金屬礦地下開(kāi)采地表沉陷與防護(hù)

◎黃濤

金屬礦開(kāi)采過(guò)程，要全面的加強(qiáng)地表沉陷防護(hù)工作水平，這樣不僅利于提高生產(chǎn)安全，也能夠?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)工作開(kāi)展提供有效保證。作為新時(shí)期技術(shù)人員，要積極運(yùn)用更加完善的金屬礦地下開(kāi)采模式，加強(qiáng)地表管理水平，全面的防治地表沉陷問(wèn)題發(fā)生，以提高開(kāi)采效率，具體分析如下。

一、金屬礦地下開(kāi)采的基本情況分析

金屬礦的開(kāi)采是我國(guó)重要的支柱型產(chǎn)業(yè)之一，其流程是將礦石從地下礦坑挖掘后，再經(jīng)由專(zhuān)業(yè)的企業(yè)進(jìn)行加工處理。目前我國(guó)采礦的工藝流程主要有三類(lèi)，即礦堆采準(zhǔn)、礦堆切割以及回采流程。而具體的采礦方式則較為簡(jiǎn)單，即地上開(kāi)采與地下開(kāi)采兩類(lèi)。近年來(lái)，我國(guó)金屬礦的開(kāi)發(fā)工作主要集中在地下采礦的方式，并且伴隨我國(guó)工業(yè)技術(shù)的不斷升級(jí)，采礦的效率與質(zhì)量都得到了顯著提高，傳統(tǒng)的人工開(kāi)采方式也被替換為了機(jī)械化操作的模式。目前針對(duì)金屬礦的地下開(kāi)采工作，主要采用的是地下連續(xù)開(kāi)采方法，這種技術(shù)在使用的過(guò)程中會(huì)采取兩種措施方法，主要是結(jié)合被開(kāi)采對(duì)象的硬度與大小來(lái)決定，首先，針對(duì)開(kāi)采對(duì)象的硬度較小的時(shí)候，會(huì)采取連續(xù)式的平行開(kāi)采策略；而針對(duì)開(kāi)采對(duì)象硬度較大的時(shí)候，則需要分區(qū)域進(jìn)行開(kāi)采工作，針對(duì)易開(kāi)采區(qū)域優(yōu)先進(jìn)行開(kāi)采工作，保證互相之間協(xié)調(diào)完整的情況下，再進(jìn)行下一階段的開(kāi)采。

二、金屬礦地下開(kāi)采地表塌陷規(guī)律

金屬礦開(kāi)采過(guò)程，應(yīng)提高對(duì)于地表沉陷的管理能力，通過(guò)分析塌陷規(guī)律，能加強(qiáng)認(rèn)識(shí)，從而利于針對(duì)性的制定更加有效的防護(hù)方案，進(jìn)一步保證金屬礦地下安全開(kāi)采，以提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1.地表塌陷主要表現(xiàn)。

對(duì)金屬礦的開(kāi)發(fā)工作而言，地表塌陷是最為主要的問(wèn)題之一，根據(jù)其形態(tài)和嚴(yán)重程度可以分為兩類(lèi)，首先，淺部開(kāi)采。這類(lèi)塌陷問(wèn)題主要集中在表層，由于開(kāi)發(fā)速度過(guò)大引發(fā)的塌陷，其損害范圍相對(duì)較小。第二類(lèi)則為深部開(kāi)采，由于煤層開(kāi)挖的時(shí)候出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，但由于結(jié)構(gòu)整體較大，所以在塌陷速度上勻速下降，但也會(huì)存在突然塌陷的情況，造成極大的安全隱患以及財(cái)產(chǎn)損失。具體可以結(jié)合塌陷的體積以及開(kāi)發(fā)的提及進(jìn)行測(cè)算工作，前者比例超過(guò)70%的情況下，多發(fā)于超常規(guī)測(cè)算開(kāi)采深度的1.4 倍，如果比例沒(méi)有超過(guò)70%，則主要出現(xiàn)淺部開(kāi)采的塌陷問(wèn)題。

2.地表塌陷基本規(guī)律。

①地下開(kāi)采范圍大小。

地下開(kāi)采的工作區(qū)間與大小，將會(huì)成直接程度上影響最終塌陷與否。結(jié)合過(guò)往的研究表明，開(kāi)采的深度越大，則容易出現(xiàn)塌陷的可能性越強(qiáng)，并且包括開(kāi)采范圍以及地表的結(jié)構(gòu)，都會(huì)對(duì)產(chǎn)生引發(fā)塌陷的可能性。其次，伴隨開(kāi)發(fā)的深入，塌陷的可能性與地表移動(dòng)深度的擴(kuò)大而降低，并最終趨于穩(wěn)定。

②地表影響范圍與開(kāi)采深度有關(guān)。

通常情況下，開(kāi)采的深度越小，塌陷的可能性就月底。但也存在特殊情況，施工方需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地理狀態(tài)來(lái)明確開(kāi)采的程度是否過(guò)度，存在安全隱患。

③下沉速度隨著開(kāi)采深度增加而趨緩。

在任何金屬礦開(kāi)采的過(guò)程中，都會(huì)因?yàn)殚_(kāi)采的深度擴(kuò)大而引發(fā)下沉的現(xiàn)象，而伴隨深度的不斷提升，下沉的速度也會(huì)因此變慢，并最終區(qū)域穩(wěn)定性質(zhì)。相較于地表的開(kāi)采工作，地下的深度開(kāi)采工作會(huì)出現(xiàn)地表活躍度低甚至無(wú)活躍度的情況。

④與礦層傾斜度有關(guān)。

絕大多數(shù)的金屬礦開(kāi)礦工作是傾斜進(jìn)行的，而傾斜的斜率將直接程度上影響開(kāi)采的塌陷可能性。如果開(kāi)采深度增加，容易在傾斜位置發(fā)生位移，并且造成重力失位的情況。一般狀態(tài)下，規(guī)定開(kāi)采過(guò)程中下山方向的傾角需要大于上山方向，但由于地理結(jié)構(gòu)變化或開(kāi)發(fā)過(guò)程中的不穩(wěn)定因素，會(huì)打破原有的設(shè)定邊界引發(fā)塌陷。

三、金屬礦地下開(kāi)采的現(xiàn)狀以及危害

1.損壞地表建筑物。

伴隨我國(guó)對(duì)金屬礦資源的開(kāi)發(fā)和利用，開(kāi)采的深度大多超過(guò)了百米級(jí)別，甚至達(dá)到了千米級(jí)別。換言之，金屬礦在開(kāi)挖的過(guò)程中會(huì)不可避免地導(dǎo)致原本緊縮的巖石層產(chǎn)生裂縫，因此長(zhǎng)時(shí)間的開(kāi)發(fā)下，會(huì)形成包括巖石位移、斷裂的負(fù)面情況。在層層受力的作用下，最終會(huì)反饋至地面的各類(lèi)建筑物，使得建筑物出現(xiàn)裂縫等形變現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況還會(huì)直接導(dǎo)致建筑物塌陷。此外，金屬礦開(kāi)采的礦區(qū)附近若有高級(jí)公路、鐵路、城市間供水、輸氣、運(yùn)油管道以及大型建筑物設(shè)施等，所產(chǎn)生的危害以及損失將是不可估量的。同時(shí)，大型水利設(shè)施建筑物的損壞將會(huì)產(chǎn)生無(wú)法彌補(bǔ)的侵害和損失。

2.侵害地表生態(tài)環(huán)境。

在金屬礦開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，由于會(huì)不可避免地引發(fā)地表沉降，而地表結(jié)構(gòu)是土地直接的構(gòu)成元素，一旦沉降會(huì)引發(fā)其原本包括含水性、抗腐蝕性上的衰弱，因此會(huì)引發(fā)水土流失等問(wèn)題，并最終引發(fā)土地的適用性進(jìn)一步下降。這一問(wèn)題在土地貧瘠、不適宜耕種的區(qū)域更為明顯。此外，塌陷還會(huì)引發(fā)地表的植物的環(huán)境被破壞，生物會(huì)因?yàn)槿狈λ?、養(yǎng)分，而出現(xiàn)枯萎的現(xiàn)象，使得當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境發(fā)展出現(xiàn)了困難。

3.引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

針對(duì)金屬礦的開(kāi)發(fā)工作來(lái)看，由于在地下開(kāi)發(fā)的工作不可避免地會(huì)引發(fā)包括山體的斷裂和滑動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng)引發(fā)地表的沉降問(wèn)題。如果長(zhǎng)年累月的進(jìn)行開(kāi)發(fā)，或者大型的金屬礦進(jìn)行開(kāi)發(fā)，地表的破裂問(wèn)題會(huì)上升至附近的山丘，形成會(huì)出現(xiàn)山體滑坡等災(zāi)害問(wèn)題，如果處理不及時(shí)會(huì)對(duì)周邊的居民造成難以挽回的損失。

四、金屬礦地下開(kāi)采沉陷預(yù)防和控制技術(shù)的運(yùn)用

1.充填式開(kāi)采。

在金屬礦的地下開(kāi)采的初步階段，在地下結(jié)構(gòu)的頂層巖板沒(méi)有暴露之前，可以采用專(zhuān)門(mén)的材料對(duì)空區(qū)進(jìn)行填充，幫助頂層巖板提升工程強(qiáng)度，避免出現(xiàn)下降或形變，從而反饋至上方提升地表的支撐力，避免對(duì)建筑物的破壞。充填式的開(kāi)采由于技術(shù)相對(duì)較為特殊，因此需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備以及材料使用。目前我國(guó)金屬礦地下開(kāi)采的過(guò)程中，最主要的充填式為水砂填充，并且這也是目前成本相對(duì)較低且效果最好的一類(lèi)技術(shù)方法。其次，還有其他的不同充填式開(kāi)采的策略方法，需要結(jié)合地下的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

2.條帶式開(kāi)采。

條帶式的開(kāi)采原理，就是在開(kāi)采工作前，對(duì)金屬礦進(jìn)行充分的調(diào)研，以正確的比例進(jìn)行兩條通道的預(yù)留，兩條通道以上下結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，其中一條作為主要的通行通道，另一條作為備用通道的同時(shí)，能夠發(fā)揮其支撐作用，對(duì)地下的結(jié)構(gòu)以及地上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。這樣的支撐方法，即使是金屬礦開(kāi)發(fā)的時(shí)間較久，也能夠有效實(shí)現(xiàn)避免變形、斷裂的情況發(fā)生。但這樣的方法也存在一定的弊端，即開(kāi)發(fā)的時(shí)間成本以及其他成本相對(duì)較高，僅在安全系數(shù)相對(duì)較低的金屬礦選擇使用。

3.限厚式開(kāi)采。

限厚式的開(kāi)采方法是所有金屬礦地下開(kāi)采的過(guò)程中對(duì)前期要求最高的方法之一，需要對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的水文條件、地貌情況以及地標(biāo)建筑進(jìn)行勘察，在明確其抗變形的能力計(jì)算后，明確下方可開(kāi)采的深度、厚度，在保證地下結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)積水的前提下，同時(shí)能夠?yàn)榄h(huán)境的保護(hù)提供一定的策略，實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色可持續(xù)化開(kāi)采。在限厚式開(kāi)采的過(guò)程中，只要嚴(yán)格遵守開(kāi)采的厚度，就能實(shí)現(xiàn)塌陷的預(yù)防和控制，并達(dá)到保護(hù)地表建筑、農(nóng)田和生態(tài)環(huán)境的目的。但是，這項(xiàng)開(kāi)采技術(shù)雖然能夠保障地表沉陷的發(fā)生，但是其開(kāi)采率也是十分的低，僅適用于煤層較薄的金屬礦開(kāi)采區(qū)。

4.協(xié)調(diào)性開(kāi)采。

協(xié)調(diào)性的開(kāi)采策略，也是一種對(duì)前期準(zhǔn)備工作要求較高的方法，其原理是通過(guò)觀(guān)察金屬礦的情況，計(jì)算出不同的開(kāi)采順序已經(jīng)深度，通過(guò)開(kāi)采的方式實(shí)現(xiàn)不同作用力之間的部分抵消，使得整個(gè)金屬礦處于動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。通過(guò)這樣的方法，不僅能夠保證地下開(kāi)采的金屬礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)突然塌陷的問(wèn)題，保證了開(kāi)采工作的安全性，并且對(duì)地面的支撐力等要素也被計(jì)算在內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。但該方法難度相對(duì)較大，目前實(shí)用性相對(duì)較低。

5.巖層帶填充。

巖層帶是目前較為主要的金屬礦地下開(kāi)采的策略方法之一，其原理為首先勘察地下結(jié)構(gòu)，在開(kāi)采的同時(shí)，以間隔的方式完成對(duì)地下結(jié)構(gòu)的開(kāi)挖，在開(kāi)挖的區(qū)域安全不會(huì)塌方的情況下，注入專(zhuān)門(mén)的高壓漿液，完成對(duì)巖層的充填作業(yè)，以求幫助完場(chǎng)開(kāi)采區(qū)域的加固處理。在漿液冷卻后，再額外砌磚進(jìn)行二次加固，保證區(qū)域的穩(wěn)定性。通過(guò)這樣的加固方式，能夠有效保證在開(kāi)采的過(guò)程中下層巖石層無(wú)法堆積到上方，并且能夠?qū)Φ乇淼慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行二次完整、加固。但需要注意的是，該項(xiàng)技術(shù)方法的施工難度極大，對(duì)技術(shù)人員的要求非常高，而且造價(jià)也相對(duì)較高，因此在使用該技術(shù)前，必須要確保工作人員具備該方法的能力和水準(zhǔn)。

6.塌陷區(qū)的綜合治理。

對(duì)已經(jīng)發(fā)生塌陷事故的金屬礦來(lái)說(shuō)，其上方絕大多數(shù)都是平原結(jié)構(gòu)，并且塌陷范圍大、積水相對(duì)較多。對(duì)此，采用造田復(fù)地的策略相對(duì)較多，但其成本相對(duì)較高且對(duì)材料要求高，因此該方法僅適用于塌陷區(qū)域的部分。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)塌陷區(qū)域的整治，應(yīng)當(dāng)做到綜合性的治理，采用多元化的方式進(jìn)行修復(fù)工作，在保證安全性的前提下有序展開(kāi)相應(yīng)的作業(yè)，妥善安排在金屬礦附近區(qū)域的居民正常生產(chǎn)生活，并保證經(jīng)濟(jì)效益。

綜合治理塌陷區(qū)的方法主要有：

（1）塌陷區(qū)疏干。

針對(duì)出現(xiàn)塌陷情況后，附近水域包括河流、湖水面的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)采用疏干塌陷區(qū)的策略。其原理是，開(kāi)挖專(zhuān)門(mén)的排水結(jié)構(gòu)，將塌陷區(qū)域的積水引入水源。在低洼地挖深墊淺建設(shè)水庫(kù)，澇季存水、旱季灌溉；在因河床的坡降變化而使河水不能暢流時(shí)，在河流的適當(dāng)?shù)囟卧O(shè)置揚(yáng)水站，以便雨季時(shí)把河水泵入下游排走。疏干塌陷區(qū)不但可使大部分農(nóng)田恢復(fù)為可耕地，而且可使村莊和其他建筑物周?chē)辉俜e水，避免了不必要的遷移，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

（2）平整土地。

針對(duì)塌陷情況并不嚴(yán)重且處于平原地區(qū)的結(jié)構(gòu)，其塌陷的表現(xiàn)為大量的裂縫、孔隙、孔洞，此時(shí)可以借調(diào)專(zhuān)門(mén)的器械，如推土機(jī)、壓路機(jī)等，對(duì)土地進(jìn)行平整處理。對(duì)于塌陷區(qū)域內(nèi)部積水較少的情況，則可以考慮將其改造成為種植用的梯田。

（3）發(fā)展水產(chǎn)和養(yǎng)殖業(yè)。

針對(duì)塌陷問(wèn)題相對(duì)較為嚴(yán)重的區(qū)域，往往其積水也相對(duì)較多，在除水難度上也較大。對(duì)此，可以進(jìn)行就地改造，將其轉(zhuǎn)化為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。部分使用年限較久的老礦坑結(jié)構(gòu)，則可以發(fā)展成為專(zhuān)門(mén)的工業(yè)城鎮(zhèn)。對(duì)于改造難度大的區(qū)域，可將其改造為居民區(qū)、娛樂(lè)區(qū)等，能夠供給周邊金屬礦人工進(jìn)行休閑娛樂(lè)，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)的目的。

（4）土地復(fù)墾技術(shù)。

目前我國(guó)土地復(fù)墾技術(shù)主要?jiǎng)澐譃閮深?lèi)，即煤矸石充填復(fù)墾和粉煤灰充填復(fù)墾。傳統(tǒng)將開(kāi)挖出來(lái)的煤矸石運(yùn)用至地面的方法，不僅成本相對(duì)較高，同時(shí)也會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境產(chǎn)生破壞。采用煤矸石充填的方式，能夠有效節(jié)省成本。其次，可以借調(diào)周邊發(fā)電廠(chǎng)等進(jìn)行粉煤灰充填，完成土地復(fù)墾的任務(wù)，對(duì)周邊居民的損害也相對(duì)較小。針對(duì)積水區(qū)域可采用綜合性治理的技術(shù)，除了將其排出以外，還可以采取科學(xué)化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。在條件允許的情況下，還可以積極發(fā)展成為旅游業(yè)，如建造水上樂(lè)園等?？偠灾?，現(xiàn)代化的塌陷處理方法相對(duì)較為靈活，要盡可能地降低成本并且做好綠色建設(shè)。

7.礦區(qū)地面沉陷監(jiān)測(cè)方法。

近年來(lái)，除常規(guī)技術(shù)外，新興測(cè)繪技術(shù)飛速發(fā)展，GPS 綜合應(yīng)用技術(shù)，合成孔徑雷達(dá)差分干涉技術(shù)（difference Interferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR），三維激光掃描技術(shù)等均被用于礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

（1）精密水準(zhǔn)測(cè)量。

進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，需要水準(zhǔn)儀以及配套的水準(zhǔn)尺。通過(guò)已定位的兩點(diǎn)，將水準(zhǔn)儀置于約兩點(diǎn)中間處，然后測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間測(cè)高差來(lái)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。

精密水準(zhǔn)測(cè)量是垂直測(cè)量的基礎(chǔ)方法，也是主要方法，具有精度高、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，速度慢，觀(guān)測(cè)系統(tǒng)相關(guān)性強(qiáng)，要求具有連貫性，對(duì)于面積小的礦區(qū)可采用精密水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè)，對(duì)于大面積礦區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)，不應(yīng)考慮此方法。

（2）GPS 技術(shù)在礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

第一，建立GPS 監(jiān)測(cè)網(wǎng)。通過(guò)建網(wǎng)可對(duì)監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表、道路、建筑物等的位置變化實(shí)施有效監(jiān)控，運(yùn)用GPS-RTK 等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、整理和分析，有助于礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)的進(jìn)行。

第二，GPS 數(shù)據(jù)處理。

第三，礦區(qū)沉陷預(yù)測(cè)。根據(jù)各期觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)得到沉陷曲線(xiàn)，采用合理的模型進(jìn)行建模預(yù)測(cè)。

通過(guò)全方位的開(kāi)展監(jiān)測(cè)，必然利于加強(qiáng)金屬礦開(kāi)采過(guò)程地表沉陷防治能力，因此，相關(guān)監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，要結(jié)合金屬礦開(kāi)采區(qū)域，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)方法，全面的開(kāi)展技術(shù)應(yīng)用分析，以進(jìn)一步構(gòu)建更加完善的防控體系，加強(qiáng)金屬礦開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用水平。

五、結(jié)束語(yǔ)

總之，全面的提高金屬礦地下開(kāi)采水平的技術(shù)有很多，在開(kāi)采過(guò)程，要加強(qiáng)對(duì)于地表沉陷工作的管理能力，應(yīng)全面的制定完善的防范體系，進(jìn)一步提高防范技術(shù)水平，從而提高開(kāi)采質(zhì)量，保證地表沉陷防控能力。希望通過(guò)以上分析，能進(jìn)一步加強(qiáng)實(shí)踐研究水平。