馮乃華

(廣西華錫集團股份有限公司， 廣西柳州市 545006)

銅坑礦92號礦體大范圍開采條件下地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防措施

馮乃華

(廣西華錫集團股份有限公司， 廣西柳州市 545006)

根據(jù)銅坑礦92號特大型多金屬礦開采特點與環(huán)境條件，指出了可能誘發(fā)的局部地質(zhì)災(zāi)害。針對地表沉降、塌陷、滑坡和泥石流等災(zāi)害隱患，提出了對策與預(yù)防措施。

地質(zhì)災(zāi)害;地表沉陷;災(zāi)害預(yù)防;銅坑礦

1 概況

銅坑礦于1967年開始進行建設(shè)，1981年6月正式投產(chǎn)。礦床采用側(cè)翼主副井－下盤風井、主斜坡道聯(lián)合開拓。銅坑礦床的92號礦體為特大型緩傾斜厚礦體，產(chǎn)于硅質(zhì)巖和灰?guī)r中，礦體中心部位與上部的91號礦體相連。91號礦體與92號礦體產(chǎn)狀基本一致，礦體上部為近似垂直產(chǎn)出的細脈帶礦體。細脈帶礦體、91號和92號礦體組成復(fù)雜的上下疊置的復(fù)雜格局。細脈帶礦體上部采用無底柱分段崩落法回采，因礦石含硫自燃，改用充填法和分段空場法開采，嗣后處理空區(qū)，目前已基本結(jié)束。91號礦體主要采用膠結(jié)充填法，已全部采完，92號礦體為銅坑礦目前的主采礦體。

由于銅坑礦上述3大礦體大規(guī)模采動及周邊礦體采空區(qū)的影響，形成了井下及近地表覆巖大范圍屈服區(qū)域。92號礦體目前已形成連通地表的冒落區(qū)，部分與上部的細脈帶及91號礦體冒落區(qū)相連。隨著井下開采范圍的擴大及周邊礦柱逐漸的回采，若不采取措施，巖移裂隙帶迅速擴大，有可能形成地質(zhì)災(zāi)害。

為此，銅坑礦通過相關(guān)項目開展了地表塌陷區(qū)巖層移動監(jiān)測技術(shù)、92號礦體采空區(qū)覆巖破壞與地壓災(zāi)害防治技術(shù)等研究，通過對92號礦體區(qū)域地表沉降和井下巖層移動觀測、巖體和充填體壓裂和張裂等破壞調(diào)查、巖體聲發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、鉆孔位移和斷層活動觀測，以及巖層錯動與破壞調(diào)查分析，掌握巖層活動的安全動態(tài)，進行相關(guān)區(qū)域巖移資料綜合分析，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，有效的解決了大范圍采動條件地質(zhì)災(zāi)害防治以及資源回收與安全開采等關(guān)鍵性技術(shù)難題，對我國有色礦山持續(xù)發(fā)展和環(huán)境穩(wěn)定具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

2 礦山開采環(huán)境條件

2.1 礦體地質(zhì)特征

礦床位于大廠倒轉(zhuǎn)背斜北東翼次一級橫向背斜及其軸部裂隙和層間錯動交匯部位。該褶皺為一復(fù)式背斜，大廠背斜東翼平緩，巖層傾角一般在40°以下，南西翼陡峻，一般傾角在70°以上，接近直立，甚至倒轉(zhuǎn)。主要控礦斷裂有3種:縱向逆斷層，隱伏于背斜軸倒轉(zhuǎn)部位，走向北西，傾向北東，傾角20°～30°，斷距150～200 m，為大廠礦區(qū)的主斷裂，是主要的導(dǎo)礦構(gòu)造;橫向裂隙帶，位于長坡背斜軸部及其轉(zhuǎn)折的外則，其走向北東，傾向南東，走向延長1400 m，寬300～600 m，延深450 m，傾角為60°～70°，由大致平行的密集小裂隙組成，沿走向及傾向均顯示有雁行狀排列;層間錯動，發(fā)育在翼部巖性不同的地層接觸處，礦液呈充填交代形成致密塊狀礦石。

礦區(qū)出露的主要地層為一套碳酸鹽巖－硅質(zhì)巖－細粒碎屑巖建造，包括:泥盆系中統(tǒng)馬家坳組(D2m);泥盆系上統(tǒng)榴江組(D3l);泥盆系上統(tǒng)同車江組(D3t)。該組為一套淺海相陸源碳酸鹽巖和泥頁巖沉積。大廠錫石－硫化物礦體主要產(chǎn)于上泥盆統(tǒng)這套碳酸鹽巖－硅質(zhì)巖－泥灰?guī)r巖石組合中。礦區(qū)內(nèi)所見到的巖漿巖有花崗斑巖和閃長玢巖，均呈脈狀產(chǎn)出。

92號礦體屬于似層狀網(wǎng)脈浸染礦體類型，位于長坡倒轉(zhuǎn)背斜東翼之次級褶皺的北西傾沒端，呈層狀、似層狀產(chǎn)出，賦存于上泥盆統(tǒng)榴江組下段硅質(zhì)巖中，垂直方向分布于300～570 m標高間，水平上分布于8#～30#勘探線間。礦體產(chǎn)狀與容礦地層一致，為NWW或近東西走向，總體傾向NNE，傾角隨地層產(chǎn)狀改變而變化。

2.2 水文地質(zhì)條件

礦床水文地質(zhì)條件簡單，坑道涌水量主要以裂隙構(gòu)造水為主，受季節(jié)性影響，地表水補給，單位涌水量少，不影響礦體開采，礦床水質(zhì)為SO4－Ca－HCO3－Ca型。礦床范圍內(nèi)的上泥盆統(tǒng)五指山組扁豆狀灰?guī)r裂隙發(fā)育，但含水的裂隙不多。裂隙水是礦坑充水的主要因素，其次是來自塌陷坑內(nèi)的大氣降水。地形對地下水和大氣降水的排泄均有利。由于銅坑礦井下有完善的分級排水系統(tǒng)，能夠滿足安全規(guī)程要求。

2.3 圍巖工程條件與巖體質(zhì)量評價

92號礦體頂板圍巖為寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r及部分硅質(zhì)巖。寬條帶灰?guī)r、泥灰?guī)r巖層裂隙不發(fā)育，厚度15～20 m，其中底部有3 m左右的泥灰?guī)r，單層厚度20～0 cm，裂隙極不發(fā)育。92號礦體與91號礦體之間的夾石平均垂直厚度16.57 m，最大夾石垂直厚度達40 m。

采用RMR及Q系統(tǒng)分級方法對92號礦體及圍巖的巖體質(zhì)量進行了評價，在此基礎(chǔ)上，對不同采場結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下的頂板和礦柱穩(wěn)定性進行了計算分析。根據(jù)各巖層的參數(shù)的分類結(jié)果，RMR分類結(jié)果表明:92號礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體—好巖體。Q系統(tǒng)分類結(jié)果表明:92號礦體及圍巖的質(zhì)量為中等巖體—良好巖體。根據(jù)各巖層Q分類結(jié)果得出采場頂板礦巖的無支護最大跨度為22 m。

3 礦山開采過程中地質(zhì)災(zāi)害隱患分析

92號礦體為緩傾斜厚大礦體，上部是細脈帶礦體和91號富礦體，在垂直方向上，這3個礦體呈重疊狀產(chǎn)出，且上部二礦體的水平投影全部重疊在92號礦體上面。細脈帶礦體采用無底柱分段崩落法開采，上盤圍巖已冒落。在1976年5月，細脈帶部分采區(qū)冒通地表后出現(xiàn)自燃火災(zāi)，以后范圍逐漸擴大，后來通過聯(lián)合攻關(guān)，火災(zāi)得以控制，但仍存在火災(zāi)隱患。91號富礦體幾乎全部采用中深孔分段空場法和大直徑深孔空場法回采，采后空區(qū)嗣后一次充填。91號礦體與92號礦體之間，存在有少量的夾石(10～30 m不等)，或者是91號礦體的充填體。

92號礦體與91號礦體重疊區(qū)用組合式崩落法開采，礦體劃分為礦房和礦柱，礦房寬度為20～25 m，長度70～80 m，礦柱寬度12～15 m，預(yù)留5～8 m的頂柱。先用空場法回采礦房，再滯后約兩個礦房寬度崩落間柱、端柱和頂柱，在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)組合式崩落連續(xù)回采。92號礦體邊部的非重疊區(qū)域用留連續(xù)礦柱空場法開采，將礦體劃分為盤區(qū)。一個盤區(qū)寬度為90～100 m，在盤區(qū)內(nèi)再劃分為礦房和礦柱。由于受上方細脈帶礦體和91號礦體多次重復(fù)采動的影響，92號礦體處于極其復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)之中。大面積空區(qū)的覆巖長期未冒落或冒落甚少，一旦發(fā)生大規(guī)?？逅?，可能導(dǎo)致大范圍的沖擊波危害。因此，一直以來礦山企業(yè)非常重視采空區(qū)的處理和地壓管理工作。

92號礦體開采前，礦區(qū)范圍內(nèi)井下已有部分采空區(qū)，由于處理得當，至今為止并未因大面積引起地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。但92號礦體開采已到中后期，今后在92號礦體進一步的開采過程中，采空區(qū)繼續(xù)擴大，如果監(jiān)控不當，可能引起地壓災(zāi)害的發(fā)生，主要形式包括:地表沉降、塌陷、地表水平移動、傾斜、彎曲、裂縫、雨季滑坡及泥石流、流井下突泥突水及附近尾礦庫潰壩等災(zāi)害。

4 預(yù)防措施

4.1 地表沉陷災(zāi)害隱患預(yù)防措施

通過礦山開采巖層移動與沉陷監(jiān)控分析，進行災(zāi)害預(yù)測預(yù)防。為了全面了解巖層移動規(guī)律，除地表觀測外，需在礦井下的各種巷道、采場及由地表或巷道向巖層打鉆孔，設(shè)立移動觀測站，進行定期觀測，以揭示巖層內(nèi)部移動發(fā)展過程及移動特征。配合地表移動觀測，可了解到從采空區(qū)到地表之間整個巖層的移動情況。主要采用的監(jiān)測方法包括:位移計、收斂計、水準儀、徑緯儀、全站儀、激光測距儀、鉆孔觀測、淺震法、聲法及電磁方法等。

廣西華錫集團股份有限公司銅坑礦與長沙礦山研究院等單位合作，對采空區(qū)覆巖破壞規(guī)律與采區(qū)穩(wěn)定性進行監(jiān)控研究，在進行理論計算分析的基礎(chǔ)上，采用三維數(shù)值模擬分析軟件，對銅坑礦92號礦體開采巖層移動進行分析，預(yù)計裂隙區(qū)影響范圍。根據(jù)計算與現(xiàn)場監(jiān)控的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，目前在92號礦體II盤區(qū)、I盤區(qū)和III盤區(qū)等區(qū)域正在形成較大范圍的巖移區(qū)域。對92號礦體近期及下一步的開采過程模擬分析結(jié)果表明，短期內(nèi)92號礦體開采對地表工程如豎井等周圍巖移影響不大，但今后在擴大IV、VI盤區(qū)開采范圍的情況下，若無充填處理采空區(qū)措施，則在1#壩附近將產(chǎn)生較明顯下沉和水平移動，須引起高度注意。根據(jù)巖層移動模擬分析結(jié)果，預(yù)計隨著92號礦體開采范圍擴大，在酸水灣周邊一帶巖移影響范圍今后很有可能波及現(xiàn)有礦山公路，在一定條件下有可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，為及時有效地監(jiān)控逐漸顯著的巖層移動和預(yù)防可能引發(fā)的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件，必須盡早采用全面的監(jiān)控手段，建立連續(xù)使用的長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)異常情況時及早預(yù)警，及時主動調(diào)整回采方案，采取有效的治理和防護措施，消除危險隱患。

4.2 監(jiān)測預(yù)警措施

銅坑礦細脈帶、91號和92號3大礦體總開采范圍大，目前開采范圍水平投影面積達20萬m2，在地表形成了大范圍塌陷區(qū)和巖層移動裂隙區(qū)，由于大范圍的采動影響，在地面形成崩落陷坑，地壓活動加劇，若處理不當，在地表有產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的隱患。為解決大范圍區(qū)域性災(zāi)害隱患監(jiān)控與防治問題，安全、合理地回收礦產(chǎn)資源，通過科研攻關(guān)，開發(fā)應(yīng)用了與生產(chǎn)實際相適應(yīng)的礦山災(zāi)害監(jiān)控防治與巖層控制及預(yù)警技術(shù)。

經(jīng)現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，近年來細脈帶礦體、91號及92號礦體巖層移動范圍發(fā)生了很大變化。形成了細脈帶礦體淺部區(qū)域的塌陷坑和92號礦體中心區(qū)域的崩落區(qū)。在陷坑和崩落區(qū)周圍，地表出現(xiàn)明顯沉降和裂隙區(qū)，如92號礦體西南區(qū)上方地表27#測點2009年以來沉降值逐漸加大(見圖1)。

圖1 地表27#測點沉降值

通過開展巖層移動與災(zāi)害防止專題攻關(guān)研究，建立了礦區(qū)地表塌陷區(qū)巖層移動、采空區(qū)覆巖破壞及地壓等相應(yīng)的監(jiān)控制度。在前期工作基礎(chǔ)上，深入研究在新的條件下地壓和巖移活動規(guī)律，監(jiān)測井下地壓活動、塌陷區(qū)的變化和地表移動，有效實現(xiàn)了災(zāi)害預(yù)防與地表保護。

4.3 地表泥石流預(yù)防措施

銅坑礦目前各井口周圍山體較平緩，周圍地表多覆蓋有第四紀沉積層，植被很好，發(fā)生山體滑坡的可能性小。井口場地位于半山坡平緩地帶，可有效避免周圍滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的影響。

雖然在92號礦體開采影響范圍內(nèi)無尾礦庫，但92號礦體區(qū)域外圍存在尾礦堆，長期降雨或暴雨則可能誘發(fā)泥石流。根據(jù)“預(yù)防為主、避讓與治理相結(jié)合”等原則，為了徹底解決地表泥石流災(zāi)害隱患，必需對周邊尾礦進行清理，并修截洪溝和排洪溝。對周圍的尾礦壩需進行整治與監(jiān)控，在有可能發(fā)生洪水、山崩、泥石流等的地帶不設(shè)工業(yè)場地和生活設(shè)施。

4.4 應(yīng)急避險措施

為了有效做好地質(zhì)災(zāi)害隱患點的防災(zāi)減災(zāi)工作，編制了《地質(zhì)災(zāi)害隱患點防災(zāi)應(yīng)急預(yù)案》。銅坑礦逐漸建立和完善了監(jiān)測預(yù)警體系，定期檢查地表及井下巖層變化情況。在地表塌陷區(qū)(隱患區(qū))，已設(shè)置警示標志并標出避災(zāi)路線。針對井下采空區(qū)危害監(jiān)控，建立了地壓監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，制定和落實了嚴格的監(jiān)控預(yù)警制度，取得了良好效果。

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2011－04－29)

馮乃華(1957－)，男，海南澄邁人，工程師，主管礦山安全環(huán)保和地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)等工作。