铜矿地下采空区稳定性分析与处理

沈正通

（云南金沙矿业股份有限公司，云南 昆明 654100）

随着现代工业的发展金属铜矿的应用越来越广泛，铜矿的开采活动也随之增多[1]。铜是我国经济高速发展离不开的矿产资源之一，也是我国工业原料和农业生产设施原料的主要应用金属之一。其相关金属矿山采选业生产总值每年占全国GDP总值的5.7%以上。随着我国铜矿资源开发规模的不断扩大，铜矿山采空区的数量和规模也与日俱增，因为采空区导致的安全事故和灾害也不算增多。为了保证采空区回采的安全性，保障开采场地的生命财产安全，就需要对铜矿地下采空区的稳定性进行分析，并做出相应的处理，进而减少由于采空区大面积坍塌等带来的危害。其中，铜矿采空区的地形结构、采空区稳定性相关参数等是铜矿采空区安全的制约因素。

1 铜矿地下采空区的稳定性分析

1.1 采空区的地质结构

铜矿采空区的岩石层主要由闪长岩、斜长岩和石英片岩组成，并且采空区中岩石多为裂隙发育方式，如节理、断层、张裂隙等。此区域中依据地质特征可以分为八个岩石组分，石英岩组占较大的比重，其他岩组则较少。同时，石英片岩集中分布在采空区的顶板层中。采空区的上方一般为二云母岩，下方则以黑云母岩为主，同时采空区的上下方之间有原始铜矿和氧化铜矿存在[2]。并且采空区的顶板之上的铜矿岩石受环境气候影响较为严重，尤其风化作用，其对顶板铜矿岩石有很大侵蚀性，从而导致矿岩破碎，甚至遇到轻微的振动也会使得顶板铜矿岩发生塌陷；下方的铜矿岩石则不受或少受风化的影响，质地牢固，通常不会出现破裂或断层等现象。

此外地下采空区个别岩层有可能包含少量闪长岩、角岩或矽卡岩。这类岩层属于硬性至极硬性岩层范围。下盘岩层较为稳定，形成断层或破碎带情况可能性较小。整体密集程度大，对地下采空区的影响较小。开采工程地质条件好，处应对角岩的破碎带外，一般不需要设置特别的开采防护措施，矿产施工地质条件属于简单型。

通常情况下铜矿采空区地下含水层多为第四系孔隙潜水、黑云母岩风化孔裂隙水和二叠系石灰岩岩溶水。整体地下水域补给大多依靠大气降水，很少出现大型地质构造断裂导致的地下采空去充水。矿区表面水域与采空区地下水域连接能力较弱，且难以形成大型水体区域。地下采空区矿床多存于水域侵蚀基准面下部，进行井巷建设时，容易出现渗水情况。

表1 铜矿岩物理参数

1.2 稳定性分析

通过实地考察可以发现以下几个不稳定影响因素：第一，由于采空区的形态不一，采空区的长度、宽度、高度以及体积均较大，其体积可达28000m3，地表投影面积约为800m3；采空区的面积以体积较大，给采空区稳定性的分析和控制带来很大的困难。第二，地层的岩石性质，铜矿地下采空区内缝隙较多，且以裂隙的方式不断发育，其中张开裂隙、纵向裂隙、地层碎裂、节理发育情况较好，采空区中的顶板周围的矿区岩石受风化影响较大，地层以下约35m范围内云母岩几乎全受到风化作用，称之为高等分化；采空区下部的矿岩受风化作用影响较小，其构造是由分散构造转变成碎裂构造，岩石的抗拉强度极低。此外在地下铜矿开采时的爆破阶段，容易引起采空区上方的岩石以及边坡的岩土等震动，从而引发铜矿采空区塌陷、掉落等现象。

1.3 采空区稳定性计算

通过对地下采空区的考察和分析，可以得出，铜矿地下采空区综合稳定性主要受到采空区自身形态因素、地层岩性矿区内裂痕发育因素、矿区人为爆破震动等因素影响。为了科学分析采空区整体稳定性，计算矿区相关影响因素对采空区稳定的影响。利用PC端环境仿真，对铜矿区地下采空区的稳定性进行具体计算。

设采空区顶板最小的厚度值为16m，利用压力模拟装置模拟空间应力和爆破力，对地下铜矿采空区顶板岩层进行分割作用；同时依据库伦法则计算岩石的抗分割强度，岩体粘接力选取c=60kPa，计算成果如表2所示。

表2 采空区稳定性计算结果表

对于面积较大的采空区，其投影到地表层的面积接近800m2，所以其稳定性的计算需要进一步借助三维空间模拟信息系统和PC端的仿真模拟软件。利用数据模拟方式进行采空区受力分布图见图1，在纵向要注意采空区地表层由于受到空间应力和爆破振动等合成应力的影响，从而造成其对采空区顶板的压力记为P1=1.6MPa，垂直走向受到采空区上方岩石的重力P0=13MPa，水平走向作用力P3=0.68MPa，分割力P4=6.0MPa，所以在垂直方向上对采空区顶板的合应力Pa=P1+P0=14.6MPa。

图1 地下采空区受力分布

图2 采空区围岩稳定性研究

此采空区地层的弹性量F=3.9GPa，地层作用力比值v=0.19；可以将采空区沿着周围划分为30个单元，纵向分割为22个单元。通过分析可以发现，采空区的顶板是最为危险的区域，其次采空区的周围及其与顶板的交接处。沿着采空区的危险区域设置4条勘测线，每条线之间相距3m设置若干个测量点，结果如图2所示。

由图2曲线可知，采空区受到爆破力和空间应力，各个区域的位移值随着扩展方向逐渐减小，另外通过曲线重合点可以发现：在顶板厚度最小值为12m左右时，爆破力与空间应力对采空区的稳定性不会造成太大的影响，采空区稳定性较高。

2 铜矿地下采空区的处理

为了有效防治地下采空区出现意外事故，对于采空区的处理需要根据采空区自身分布环境和周围地质环境两方面进行综合性治理。在地下采空区与隔板之间可以填充大量采空区下层垫层，以缓解地下采空区的压力，分散应力，避免周围岩石发生大面积的掉落，甚至威胁到人们开采和器械设备的安全；崩塌周围岩石处理采空区的方法分为爆破崩塌和自然崩塌，如果周围岩性较为稳定，不满足自然崩塌的要求，则选用爆破的方法崩塌周围岩石。爆破崩塌方法所耗费的成本较高，其爆破范围、数量和时间等都是可以控制的，所以此方法为常用的地下采空区处理方法[5]。在采空区隔离层较厚的情况下，开采场地极有可能没有岩石掉落，需要用崩落的上下方围岩填充石垫层；并利用崩落法处理，当矿体的厚度较大时，崩落上方的周围岩层不满足崩落要求，则崩落下方岩石，增大岩石垫层的厚度。

在铜矿的开采活动中，随着采空区中段的生产产量逐渐降低，可以将地下矿体中部进行掩埋，将矿区两侧重新设立成为独立的区域。如果个别采空区距离主要的铜矿体或开采区域远，采空区的下部有可能已经失去了回采的性能和意义。对于此类采空区，为避免周围岩石的总体脱落造成的气浪冲击等危害，在采空区的处理过程中，将运输轨道以及施工巷道修建牢固的隔断墙，将采空区进行封闭处理。此方法具有简单且有效的优点。

3 结语

铜矿地下采空区由于其地形特征、稳定性的影响因素等各不相同，所以在进行相应的处理中需要选用合适的方法，进而达到提高采空区稳定性的效果。同时，由于受到开采方法、开采使用的机械设备、以及爆破震动等因素的影响，采空区的稳定也受到很大的威胁。通过对其稳定性计算分析，可以有效地解除破坏采空区稳定性的影响，实现采空区的安全处理，进而保障铜矿开采时机械设备的安全使用和人们的生命财产安全。

[1]赵雨薇,韩超超,王大国,等.无底柱分段崩落法开采挂帮矿诱发边坡岩移的数值模拟[J].金属矿山,2017,12(9):197-200.

[2]蔡晓光,郑学鑫,黄鑫,等.某铜矿尾矿砂力学特性和尾矿坝变形稳定性分析[J].科学技术与工程,2017,32(8):128-134.

[3]刘艳,黄健柏,谌金宇.全球铜矿石资源流动的网络关联及影响因素分析[J].统计与决策,2017,05(7):146-149.

[4]张晗.中条山地区铜矿峪斑岩铜钼矿床电气石硼同位素特征[J].地质学报,2018,92(3):575-586.

[5]闻磊,李夕兵,唐海燕,等.变温度区间冻融作用下岩石物理力学性质研究及工程应用[J].工程力学,2017,34(5):247-256.