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

王海衛(wèi)

（山東黃金礦業(yè)股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261438）

現(xiàn)代人們對金屬礦產(chǎn)資源需求量不斷增多，為了滿足人們應(yīng)用需求，金屬礦地下開采范圍不斷擴大，而在金屬礦開采過程中，這將會導(dǎo)致巖體原始應(yīng)力平衡被打破，從而使巖層與地表發(fā)生移動。開采沉陷是在地表移動下，金屬礦開采會引起沉陷盆地、塌陷和裂縫問題，這會導(dǎo)致沉陷區(qū)內(nèi)的公路、建筑物等都遭受到不同程度沖擊，情況嚴重，會導(dǎo)致地下水和地表水造成嚴重危害，不僅會造成巨大經(jīng)濟損失，而且會造成人員傷亡。

1 金屬礦開采地表沉陷規(guī)律

金屬礦地下開采引起的地表沉降問題，從本質(zhì)上來說是一個復(fù)雜力學(xué)過程，在采空區(qū)內(nèi)上巖體受開采影響將會發(fā)生擾動問題，這將會導(dǎo)致開采區(qū)內(nèi)應(yīng)力平衡被打破，進而導(dǎo)致金屬礦開采區(qū)頂板巖層發(fā)生一定，而且地表也會發(fā)生沉降問題，地面工程建設(shè)會遭受到不同程度危害[1]。金屬礦開采規(guī)律特征主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1 巖體內(nèi)部移動產(chǎn)生下沉盆地

當(dāng)?shù)叵陆饘俚V部分礦體被開采出來之后，在巖體內(nèi)部將會形成大面積采空區(qū)，此時，將會導(dǎo)致頂板巖層下部空間應(yīng)力會被重新分配，這也就會導(dǎo)致原平衡被打破，從而使頂板巖層將會處于受力狀態(tài)，形成彎曲和移動。如果在金屬礦地下開采時，如果發(fā)生的應(yīng)變能夠承受的承載范圍內(nèi)，此時，則能夠保持平穩(wěn)彎曲和連續(xù)規(guī)律[2]。從實際分析情況來看，彎曲越大，撓度也就會越大，若產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，其超過巖層能夠承受的極限值，勢必會引起的破碎、斷裂、冒落等各種問題，上述問題的出現(xiàn)，會使上部巖層發(fā)生離層、斷裂等問題，這會使采區(qū)圍巖內(nèi)重新分布。如果在金屬礦地下開采時，若整體開采范圍足夠大，當(dāng)巖層移動快速發(fā)展到地表后，會在開采區(qū)域內(nèi)形成下沉盆地[3]。

1.2 地表發(fā)生移動與變形

金屬礦地下開采的進行，會導(dǎo)致地下采空區(qū)面積不斷擴大，地表將會發(fā)生移動，而且還會發(fā)生嚴重變形，主要位移體現(xiàn)在垂直和水平方向。在地下金屬礦開采時，開挖礦產(chǎn)會不斷增多，位移量會隨著時間推移而不斷變大，達到一定規(guī)模之后，將會處于最大沉降值[4]。通常來說，最大沉降值則位于采空區(qū)上附近，而且會偏向下山方向，同時，地表移動曲線則呈現(xiàn)出不對稱拱形。在水平方向上，水平移動至?xí)牧泓c不斷極大，采空區(qū)上方水平位移值最小，而在采空區(qū)兩側(cè)邊緣點處，水平位移值則最大[5]。在金屬礦地下開采進行時，礦體傾斜角不但加大會導(dǎo)致指向山方向水平移動至不斷減小，而上山方向則會不斷加大。

1.3 移動角與移動范圍

在金屬礦地下開采時，受多項因素影響，開采中段會有所不同，而且的采礦數(shù)目也會不斷增多，這也會導(dǎo)致移動角會呈現(xiàn)處不同狀態(tài)。所謂移動角指的就是主斷面上臨界變形點與采空區(qū)邊界水平線間外側(cè)夾角。在開采金屬礦時，應(yīng)對先通過工程類比法和經(jīng)驗公式法對巖層移動角大小進行確定，在對移動角度大小、位置確定之后，劃出移動范圍。

2 影響地表沉陷的主要因素

地表沉陷是一項復(fù)雜過程，地表沉陷會受到人為因素、地質(zhì)因素影響，其中重要的影響因素有巖層性、開采強度、礦體質(zhì)量等多項因素。除了上述各項問題之外，部分金屬礦所在位置較為特殊，構(gòu)造也具有獨特特點。具體影響因素如下。

2.1 采空區(qū)因素

部分金屬礦采空區(qū)結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理，上下位置都會出現(xiàn)重疊情況，上部采空區(qū)與地面距離較近，這一問題會導(dǎo)致采空區(qū)跨度，以及采高過大，而且頂板厚度無法達到相應(yīng)要求標準。如果礦體埋藏深度相對較淺，當(dāng)上層覆巖遭受到破壞之后，下落巖體難以完成對采空區(qū)內(nèi)范圍完全填充[6]。此外，上下采空區(qū)開連通，這將會出現(xiàn)大規(guī)模采空區(qū)，將會導(dǎo)致開采區(qū)域內(nèi)整體穩(wěn)定性差，存在安全隱患，容易引發(fā)事故。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造因素

地質(zhì)構(gòu)造會對礦區(qū)地理特征造成直接影響。例如，某處于鐵礦的破碎帶內(nèi)巖石較為破損，碳酸鹽化，整個礦體受北西向構(gòu)造破碎帶控制，礦體走向與破碎帶基本一致。礦體開采中，開挖破碎帶之后，容易發(fā)生脫落問題，一旦遇到水后，將會發(fā)生泥化，這將會降低采空區(qū)頂板強度[7]。對礦體整體情況進行分析，礦體向內(nèi)傾斜，這也就導(dǎo)致巖體力學(xué)和強度明顯降低，一些金屬礦區(qū)內(nèi)降水也會對礦區(qū)礦區(qū)內(nèi)地面沉陷造成一定影響，塌陷體在與水相遇后，無論是抗壓強度，還是凝聚力都會明顯降低，同時，水自身也會使覆巖層壓力加大。

3 預(yù)測與監(jiān)測金屬礦地下開采引起的地表沉陷

3.1 預(yù)測地表沉陷

在金屬礦地下開采前，作業(yè)人員要先對礦區(qū)內(nèi)情況進行分析，掌握礦區(qū)具體情況，對開采進行模擬，對地表沉陷問題進行預(yù)測，從而為后續(xù)金屬礦開采作業(yè)開展造成不良影響，避免發(fā)生事故，造成巨大經(jīng)濟損失，以及人員傷亡。

從大量金屬礦地下開采情況來看，在實際開采期間，經(jīng)常會導(dǎo)致地面發(fā)生沉陷問題，在很對情況下，通過力學(xué)分析無法獲取到精準結(jié)果，而通過對傳統(tǒng)經(jīng)驗公式和工程類比發(fā)進行分析，難以獲取到與實際情況相符的預(yù)測結(jié)果。近幾年，計算機技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其在許多行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用，特別是在金屬礦地下開采中應(yīng)用，為金屬礦地下開采引起的沉降現(xiàn)象進行精準預(yù)測提供了一條有效途徑。工作人員在工作開展前，通過對計算進行應(yīng)用完成相應(yīng)模擬，同時，采用GIS、GPS等各項技術(shù)手段進行應(yīng)用，完成對沉降問題的精準定位，利用數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對沉降趨勢的合理預(yù)測，為后續(xù)開采作業(yè)開展提供支持[8]。

3.2 通過對計算機技術(shù)進行應(yīng)用完成模擬

完成金屬礦地下開采作業(yè)之后，應(yīng)力將會發(fā)生改變，此時，可以依據(jù)巖石力學(xué)理論，在基礎(chǔ)上與礦體與經(jīng)驗公式進行適當(dāng)結(jié)合，利用計算數(shù)值完成模型模擬，對金屬礦產(chǎn)開采過程進行全面模擬，構(gòu)建變化曲線，進而體現(xiàn)出不一樣地下開采深度，地表、巖層也會發(fā)生異動變化，常用方法有離散元、有限元、邊界元等各種不同類型方法。從實際情況來看，模擬技術(shù)在應(yīng)用時對于基礎(chǔ)參數(shù)依賴性較高，如果，要想確保這一參數(shù)精準，要將基礎(chǔ)參數(shù)作為應(yīng)用重點內(nèi)容。

3.3 現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

在預(yù)測與監(jiān)測金屬礦地下開采引起的地表沉陷問題上，主要是對GIS、GPS等各項技術(shù)進行應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)與其他處理軟件進行配合應(yīng)用，精準、快速提取金屬礦開地下開采范圍監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時，在問題分析過程中，要動態(tài)跟蹤各項數(shù)據(jù)信息，從而獲取到精準沉降數(shù)據(jù)，為金屬礦地下開采作業(yè)開展提供預(yù)防方案。GIS和GPS是目前應(yīng)用最廣泛的兩個系統(tǒng)，在實際作業(yè)開展期間，要將兩個系統(tǒng)合理融合到一起，在金屬礦開采時對結(jié)合后的系統(tǒng)進行應(yīng)用，能夠通過動態(tài)方式對地表巖層移動情況進行全面監(jiān)測，針對地表災(zāi)害問題的地貌、地質(zhì)、水文等各項影響因素進行動態(tài)跟蹤，完成相應(yīng)分析工作[9]。作業(yè)人員將通過對GPS獲取到的監(jiān)測數(shù)據(jù)精準、及時傳入到GIS系統(tǒng)中，完成數(shù)據(jù)存儲，利用GIS系統(tǒng)強大數(shù)據(jù)處理功能，這可以為金屬礦上山開采作業(yè)提供指導(dǎo)，確保開采作業(yè)順利，減少事故發(fā)生。

4 防治金屬礦地下開采引起地表沉降的合理措施

金屬礦地下開采會引起的地表沉陷問題，通過對金屬礦區(qū)發(fā)生沉陷特點、規(guī)模、穩(wěn)定性等各項要求進行全面分析，針對出現(xiàn)的地表沉陷問題進行防治，具體防治可以從以下幾個方面入手。

（1）禁止發(fā)生塌陷區(qū)域內(nèi)，開展相應(yīng)工程活動，同時，在開采時，要及時對發(fā)生塌坑區(qū)域回填，及時建設(shè)排水溝，避免開采區(qū)內(nèi)因為降雨產(chǎn)生大量積水，進而發(fā)生更加嚴重破壞，造成巨大經(jīng)濟損失，以及人員傷亡。

（2）金屬礦地下開采開展時，需要巖地表發(fā)生變形區(qū)域內(nèi)設(shè)置預(yù)警標識，指派專人對各項工作開展進行全面監(jiān)測，工作人員在監(jiān)測期間，要密切關(guān)注坑涌水量、涌砂、涌泥、崩落石等問題，一旦發(fā)現(xiàn)問題，要及時處理。

（3）嚴格設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)，依據(jù)參數(shù)開展回采，并且要預(yù)留礦柱。針對局部不穩(wěn)定區(qū)域的巷道、礦段、采空區(qū)，要加強支護，常用的措施有噴漿、掛網(wǎng)、錨桿等措施，完成相應(yīng)加固作業(yè)，提高開采區(qū)域穩(wěn)定性，減少沉陷現(xiàn)象發(fā)生，降低危害。

（4）嚴格依據(jù)實現(xiàn)設(shè)計要求對礦塊回采作業(yè)順序完成相應(yīng)回采作業(yè)，進行金屬礦地下開采時，要考慮金屬礦產(chǎn)資源分布情況進行適當(dāng)開采，從而實現(xiàn)對資源的合理應(yīng)用，提高開采效率，同時，也可以降低事故發(fā)生幾率。

（5）在對金屬礦的下部礦體開展開采和開拓時，為了確保開采作業(yè)順利進行，不得在發(fā)生塌陷體下方出現(xiàn)采空區(qū)。從大量開采實例來看，若塌陷體下方存在礦體，在礦體開采作業(yè)完成后，為了避免發(fā)生嚴重塌陷問題，要立即對采空區(qū)進行填充。

（6）對于老塌陷區(qū)內(nèi)存在的殘留礦體，后者礦柱，不得重復(fù)開采，以免造成塌陷事故，如果因為該區(qū)域內(nèi)存在大量金屬礦產(chǎn)資源，考慮到開采作業(yè)效率，以及開采安全，要對開采作業(yè)可行性進行論證，做好設(shè)計工作，嚴格依據(jù)設(shè)計完成相應(yīng)開采。

（7）對于金屬礦地下開采作業(yè)形成的空曠區(qū)，工作人員要及時利用性能滿足應(yīng)用需求的填充料進行填充，通過對充填體進行應(yīng)用，完成對空區(qū)情況的支撐，從而達到減少采空區(qū)上覆巖層下沉量，減少地表下沉問題的發(fā)生。

（8）在實際開采作業(yè)開展時，要保留支撐或永久礦柱，對于選留位置要依據(jù)具體開采情況而定，位置必須合理。

（9）在采空區(qū)通道中穩(wěn)定巖體部位要建設(shè)封堵墻，對于修建的封堵墻要控制好墻體厚度，以免采空區(qū)巖發(fā)生垮冒安全風(fēng)險，引發(fā)事故。

（10）作業(yè)人員可以通過對巖體聲發(fā)生監(jiān)測手段進行應(yīng)用，依據(jù)金屬礦區(qū)情況，構(gòu)建發(fā)射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，從而完成對采空區(qū)低壓活動情況進行全面監(jiān)控，為后續(xù)各項工作提供支持。

5 結(jié)語

金屬礦地下開采規(guī)模不斷擴大，這會破壞自然環(huán)境，這會對人造成較大影響，因此，要對地表發(fā)生沉陷問題主要采用數(shù)值模擬預(yù)測和現(xiàn)代技術(shù)手段開展。其中數(shù)值模擬預(yù)測能夠為地表沉降提供指導(dǎo)，而且采用監(jiān)測手段可以得到精準數(shù)據(jù)，最終構(gòu)建良好地表沉陷預(yù)測體系，可以能夠用在不同礦上，同時，采取合理措施能夠?qū)Φ乇沓料葸M行控制，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境保護。