金属矿床开采地表破坏机理及防控方法

郭进平 刘晓飞 王小林 胡杏保

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西西安710055)

矿山的开采必然要对岩体造成破坏，当岩层连续的移动、变形和非连续的开裂、冒落等传递到地表，就会引起地表下沉、塌陷等“开采沉陷”破坏［1］，威胁矿山生产安全、破坏地表生态环境。地下金属矿山开采引起的地表破坏的主要危害有:①地表移动范围内的建筑物发生破坏，地面道路、地下管道线缆等错位、剪切断裂或拉张断裂［2］;②可能发生滑坡、泥石流等地质灾害，造成水土流失，甚至土地沙漠化;③由于导水裂隙带贯通地表，增加了井下涌水量和突水危险，且会造成地表水的流失;④大规模的岩层移动会引起主、副井井筒的倾斜变形［3］，还可能会改变上覆矿层的赋存状态，对开采造成不利影响。

目前对于地表“开采沉陷”破坏的理论及方法主要来自煤矿。煤矿多由沉积形成，其层状结构明显，层间岩体性质差别较大而层内岩体性质基本相同，从而其岩层的力学性质分析可以大大简化［4］。金属矿床有些为岩浆侵入时热液交代形成，围岩中各岩体相互混杂，物理力学性质相差较大，岩层之间的接触关系与接触形态复杂，没有明显的层状特征。这种矿床开采的地表破坏机理，远比层状矿床复杂。因此，对金属矿山开采引起的地表破坏的机理和控制进行研究是有必要的。

1 地表破坏的基本类型

1.1 盆地式下沉

盆地式下沉形成的地表移动盆地为一种连续下沉形式的破坏，是地表受采动影响从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形成的一个比采空区面积大的沉陷区域，主要特点是其下沉剖面是没有阶梯状变化的曲面。地表移动盆地通常出现在软岩等非脆性岩层覆盖下的水平或缓倾斜薄矿体的开采中。盆地式下沉特点可用图1进行描述。

图1 盆地式下沉Fig.1 The basin type subsidence

1.2 不连续下沉

不连续下沉是指在一个有限的地表面积上产生很大的地表位移，并在下沉剖面上产生阶梯状变化或不连续间断面。这种类型的地表下沉可由多种采矿方法引起，也可能涉及多种下沉机理，它可能逐渐发展，也可能突然发生。不连续下沉的类型由图2所示［5］。

(1)塌陷坑。一般塌陷坑是由距离地表较浅的废弃巷道、采空区的顶板突然垮塌造成的，如图2 (a)。有时候采区矿柱破坏也可导致类似于塌陷坑的不连续下沉地貌。

(2)筒状陷落是无支护开采巷道或采区断裂冒落逐渐向上传递直至地表的陷落类型，如图2(b)。该类型的陷落可能发生在较软弱的上覆岩层中、已崩落岩石中或节理裂隙发育、逐渐松散解体的岩体中。

(3)如果筒状陷落不是逐渐形成而是突然发生的，就称该类破坏为柱塞状下沉，如图2(c)。柱塞状下沉一般都是断层节理等地质弱面的抗剪强度在某些采矿阶段丧失而形成的。

(4)渗坑是在碳酸盐岩体(如白云岩和石灰岩等)中产生的，它的塌陷形状与各种筒状陷落很相似，如图2(d)。这些易溶于沿岩体结构面渗流的水中的岩石，随着排水疏干引起的地下水位降低而发生陷落。

(5)崩落法开采会导致大面积地表区域的不连续下沉。如果矿体竖直，并和周围岩体有明确的分界，则岩石会竖直崩落至地表，如图2(e)所示。而当矿体不是很大并且倾角相对较陡时，则上层围岩会产生倾倒破坏，如图2(f)，并且随着开采深度的增加而逐渐发展。

图2 不连续下沉的类型Fig.2 The types of non-continuous subsidence

1.3 山体滑移

该类土地破坏形式表现为在山地矿区的工作面上方出现局域性大位移，这是由于地下开采引起山坡下沉及稳定性丧失而形成的［6］。山体滑移雨季更易发生，有时遇上暴雨还会形成泥石流。

2 开采沉陷的成因分析

地下金属矿山在开采过程中，其采场上覆围岩既是一种载荷，也是一种能承受载荷的结构体。地下开采形成的采空区、开挖巷道及其他地下工程所形成的地下空区为地表塌陷变形提供了空间，是地表破坏的主要原因。矿区岩体中断层、节理等地质结构为岩体破坏提供了基础，同时其中存在的地下水产生的动压力和静压力强化了岩体的变形与破坏［7］。

2.1 地下开采

矿体被采出以后，周围岩体产生弯曲、垮落、片帮、滑移、底板隆起等几种形式的移动，当移动变形超过岩体的极限变形时，岩体被破坏。岩体产生的开采沉陷是一个复杂的时空过程。在时间上是“动态的”，即开采沉陷的形式和大小随着时间的推移趋向稳定;从空间上来说，开采范围和开采矿物的埋藏深度会决定开采沉陷影响的范围。一般来说，开采范围越大、开采的矿物埋藏深度越小，则开采沉陷越容易从岩体发展到地表，使地表产生移动和变形［8］。

此外，不同的采矿方法对上覆岩层移动的影响是不同的［9］。采用空场法时，由于采空区上覆岩层较为坚硬及矿柱的存在，其岩体变形过程持续时间很长，一般短期内不会出现拉张破坏，表现为流变性。采用充填法时，由于下沉的顶板得到及时的支撑，破坏形式多为下沉但不破裂，并且显示出明显的滞后性。采用崩落法时，采空区上覆岩层会出现拱形裂隙带，岩层和地表发生移动破坏。

2.2 疏干降水

矿体开采过程中有时需要疏干降水。疏干降水引起的地面塌陷主要是由于地下开采形成的巷道、采空区和裂缝为土粒流失提供了通道，从而使地下水对岩溶充填物和上覆土层的侵蚀搬运作用得到大大加强，促进了地面塌陷的产生和发展。同时形成较大的降落漏斗，使地下的水均衡条件被破坏，水动力增强，水位的剧烈波动，地面塌陷的发生和发展变得更加迅速，由此可造成地面塌陷［10-11］。

2.3 大气降水

从时间上统计，地面塌陷多发生在雨季，特别是在久旱后遇大雨时最易发生。因为地上覆土层在干燥状态下会产生裂缝，若遭遇大气降水，地表水沿土层裂隙下渗并使裂隙不断扩大而形成通道，使岩土层持续充水达到饱和，土体自重相对增加并软化，抗剪强度减弱，加上垂直渗透潜蚀作用使岩体失稳，导致地面塌陷。

2.4 爆破振动

采空区开挖后，引起围岩应力重分布和应力集中。施加爆破动载荷后，围岩应力场发生2次重分布［12］。同时矿体上覆土层中断层、节理等薄弱结构面的存在会弱化岩土的强度特征，当爆破引起的振动以波的形式传播到覆土层时，会瞬间给予这些薄弱结构面一个瞬间的动载荷，使断层和节理发生相对位移和扩张，破坏土体结构，从而破坏上覆土层的原有平衡条件，诱发塌陷的产生。

3 塌陷区的治理与岩层控制

对地表沉陷破坏的治理和控制是一个系统工程，需要根据不同矿山的地形地貌、水文地质条件、地下断层节理分布和开采后的工程条件等多种因素考虑，制定最适合的综合解决方法，不能生搬硬套。对地表破坏的控制和治理方法主要有如下几类。

3.1 处理地下采空区

3.1.1 充填采空区

充填处理空区可以减小上覆岩层和地表移动的幅度和速度，防止大面积地压活动，使地表下沉量大大减小，从而减小地表变形。处理空区主要采用废石干式充填和尾砂、碎石水力充填等，常用做充填料或是充填体组份的材料有4种:脱泥尾矿料、天然砂、矿山废石碎块和类似大小的无黏结力材料、胶结剂。

莱芜马庄铁矿0 m标高以上的矿体早年采用有底柱分段崩落法采矿［13］，经多年开采已经形成了较大范围的地下采空区，并不断地引发地表塌陷，且地表塌陷面积随着时间的推移不断扩大。矿区利用尾矿对地下采空区进行充填使塌陷区得到彻底治理，此法被证明是综合利用、变废为宝、保证矿山安全生产并且改善地质与生态环境的有效方法。

3.1.2 崩落采空区嗣后充填

在浅部矿体的开采过程中，可对采空区采用强制放顶措施，并迅速对塌陷区组织充填。强制放顶措施，用崩落围岩充填空区，达到了一次塌实的目的，主动使开采沉陷达到地表形成塌陷区，转移或缓和应力集中，以此可有效地控制了塌陷区的扩大。此外为避免已塌陷区产生再次或多次塌陷，可在放顶前用毛石砌封采空区的有关通道，以防地下水对裂隙的侵蚀扩大作用。国营七一二铀矿［14］的实践证明，此项措施可以取得良好的效果。

3.2 覆岩注浆减沉技术

在采场上覆岩层中存在着多层坚硬岩层时，对岩体活动全部(或局部)起决定作用的岩层称为关键层(或亚关键层)。受主关键层的影响，地表塌陷的速度很慢，而当主关键层崩落后，会在短时间内导致地表突然塌陷［15］。因此，对关键层的识别及其位置的掌握，并掌握其下沉破断及离层特征参数，是注浆减沉技术可行性分析、钻孔布置设计及减沉效果评价的基础。根据注浆工作的方式和浆液注入位置，覆岩注浆技术又可分为裂隙带注浆和锚注处理。

3.2.1 裂隙带注浆

采空区上覆岩层在自重力作用下，其顶板在某一高度内岩层像层状煤矿一样发生破裂和冒落，形成冒落带、裂隙带和整体下沉带(又称弯曲带)3个分带［16］。为了降低破坏从开采空间向地表的传播速度，可以通过地面钻孔，用外来材料充填采空区上方覆岩裂隙，由于高压浆液作用于四周的围岩而起到压实作用，同时对上覆岩层产生支承作用［17］，减缓地表塌陷量及塌陷速度，为塌陷区的治理创造有利条件。

3.2.2 锚注处理

锚注法是通过注浆、穿锚等地表治理措施改善空区上覆围岩的岩性，提高围岩的整体稳定性，控制冒落的进一步发展，达到防止地表塌陷的目的，该方法主要思路是发挥覆盖岩层的自承作用。玲珑金矿［18］在处理覆盖碎石性杂填土的采空区地表塌陷问题时，在地质雷达探测的基础上，采用以锚固为主的锚注联合治理方法，成功解决了急倾斜中厚以下矿体采空区冒落引起的地表塌陷问题。

3.3 地表塌陷区回填

对已形成的地表塌陷区需进行回填治理。回填时可利用井下排出的废石或废石堆场堆积的废石，既经济方便又可解决废石外运问题。填充时，可从塌陷区一侧开始逐步往塌陷区另一侧进行填充，也可多个方向同时作业，边充填边平整。回填后塌陷坑表面需覆盖黏土且厚度不低于1m，以尽量减少雨季积水渗入井下，同时可进行地表复垦。塌陷坑回填时，应注意随时监测塌陷坑及其四周地表位移变化情况，若有明显异常变化，应立即停止回填作业，将人员和设备撤离至安全区域以确保施工安全。

广西高峰矿区［19］井下100号矿体早年受民采空区大量无序存在以及安全隔离区被破坏等影响，多次出现地压活动和塌陷区。矿区于2003年起对矿区事故隐患进行治理，切削塌陷坑周边的边坡岩土回填到塌陷坑至正常地形，同时加固边坡、改坡为梯，消除滑坡滚石等地质灾害。观测结果表明，治理后地表岩层趋于稳定，为继续深部开采创造了安全生产条件。

3.4 塌陷区防排水

塌陷区回填时，应使填平表面具有一定的自然坡度，以利于地表排水。另外，可根据需要在塌陷区外围构设排水沟和防洪土坝，防止塌陷区域外围地表水流入岩石移动变形区域，减小雨季塌陷区水患压力。

此外，若塌陷区地下岩体附近有富水岩层，则应采取高压注浆的方法，隔绝破碎带与地下富水岩层之间的水体联系，防止沉陷的加重和有可能发生的淹井事故［20］。

3.5 合理选择采矿方法和开采顺序

相对于崩落法而言，充填法可以减少在上覆岩层、相邻井巷以及地表的沉陷破坏，并且可以防止导水裂隙的大面积产生，从而减少流入矿井的地表水，起到保护水资源和保证地下安全生产的作用［21］。因此在地质条件适宜，经济条件合理的情况下，可以优先选择充填法开采。但是金川镍矿的长期实践表明［22］:即使是采用充填强度较高的胶结充填法也会引发地面变形破坏，但表现出明显的滞后性。所以，即使采用了充填法，也要加强监测，随时预防和治理滞后发生的地表破坏。

开采施工过程对岩体力学性能和采空区的稳定有很大影响［23］，当回采工作面从某一方向单向推进，或从中央向两侧推进时，可使上覆岩层及地表变形相互抵消而减小，因此确定合理的工作面位置与开采顺序是很有意义的。

4 地表移动的预测与监测

预测连续下沉的下沉剖面，和不连续下沉产生的可能性及影响范围，对于地下采矿设计和安全生产的重要性不言而喻。目前，国内外关于岩层移动的预测理论和方法主要有3类。

4.1 基于工程经验的类比方法

经验方法较数值方法的优点是它不以岩体力学模型和假设的抽象概念为基础，而是参考相似地质与采矿条件矿山的实践基础，是目前设计与生产中最常应用的方法。该方法存在着因人而异的主观因素［24］。

4.2 基于理论模型的数值计算法

国外在研究地下采矿岩石力学的过程中，先后形成了连续介质理论、地质力学理论、不连续介质理论、非线性理论、系统科学理论等理论基础［25］，并且在这些理论的基础上出现边界元法、有限单元法、离散元法、有限差分法、概率积分法等计算方法。随着计算机软件技术的发展，数值分析与计算已经成为研究复杂地质采矿条件下岩层移动的一种重要手段。但是，目前这些方法只能起到辅助分析的作用，完全依靠理论模型得到的计算结果是不精确的。

4.3 基于现场监测数据的数值分析法

鉴于上述2种方法都存在不确定性因素，对于金属矿山开采过程中的现场位移监测及基于监测结果的数值分析，是对开采地表移动破坏安全评价和寻求其相应安全处理措施的重要手段。

监测数据的获得［26-29］，可以在采空区对应地面的潜在崩落区地表按一定网度建立地表观测网，或采用GPS监测。此外还可以应用应力监测方法和声发射监测技术。前者以采空区顶板断裂时的应力反弹现象为判据;后者可以记录岩体声发射活动的频度和能量及其变化趋势，预测岩体的稳定状态。

对监测结果的数值分析，邓海清等［30］采用神经网络方法并与GIS结合，利用GIS空间信息管理分析功能，弥补神经网络数据的不足;唐明富等［31］采用灰色模型预测方法，选择了指数函数作为实测离散数据的拟合函数，预测地面塌陷的最大降沉量;栾元重等［32］根据分形理论，采用分形插值方法拟合矿山地表移动的非线性监测曲线，用R/S分形时间序列对地表移动时间序列进行状态演变分析，模拟预测裂缝的变化和发展;彭建刚等［33］采用距离判别分析法，这一多元统计分析方法，以实测数据为样本建立距离判别模型，进行采空区塌陷的预测;陈红江等［34］采用突变级数法，分析影响采空区稳定性的因素，对采空区的稳定性进行预测。

无论上述的何种方法，都只能根据现场监测数据进行预测，随着时间和条件的改变，结果可能会出现变化。地表塌陷破坏是很多复杂因素耦合作用的结果，必须采用多种方法综合进行预测才能使结果更加科学准确。

5 结论

(1)地表破坏的主要原因是地下开采形成的采空区、开挖巷道及其他地下工程所形成的地下空区，而矿区岩体中断层、节理等地质结构为岩体破坏提供了基础，同时其中存在的地下水产生的动压力和静压力强化了岩体的变形与破坏。

(2)地表破坏的控制手段有地下采空区处理(包括充填采空区、崩落采空区嗣后充填)、覆岩注浆减沉技术(包括裂隙带注浆、锚注处理)、地表塌陷区回填、塌陷区防排水等，实际应用时需要根据矿山实际情况，制定最优的综合治理方案。

(3)研究地表沉陷机理，认识地面塌陷的分布规律，对地面破坏进行预测，并以预测结果指导后期塌陷治理工作，可以保证矿山生产安全，防止地表生态环境的破坏。

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