shù)量和時(shí)間等都是可以控制的，所以此方法為常用的地下采空區(qū)處理方法[5]。在采空區(qū)隔離層較厚的情況下，開采場(chǎng)地極有可能沒有巖石掉落，需要用崩落的上下方圍巖填充石墊層；并利用崩落法處理，當(dāng)?shù)V體的厚度較大時(shí)，崩落上方的周圍巖層不滿足崩落要求，則崩落下方巖石，增大巖石墊層的厚度。

在銅礦的開采活動(dòng)中，隨著采空區(qū)中段的生產(chǎn)產(chǎn)量逐漸降低，可以將地下礦體中部進(jìn)行掩埋，將礦區(qū)兩側(cè)重新設(shè)立成為獨(dú)立的區(qū)域。如果個(gè)別采空區(qū)距離主要的銅礦體或開采區(qū)域遠(yuǎn)，采空區(qū)的下部有可能已經(jīng)失去了回采的性能和意義。對(duì)于此類采空區(qū)，為避免周圍巖石的總體脫落造成的氣浪沖擊等危害，在采空區(qū)的處理過程中，將運(yùn)輸軌道以及施工巷道修建牢固的隔斷墻，將采空區(qū)進(jìn)行封閉處理。此方法具有簡(jiǎn)單且有效的優(yōu)點(diǎn)。

3 結(jié)語

銅礦地下采空區(qū)由于其地形特征、穩(wěn)定性的影響因素等各不相同，所以在進(jìn)行相應(yīng)的處理中需要選用合適的方法，進(jìn)而達(dá)到提高采空區(qū)穩(wěn)定性的效果。同時(shí)，由于受到開采方法、開采使用的機(jī)械設(shè)備、以及爆破震動(dòng)等因素的影響，采空區(qū)的穩(wěn)定也受到很大的威脅。通過對(duì)其穩(wěn)定性計(jì)算分析，可以有效地解除破壞采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的安全處理，進(jìn)而保障銅礦開采時(shí)機(jī)械設(shè)備的安全使用和人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

[1]趙雨薇,韓超超,王大國(guó),等.無底柱分段崩落法開采掛幫礦誘發(fā)邊坡巖移的數(shù)值模擬[J].金屬礦山,2017,12(9):197-200.

[2]蔡曉光,鄭學(xué)鑫,黃鑫,等.某銅礦尾礦砂力學(xué)特性和尾礦壩變形穩(wěn)定性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2017,32(8):128-134.

[3]劉艷,黃健柏,諶金宇.全球銅礦石資源流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)及影響因素分析[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2017,05(7):146-149.

[4]張晗.中條山地區(qū)銅礦峪斑巖銅鉬礦床電氣石硼同位素特征[J].地質(zhì)學(xué)報(bào),2018,92(3):575-586.

[5]聞磊,李夕兵,唐海燕,等.變溫度區(qū)間凍融作用下巖石物理力學(xué)性質(zhì)研究及工程應(yīng)用[J].工程力學(xué),2017,34(5):247-256.