露天轉(zhuǎn)地下開采地質(zhì)災(zāi)害規(guī)律及其防治

張海波,劉芳芳,董付科

(1.河北聯(lián)合大學(xué),河北唐山063000;2.河北地質(zhì)職工大學(xué),河北石家莊050081)

0 引 言

國內(nèi)一大批深凹露天礦正在或即將轉(zhuǎn)入地下開采,露天轉(zhuǎn)地下或露天地下聯(lián)合開采已經(jīng)成為當(dāng)前和今后一段時(shí)間國內(nèi)礦山的熱點(diǎn)之一。隨之所產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害問題,也是當(dāng)前各個(gè)礦山面臨的新問題。如露天轉(zhuǎn)地下復(fù)合開采條件下所產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害如巖體變形和移動(dòng)所誘發(fā)的露天邊幫滑坡、地面坍塌等,是露天轉(zhuǎn)地下礦山所面臨的重要地質(zhì)問題。

1 露天采場邊坡失穩(wěn)

露天采場邊坡的穩(wěn)定是確保露天開采安全生產(chǎn)的關(guān)鍵,但是露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山穩(wěn)定性問題既不同于單一的露天開采,又不同于單純的地下開采,復(fù)合開采礦山的巖體經(jīng)歷露天和地下二次開挖擾動(dòng),應(yīng)力場和位移變化比較復(fù)雜(見圖1)。

圖1 地下與露天綜合開采和應(yīng)力作用原理圖

從應(yīng)力場的變化來看,隨著露天開挖的進(jìn)行,由于卸載作用,邊幫巖體內(nèi)的能量逐步得以釋放,露天采動(dòng)影響范圍內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不斷發(fā)生變化,巖體也產(chǎn)生相應(yīng)的變形和滑移,系統(tǒng)處在一種動(dòng)態(tài)平衡的變化之中。露天開采末期轉(zhuǎn)入地下開采,地下開采引起的應(yīng)力變化會(huì)對露天采用影響范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生二次擾動(dòng),表現(xiàn)為地下采動(dòng)效應(yīng)對原來平衡體系的干擾或作用,使得兩種采動(dòng)效應(yīng)相互影響和擾動(dòng),形成一個(gè)復(fù)合動(dòng)態(tài)變化系統(tǒng)。

邊坡的地質(zhì)體由于形成條件、改造作用強(qiáng)度差異,致使其物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜,就是在同一地區(qū),同一巖體或巖組內(nèi),會(huì)出現(xiàn)物理力學(xué)特征的強(qiáng)烈的空間和時(shí)間變化性[1]。許多專家對露天采場的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,也提出了一些行之有效的研究方法。如70年代潘家錚[2]提出了滑坡極限分析的兩條基本原理即極大值原理和極小值原理;1978年張?zhí)鞂歔3]通過按瑞典法建立的簡單土坡穩(wěn)定系數(shù)函數(shù)的數(shù)值分析,全面歸納了最危險(xiǎn)滑弧的變化規(guī)律;李建華[4]提出了巖坡穩(wěn)定性的層次模糊綜合評價(jià)法;彭濤[5]采用A LGORFEA軟件進(jìn)行有限元計(jì)算,研究了首采礦段開挖所引起的新的次生應(yīng)力場的變化規(guī)律,圈定了巖體可能出現(xiàn)破壞的范圍。許多學(xué)者對邊坡穩(wěn)定性概率分析和可靠性研究做出了卓有成就的貢獻(xiàn)。不管應(yīng)用哪種有效的方法,要解決露天采場的邊坡失穩(wěn)首先就是預(yù)防,對邊坡地質(zhì)體進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測邊坡上應(yīng)力集中處地質(zhì)體穩(wěn)定性的變化。根據(jù)巖體的抗拉、抗壓強(qiáng)度以及所受載荷進(jìn)行支護(hù);根據(jù)巖體不同部位應(yīng)力場的變化,確定巖體的穩(wěn)定性。若為土質(zhì)邊坡,需進(jìn)行土體強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)計(jì)算其安全系數(shù),并增設(shè)排水設(shè)施。若采場出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的現(xiàn)象,必須根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇最為合適的方法進(jìn)行穩(wěn)固。

2 地面塌陷

在露天開采轉(zhuǎn)為地下開采的過渡期,礦山由單一的露天開采轉(zhuǎn)為露天與地下開采同時(shí)作業(yè),露天礦受地下開采影響的范圍與程度,與露天和地下在時(shí)間、空間上的結(jié)合程度,以及地下采空區(qū)的狀況等因素有關(guān)。若地下采空區(qū)的面積較大,圍巖不夠穩(wěn)固或空區(qū)形成的時(shí)間較長,可能因巖層移動(dòng)而在地面形成塌陷坑,呈漏斗形狀,直徑可達(dá)幾米到幾百米,深度為幾米至幾十米,漏斗壁傾角通常為85～105°。根據(jù)形成速度的不同,可分為崩塌型塌陷坑和巖移型塌陷坑。前者往往是在地表出現(xiàn)較大的變形以前,突然崩塌形成直壁塌陷坑。影響其形成的主要因素是巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、開采深度、礦體厚度、采空區(qū)的尺寸與形狀、巖層的地質(zhì)條件等,它多在開采深度不大的礦體回收頂柱和間柱時(shí)形成。巖移型塌陷坑形成的速度緩慢,通常是在開采急傾斜礦體時(shí),崩落帶向上發(fā)展而形成的。影響其形成的主要因素是礦體傾角、礦體厚度,巖石的自然安息角、巖層的產(chǎn)狀及其非均質(zhì)性和各向異性,回采順序、采空區(qū)位置,及其上方崩落巖石的高度,頂柱和間柱的穩(wěn)定性等。它的形成地點(diǎn)較難準(zhǔn)確預(yù)測。

統(tǒng)計(jì)資料表明,在平均采深H與回采垂直高度m之比不大于15時(shí),就可能形成塌陷坑。崩落型塌陷坑的形成與發(fā)展可能給生產(chǎn)帶來災(zāi)難性的影響[6]。

應(yīng)對措施:在進(jìn)行開采設(shè)計(jì)時(shí).應(yīng)確定觀測巖體變形的方法,制定確定地下采空區(qū)的位置與大小的方法,并建立專門的機(jī)構(gòu)或確定專人進(jìn)行地壓觀測和安全檢查。

根據(jù)鉆孔巖心和巖樣試驗(yàn),以及對巖體的凋查與試驗(yàn),進(jìn)行巖體工程地質(zhì)研究。編制露天和地下所有巷道、崩落區(qū)邊界線、開采區(qū)段的地質(zhì)構(gòu)造特征、開采狀況等測量資料,進(jìn)行邊坡和地下巖層的位移規(guī)則。通過鉆孔的觀測,確定采空區(qū)充填程度,并預(yù)測地下空洞的發(fā)展,查出可能突然發(fā)生崩落危險(xiǎn)的區(qū)段等。

根據(jù)觀測資料與預(yù)測,編制空區(qū)處理設(shè)計(jì),對露天安全生產(chǎn)有威脅的空區(qū)應(yīng)盡快消除。

編制合理的爆破作業(yè)圖表,采取減震爆破技術(shù)措施,降低爆破地震波對露天礦底部的破壞作用。

3 礦坑涌水

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山,一般在露天開采過程中已形成了很深的露天坑,采場匯水面積大,露天坑已經(jīng)形成了積水坑。在地下開采時(shí),由于上覆蓋層裂隙和斷層的影響,地表水將不可避免地浸入地下巷道。在汛期,地表集中降雨時(shí),會(huì)引起短時(shí)逕流量加大,對地下礦開采正常生產(chǎn)造成影響,特別是當(dāng)?shù)叵麻_采需要放頂崩落時(shí),這時(shí)地表水將全部進(jìn)入地下,加大地下開采過程中排水的難度?；蚴堑叵麻_采時(shí)揭露的斷裂帶有可能導(dǎo)致大氣降水及地表積水穿入礦坑,造成地下開采困難。

為防止在地下開采突然出現(xiàn)的礦坑涌水,除在礦山井巷開拓時(shí)要做好超前探水工作,查明斷裂帶的導(dǎo)水性之外,還要注意觀測,收集地下涌水變化情況,以便為礦山地下防排水工作提供準(zhǔn)確的依據(jù)。在每年雨季到來之前,須檢查、清理和加固露天坑的截洪溝,以確保遇雨時(shí)地表逕流不直接灌入露天坑內(nèi)。隨著開采水平的下移,開采引起的錯(cuò)動(dòng)范圍逐漸外移,須隨時(shí)在錯(cuò)動(dòng)線以外加筑攔洪壩和排洪溝,減少地表逕流流入錯(cuò)動(dòng)區(qū),同時(shí)重視錯(cuò)動(dòng)區(qū)內(nèi)地表逕流的導(dǎo)排工作[7]。對于露天采場的匯水,利用露天排水泵站,將匯集的部分坑內(nèi)逕流直接排至露天坑外,保持采場正常生產(chǎn)。也可以根據(jù)礦山的實(shí)際情況,采用數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測礦坑實(shí)際涌水量,指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)。

4 巷道變形

巷道變形是圍巖力學(xué)性態(tài)變化最直接的體現(xiàn),支護(hù)系統(tǒng)的破壞或圍巖的垮落與坍塌,都是變形發(fā)展超過某一限度的結(jié)果?，F(xiàn)場量測和監(jiān)視是監(jiān)控設(shè)計(jì)中的主要一環(huán),歸結(jié)起來,量測的目的是掌握圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)受力與變形的動(dòng)態(tài)或信息,并以此判斷設(shè)計(jì)、施工的安全與經(jīng)濟(jì)性。

在露天轉(zhuǎn)地下開采過程中,巷道出現(xiàn)變形的原因主要有:(1)圍巖節(jié)理裂隙的相對比較發(fā)育,充填物流失;(2)錨桿拉脫或墊板陷入圍巖內(nèi)部;噴混凝土是產(chǎn)生裂隙或剝離;當(dāng)拱頂噴射混凝土層出現(xiàn)對稱的、可能向下滑落的剪切破壞的現(xiàn)象時(shí),或側(cè)墻發(fā)生向內(nèi)測滑動(dòng)的剪切破壞,并伴有底臌現(xiàn)象時(shí),這兩種情況都會(huì)引起塌方事故。(3)露天礦爆破所產(chǎn)生的破壞。

巷道的形變量也能夠較準(zhǔn)確地判斷巷道圍巖的穩(wěn)定性,并可以根據(jù)其形變加速來預(yù)測圍巖坍塌的時(shí)間。

對于圍巖沒有支護(hù)的巷道要進(jìn)行巷道支護(hù),并及時(shí)進(jìn)行巷道的支護(hù);對于已經(jīng)支護(hù)的巷道要進(jìn)行巷道的檢查與檢測,以確保圍巖是否產(chǎn)生較大的危害。為避免或防止礦山露天爆破對地下井巷工程和采礦場的破壞作用,在地下開拓巷道與露天采場底之間保持足夠的安全距離。在規(guī)劃巷道頂板與露天底之間至少保持20～50m的安全距離。另外,為防止露天底穿爆作業(yè)時(shí)留取的保安礦柱的破壞,在臨近露天底的穿爆作業(yè)不要超深,并控制露天爆破的裝藥量,采用分段微差爆破、擠壓爆破等減震措施[8]。

5 泥石流

露天轉(zhuǎn)地下開采的礦山形成泥石流的主要原因在于覆蓋層,覆蓋層使地下采場和地面隔開,延緩雨水下滲速度,錯(cuò)開洪峰,避免產(chǎn)生泥石流,對地下采場的安全起到重要的作用。覆蓋層散體泥石流形成的原因主要是隨著礦體的放出,覆蓋層中內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,隨著覆蓋層深度的增加,顆粒間越來越致密,滲透系數(shù)越來越小,當(dāng)覆蓋層承受不了散體中水的壓力時(shí),會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性的泥石流[9]。要避免露天轉(zhuǎn)地下泥石流的產(chǎn)生首先要做好防排水工作;其次可以在露天邊坡與采場之間留原生礦柱隔離,待整個(gè)采區(qū)回采完畢,創(chuàng)造條件回收礦柱[10]。

6 結(jié)束語

對于露天轉(zhuǎn)地下開采過程中產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)不及此,本文重點(diǎn)闡述了危害相對比較大的地質(zhì)災(zāi)害,并提供了應(yīng)對措施,望對礦山的安全能提供一些幫助。

[1] 賈厚華.邊坡穩(wěn)定性分析模糊方法研究[D].北京:中國科技學(xué)院,2003.6.

[2] 潘家錚.建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京:水利出版社,1980.

[3] 張?zhí)鞂?土坡穩(wěn)定分析和土工建筑物的邊坡設(shè)計(jì)[M].成都:程度科技大學(xué)出版社,1987.

[4] 李建華.巖坡穩(wěn)定的層次模糊綜合評價(jià)法[J].貴州工學(xué)院學(xué)報(bào),1992.21(4):27～35.

[5] 彭濤.露天轉(zhuǎn)地下開采對礦巖穩(wěn)定性影響的研究[D].武漢理工大學(xué),2003.11.

[6] 楊榮新.露天采礦學(xué)[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1990.12.

[7] 劉景秀.深凹露天轉(zhuǎn)地下開采礦山防排水措施的探討[J].非金屬礦,2001.24(4):40～41.

[8] 李欣.石人溝鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采中的難點(diǎn)及對策[J].礦業(yè)快報(bào),2002,10,19.

[9] 顧乃滿等.露天轉(zhuǎn)地下開采覆蓋層形成泥石流原因的研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,1(1).

[10] 章立才.露天轉(zhuǎn)地下開采的技術(shù)措施[J].金屬礦山,1994(9).