金屬礦地下開采地表沉陷與防護(hù)

李云鵬

（煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265401）

我國(guó)在進(jìn)行金屬礦開采的時(shí)候，多數(shù)是以地下開采為主，露天開采比較少，隨著當(dāng)下露天礦產(chǎn)資源的減少，深入地下進(jìn)行資源的開采將會(huì)成為我國(guó)未來(lái)金屬礦開采的重要趨勢(shì)。但是由于我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)地勢(shì)地形都比較復(fù)雜，因此，地下開采的危險(xiǎn)性更高，事故發(fā)生的概率也更大，因此要找到在金屬礦開采過程中會(huì)發(fā)生地表沉陷的問題，從而進(jìn)行合理的防護(hù)。

1 金屬礦山開采的現(xiàn)狀

金屬礦開采是對(duì)地下礦產(chǎn)資源進(jìn)行開發(fā)的過程，主要分為開采、切割以及回采等流程。采礦的方式有地下和地上兩種，由于礦產(chǎn)資源是不可再生資源，因此最近幾年地上的金屬礦產(chǎn)越來(lái)越少，大部分都是地下礦的開采，而隨著地下礦產(chǎn)資源開采的增加，其開采工藝也在不斷的提升，從傳統(tǒng)的手工開采已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱爽F(xiàn)代化的機(jī)械開采，目前大部分的礦企都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化作業(yè)。目前我國(guó)金屬礦的開采采用的是比較先進(jìn)的連續(xù)開采技術(shù)，這是由礦體的硬度決定的。如果礦體的硬度比較小，可以采用連續(xù)平行的施工方式作業(yè)，如果礦體硬度較大的話，開采過程就會(huì)被分段進(jìn)行，不同的施工段會(huì)采用連續(xù)平行的開采方式，因此每個(gè)階段都需要做好協(xié)調(diào)的工作[1]。

2 金屬礦開采地表沉陷的表現(xiàn)

2.1 巖體沉降移動(dòng)成為盆地

在礦區(qū)，礦產(chǎn)資源被開采后，巖層之間就會(huì)形成采空區(qū)間，這種區(qū)間之間會(huì)發(fā)生力的重新分配，打破了原本的平衡狀態(tài)，頂層巖石就會(huì)被向上拉升，受到了一個(gè)拉伸的狀態(tài)，因此會(huì)產(chǎn)生不同程度的移動(dòng)以及彎曲。如果這個(gè)空間的變化在自身承載力范圍之內(nèi)，則礦區(qū)整體將繼續(xù)保持平衡以及平緩的彎曲，經(jīng)過時(shí)間的累計(jì)，這個(gè)彎曲變大，則拉伸力就會(huì)增加，從而超過了巖層最大的承受能力，最終會(huì)發(fā)生巖層斷裂甚至破碎的情況，導(dǎo)致了整個(gè)礦區(qū)的巖體重新分布。如果開采的范圍比較大，則巖層會(huì)逐漸延伸到地表，從而形成盆地。

2.2 地表發(fā)生移動(dòng)及變形

當(dāng)?shù)V區(qū)資源被開采過后，采空區(qū)的面積就會(huì)不斷的擴(kuò)大，地表難免會(huì)發(fā)生移動(dòng)以及變形，主要是水平和垂直兩個(gè)方向的移動(dòng)。在垂直方向上，如果開采礦產(chǎn)資源越多，則移動(dòng)就會(huì)越大，達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，就會(huì)超過最大的下沉值，這個(gè)位置通常在采空區(qū)的上方，這就會(huì)偏向下山的方向。對(duì)于水平移動(dòng)來(lái)說，都是一點(diǎn)點(diǎn)增加的，才空區(qū)的上方其水平移動(dòng)值是最小的，兩側(cè)的數(shù)值最大，隨著位置的不斷移動(dòng)，礦區(qū)的傾斜角度也發(fā)生了變化，水平移動(dòng)的數(shù)值越小，則向上的方向就越大。

2.3 移動(dòng)角度和范圍

由于在礦山開采的過程中，每個(gè)采礦區(qū)開采的數(shù)量以及開采方式不同，導(dǎo)致了地表移動(dòng)的角度也有所不同，移動(dòng)角度是主斷面的臨界點(diǎn)與采空區(qū)之間的夾角，在礦產(chǎn)開采的時(shí)候，都是先對(duì)這個(gè)移動(dòng)偏角進(jìn)行測(cè)量，在確定出主要的工程算法，從而計(jì)算出整地表的移動(dòng)范圍。

3 金屬礦開采的復(fù)雜性

首先是在金屬礦開采的過程中，周圍環(huán)境的不同，具有復(fù)雜性，其作業(yè)都是半封閉的系統(tǒng)，工作區(qū)域與地表還具有一段距離，其空間是狹窄的，環(huán)境也非常惡劣，由于金屬礦儲(chǔ)存條件比較復(fù)雜，地質(zhì)結(jié)構(gòu)也是非常不穩(wěn)定，其開采過程中會(huì)出現(xiàn)位置移動(dòng)以及地下水涌出等自然的災(zāi)害或者惡劣的天氣，對(duì)整個(gè)地下開采系統(tǒng)的安全產(chǎn)生了比較大的影響。

其次金屬礦在開采的過程中，是連續(xù)性作業(yè)的，而整個(gè)生產(chǎn)過程都比較瑣碎，生產(chǎn)是具有復(fù)雜性，在金礦開采和生產(chǎn)的過程中，會(huì)出現(xiàn)橫向及縱向的交叉，導(dǎo)致了內(nèi)部的因子發(fā)生改變，這也會(huì)使得事故率提升了，在金屬礦開采的過程中，安全事故的發(fā)生總是不可避免也無(wú)法準(zhǔn)確能預(yù)測(cè)到的，因此生產(chǎn)是非常麻煩的。

4 金屬礦開采過程中地表沉陷的原因

在金屬礦開采的時(shí)候，采空區(qū)的情況比較復(fù)雜，而地表沉陷是最常出現(xiàn)的問題之一，其影響因素由人為因素及自然因素組成。自然因素包括地質(zhì)巖層的性質(zhì)，礦體的質(zhì)量以及礦山資源開采的強(qiáng)度。此外有一些金屬礦地處的位置比較特殊，礦山形成比較有特點(diǎn)。在采空區(qū)，由于在開采的過程中，設(shè)置的參數(shù)不合理，上下位置有重復(fù)，上面的空間是距離地面比較近的，這就會(huì)造成采空區(qū)之間的跨度增大，采空區(qū)頂部過高，而其頂板的厚度自然無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，就容易出現(xiàn)地表沉陷的問題。在礦采埋藏比較深的地方，上層巖石遭到了破壞，而落下的巖石很難在填充進(jìn)去。在采空區(qū)聯(lián)通后，會(huì)有大規(guī)模的這一區(qū)域增加，整體的穩(wěn)定性來(lái)說不太好，這關(guān)系到金屬礦區(qū)周圍的特征。

地質(zhì)結(jié)構(gòu)是造成地表沉陷的最主要原因之一。在一個(gè)礦區(qū)內(nèi)，如果破碎區(qū)域中的巖石比較雜而小，則主要是受西北方向的結(jié)構(gòu)影響，礦體的走向與破碎帶方向一致，在礦區(qū)開采的時(shí)候，破碎帶是會(huì)比較容易發(fā)生變化的一個(gè)區(qū)域，如果遇到水，還會(huì)發(fā)生泥化，會(huì)降低整個(gè)采空區(qū)頂部的強(qiáng)度，整個(gè)礦區(qū)的力學(xué)性質(zhì)會(huì)下降，這也會(huì)對(duì)這個(gè)區(qū)域的降水產(chǎn)生一定的影響，加大了巖層的整體壓力。

5 金屬礦開采過程中地表沉陷的監(jiān)測(cè)

5.1 開采過程的監(jiān)測(cè)

在進(jìn)行礦產(chǎn)開采的過程中，地表沉陷問題是最常見的，在力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，很難精準(zhǔn)的總結(jié)出結(jié)果，利用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和公式算法也無(wú)法做到全面的預(yù)測(cè)，隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，在開采過程中，監(jiān)測(cè)地表沉陷獲得了一個(gè)新的途徑，可以利用計(jì)算機(jī)的模擬以及全球定位系統(tǒng)等對(duì)地表沉陷進(jìn)行定位，通過大量的數(shù)值分析來(lái)預(yù)測(cè)接下來(lái)沉陷的趨勢(shì)情況。

5.2 計(jì)算機(jī)模擬

在進(jìn)行礦產(chǎn)資源開采的過程中，根據(jù)力學(xué)理論，結(jié)合礦區(qū)的實(shí)際情況，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)模擬，對(duì)挖掘過程做一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，建立起曲線的變化，在不同的開采深度下，巖層和地表會(huì)發(fā)生哪些變化和移動(dòng)，這樣建立起的數(shù)據(jù)模型的可信度比較高，其模擬技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)的參數(shù)的依賴性比較強(qiáng)，可以保證參數(shù)的準(zhǔn)確性。

5.3 現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步

現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括全球定位系統(tǒng)技術(shù)，配合一系列的軟件處理，快能夠快速的獲得礦區(qū)范圍的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，實(shí)時(shí)的跟蹤這些數(shù)據(jù)的變化，從而得到一個(gè)沉降的數(shù)據(jù)，能夠?yàn)轭A(yù)防地面沉陷打下良好的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代的全球定位系統(tǒng)技術(shù)在生活中的應(yīng)用較為廣泛，將其與其他技術(shù)相結(jié)合，會(huì)對(duì)礦山地面會(huì)發(fā)生的自然災(zāi)害、地質(zhì)等基礎(chǔ)信息進(jìn)行跟蹤，將得到的數(shù)據(jù)輸入并儲(chǔ)存起來(lái)，通過一系列的軟件數(shù)據(jù)處理和分析，來(lái)為礦山的安全指導(dǎo)做出貢獻(xiàn)。

6 金屬礦開采地表沉陷的防護(hù)

首先在地表沉陷的區(qū)域禁止繼續(xù)進(jìn)行礦產(chǎn)的開發(fā)，及時(shí)做到回填的工作，并且要修建一些排水溝，這樣可以避免惡劣天氣對(duì)沉陷做出的進(jìn)一步傷害。沿著地表變形的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警標(biāo)志的設(shè)立，并尋找專人進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)沉陷產(chǎn)生的礦坑進(jìn)行密切的觀察。其次要根據(jù)礦區(qū)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)嚴(yán)格進(jìn)行回采的工作，將礦柱預(yù)留出來(lái)，對(duì)局部不穩(wěn)定的地方進(jìn)行加強(qiáng)防護(hù)，設(shè)計(jì)礦區(qū)回采的過程中，要兼顧已開采和未開采的區(qū)域，合理的利用資源。再次是在對(duì)礦區(qū)開采的時(shí)候，避免在沉陷區(qū)域的下方形成采空區(qū)，這樣會(huì)加重沉陷的程度，如果沉陷區(qū)域的下方有礦產(chǎn)，需要在開采結(jié)束之后進(jìn)行采空區(qū)域的回填，對(duì)于以前就遺留下來(lái)的沉陷區(qū)域，不應(yīng)二次開采，除非有一套非?？尚械姆桨钢贫ǔ鰜?lái)。最后要對(duì)采空區(qū)域進(jìn)行填充，減少采空區(qū)域的下沉程度，保留采空區(qū)域的支撐，且位置要進(jìn)行合理的測(cè)量及設(shè)立。在采空區(qū)域的通道中，要穩(wěn)定巖石區(qū)間，最好的方式是加固墻體，利用巖體發(fā)射裝置對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，形成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，從而對(duì)地表沉陷做到實(shí)時(shí)的監(jiān)控[2,3]。

7 結(jié)論

隨著金屬礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開采，自然環(huán)境也在不斷的被破壞，人們給整個(gè)地球環(huán)境也造成了越來(lái)越大的威脅，這就需要我們?cè)谫Y源開采時(shí)進(jìn)行有效的防護(hù)和保護(hù)。針對(duì)地面沉陷這一問題，主要是通過現(xiàn)代監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行的。這可以對(duì)地表沉陷有一定的指導(dǎo)作用，將理論與實(shí)際相結(jié)合。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，可以建立一個(gè)地表沉陷的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)不同的礦區(qū)條件，來(lái)進(jìn)行沉陷的控制和防護(hù)，從而做到環(huán)境的保護(hù)。