露天转地下开采地质灾害规律及其防治

张海波,刘芳芳,董付科

(1.河北联合大学,河北唐山063000;2.河北地质职工大学,河北石家庄050081)

0 引 言

国内一大批深凹露天矿正在或即将转入地下开采,露天转地下或露天地下联合开采已经成为当前和今后一段时间国内矿山的热点之一。随之所产生的地质灾害问题,也是当前各个矿山面临的新问题。如露天转地下复合开采条件下所产生的地质灾害如岩体变形和移动所诱发的露天边帮滑坡、地面坍塌等,是露天转地下矿山所面临的重要地质问题。

1 露天采场边坡失稳

露天采场边坡的稳定是确保露天开采安全生产的关键,但是露天转地下开采的矿山稳定性问题既不同于单一的露天开采,又不同于单纯的地下开采,复合开采矿山的岩体经历露天和地下二次开挖扰动,应力场和位移变化比较复杂(见图1)。

图1 地下与露天综合开采和应力作用原理图

从应力场的变化来看,随着露天开挖的进行,由于卸载作用,边帮岩体内的能量逐步得以释放,露天采动影响范围内应力状态不断发生变化,岩体也产生相应的变形和滑移,系统处在一种动态平衡的变化之中。露天开采末期转入地下开采,地下开采引起的应力变化会对露天采用影响范围内的岩体产生二次扰动,表现为地下采动效应对原来平衡体系的干扰或作用,使得两种采动效应相互影响和扰动,形成一个复合动态变化系统。

边坡的地质体由于形成条件、改造作用强度差异,致使其物理力学性质复杂,就是在同一地区,同一岩体或岩组内,会出现物理力学特征的强烈的空间和时间变化性[1]。许多专家对露天采场的边坡稳定性进行了研究,也提出了一些行之有效的研究方法。如70年代潘家铮[2]提出了滑坡极限分析的两条基本原理即极大值原理和极小值原理;1978年张天宝[3]通过按瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析,全面归纳了最危险滑弧的变化规律;李建华[4]提出了岩坡稳定性的层次模糊综合评价法;彭涛[5]采用A LGORFEA软件进行有限元计算,研究了首采矿段开挖所引起的新的次生应力场的变化规律,圈定了岩体可能出现破坏的范围。许多学者对边坡稳定性概率分析和可靠性研究做出了卓有成就的贡献。不管应用哪种有效的方法,要解决露天采场的边坡失稳首先就是预防,对边坡地质体进行监测,监测边坡上应力集中处地质体稳定性的变化。根据岩体的抗拉、抗压强度以及所受载荷进行支护;根据岩体不同部位应力场的变化,确定岩体的稳定性。若为土质边坡,需进行土体强度的实验计算其安全系数,并增设排水设施。若采场出现边坡失稳的现象,必须根据现场实际情况选择最为合适的方法进行稳固。

2 地面塌陷

在露天开采转为地下开采的过渡期,矿山由单一的露天开采转为露天与地下开采同时作业,露天矿受地下开采影响的范围与程度,与露天和地下在时间、空间上的结合程度,以及地下采空区的状况等因素有关。若地下采空区的面积较大,围岩不够稳固或空区形成的时间较长,可能因岩层移动而在地面形成塌陷坑,呈漏斗形状,直径可达几米到几百米,深度为几米至几十米,漏斗壁倾角通常为85～105°。根据形成速度的不同,可分为崩塌型塌陷坑和岩移型塌陷坑。前者往往是在地表出现较大的变形以前,突然崩塌形成直壁塌陷坑。影响其形成的主要因素是岩石的物理力学性质、开采深度、矿体厚度、采空区的尺寸与形状、岩层的地质条件等,它多在开采深度不大的矿体回收顶柱和间柱时形成。岩移型塌陷坑形成的速度缓慢,通常是在开采急倾斜矿体时,崩落带向上发展而形成的。影响其形成的主要因素是矿体倾角、矿体厚度,岩石的自然安息角、岩层的产状及其非均质性和各向异性,回采顺序、采空区位置,及其上方崩落岩石的高度,顶柱和间柱的稳定性等。它的形成地点较难准确预测。

统计资料表明,在平均采深H与回采垂直高度m之比不大于15时,就可能形成塌陷坑。崩落型塌陷坑的形成与发展可能给生产带来灾难性的影响[6]。

应对措施:在进行开采设计时.应确定观测岩体变形的方法,制定确定地下采空区的位置与大小的方法,并建立专门的机构或确定专人进行地压观测和安全检查。

根据钻孔岩心和岩样试验,以及对岩体的凋查与试验,进行岩体工程地质研究。编制露天和地下所有巷道、崩落区边界线、开采区段的地质构造特征、开采状况等测量资料,进行边坡和地下岩层的位移规则。通过钻孔的观测,确定采空区充填程度,并预测地下空洞的发展,查出可能突然发生崩落危险的区段等。

根据观测资料与预测,编制空区处理设计,对露天安全生产有威胁的空区应尽快消除。

编制合理的爆破作业图表,采取减震爆破技术措施,降低爆破地震波对露天矿底部的破坏作用。

3 矿坑涌水

露天转地下开采的矿山,一般在露天开采过程中已形成了很深的露天坑,采场汇水面积大,露天坑已经形成了积水坑。在地下开采时,由于上覆盖层裂隙和断层的影响,地表水将不可避免地浸入地下巷道。在汛期,地表集中降雨时,会引起短时迳流量加大,对地下矿开采正常生产造成影响,特别是当地下开采需要放顶崩落时,这时地表水将全部进入地下,加大地下开采过程中排水的难度。或是地下开采时揭露的断裂带有可能导致大气降水及地表积水穿入矿坑,造成地下开采困难。

为防止在地下开采突然出现的矿坑涌水,除在矿山井巷开拓时要做好超前探水工作,查明断裂带的导水性之外,还要注意观测,收集地下涌水变化情况,以便为矿山地下防排水工作提供准确的依据。在每年雨季到来之前,须检查、清理和加固露天坑的截洪沟,以确保遇雨时地表迳流不直接灌入露天坑内。随着开采水平的下移,开采引起的错动范围逐渐外移,须随时在错动线以外加筑拦洪坝和排洪沟,减少地表迳流流入错动区,同时重视错动区内地表迳流的导排工作[7]。对于露天采场的汇水,利用露天排水泵站,将汇集的部分坑内迳流直接排至露天坑外,保持采场正常生产。也可以根据矿山的实际情况,采用数学模型模拟和预测矿坑实际涌水量,指导现实生产。

4 巷道变形

巷道变形是围岩力学性态变化最直接的体现,支护系统的破坏或围岩的垮落与坍塌,都是变形发展超过某一限度的结果。现场量测和监视是监控设计中的主要一环,归结起来,量测的目的是掌握围岩稳定性、支护受力与变形的动态或信息,并以此判断设计、施工的安全与经济性。

在露天转地下开采过程中,巷道出现变形的原因主要有:(1)围岩节理裂隙的相对比较发育,充填物流失;(2)锚杆拉脱或垫板陷入围岩内部;喷混凝土是产生裂隙或剥离;当拱顶喷射混凝土层出现对称的、可能向下滑落的剪切破坏的现象时,或侧墙发生向内测滑动的剪切破坏,并伴有底臌现象时,这两种情况都会引起塌方事故。(3)露天矿爆破所产生的破坏。

巷道的形变量也能够较准确地判断巷道围岩的稳定性,并可以根据其形变加速来预测围岩坍塌的时间。

对于围岩没有支护的巷道要进行巷道支护,并及时进行巷道的支护;对于已经支护的巷道要进行巷道的检查与检测,以确保围岩是否产生较大的危害。为避免或防止矿山露天爆破对地下井巷工程和采矿场的破坏作用,在地下开拓巷道与露天采场底之间保持足够的安全距离。在规划巷道顶板与露天底之间至少保持20～50m的安全距离。另外,为防止露天底穿爆作业时留取的保安矿柱的破坏,在临近露天底的穿爆作业不要超深,并控制露天爆破的装药量,采用分段微差爆破、挤压爆破等减震措施[8]。

5 泥石流

露天转地下开采的矿山形成泥石流的主要原因在于覆盖层,覆盖层使地下采场和地面隔开,延缓雨水下渗速度,错开洪峰,避免产生泥石流,对地下采场的安全起到重要的作用。覆盖层散体泥石流形成的原因主要是随着矿体的放出,覆盖层中内部结构发生变化,随着覆盖层深度的增加,颗粒间越来越致密,渗透系数越来越小,当覆盖层承受不了散体中水的压力时,会产生突发性的泥石流[9]。要避免露天转地下泥石流的产生首先要做好防排水工作;其次可以在露天边坡与采场之间留原生矿柱隔离,待整个采区回采完毕,创造条件回收矿柱[10]。

6 结束语

对于露天转地下开采过程中产生的地质灾害远不及此,本文重点阐述了危害相对比较大的地质灾害,并提供了应对措施,望对矿山的安全能提供一些帮助。

[1] 贾厚华.边坡稳定性分析模糊方法研究[D].北京:中国科技学院,2003.6.

[2] 潘家铮.建筑物的抗滑稳定和滑坡分析[M].北京:水利出版社,1980.

[3] 张天宝.土坡稳定分析和土工建筑物的边坡设计[M].成都:程度科技大学出版社,1987.

[4] 李建华.岩坡稳定的层次模糊综合评价法[J].贵州工学院学报,1992.21(4):27～35.

[5] 彭涛.露天转地下开采对矿岩稳定性影响的研究[D].武汉理工大学,2003.11.

[6] 杨荣新.露天采矿学[M].北京:中国矿业大学出版社,1990.12.

[7] 刘景秀.深凹露天转地下开采矿山防排水措施的探讨[J].非金属矿,2001.24(4):40～41.

[8] 李欣.石人沟铁矿露天转地下开采中的难点及对策[J].矿业快报,2002,10,19.

[9] 顾乃满等.露天转地下开采覆盖层形成泥石流原因的研究[J].现代矿业,2009,1(1).

[10] 章立才.露天转地下开采的技术措施[J].金属矿山,1994(9).