普朗铜矿地表塌陷坑成因及趋势分析

赵冰峰 冯兴隆 刘华武

(云南迪庆有色金属有限责任公司)

普朗铜矿位于云南省香格里拉市东北部，地理高度为海拔3 450～4 500 m，生产与生活环境恶劣。该矿床为超大型斑岩铜矿，目前共探获铜金属量480万t，黄金145 t，白银2754t，钼19万t。经前期开采技术条件研究，普朗铜矿具节理裂隙等构造密集发育、矿石品位较低，但矿体相对厚大等特点，故采用自然崩落法进行开采，一期采选规模为1 250万t/a，首采3 720 m以上、南北方向Y∈[2 949，3 309]的矿体。经多年的基建工作，该矿已于2017年3月17日正式投产，计划于2019年上半年实现达产[1]。

基建施工过程中，发生多处顶板垮塌事件。3 736 m 拉底水平南部拉底穿脉巷道和切割大巷中的垮塌点有6个，巷道被垮塌下来的矿石堆满，垮塌矿石块度较小，直径均小于300 mm，矿化程度较好，垮塌矿石呈深灰、浅灰色。矿岩出现风化现象，为典型的断层分化特征。同时，至2017年7月13日，在地表3#大沟副产矿石堆场先后出现2个塌陷坑。1#塌陷坑水平半径约9 m，深约7 m，规模比较大；2#塌陷坑水平半径约3 m，深度约2 m。为保证矿山安全高效开采，了解塌陷坑的成因及预测发展趋势是十分必要的。

1 矿区地层与地质构造

首采区内地表为第四系沉积层(图1)，较为复杂，有坡积、残坡积、河床堆积及冰川堆积，总体以冰川堆积物为主，其成分复杂，为变砂岩、板岩、石英二长斑岩、石英闪长玢岩、花岗闪长斑岩等大小不等的碎块，与砂土松散堆积，碎块呈次圆-圆状，厚0～74.96 m。

首采区内地质构造复杂，节理裂隙等构造密集发育，主要存在5条断层[2](表1)，详细情况如下：

(1)NW向断层。F1断层是首采区较大的断层，是NW向断层的代表性断层，也是首采区重要的断层。断层见于3 670～3 736 m中段，已实际控制走向长大于450 m，延深大于120 m。根据基建工程，实际揭露断层走向NW向，倾向NE，倾角为61°～88°；断层破碎带较为紧密，宽0.1～2 m，充填物主要为围岩碎屑和围岩角砾，黑色断层泥，石英、碳酸盐等物质；断层面清晰，局部可见阶步及斜向擦痕，局部断层扭曲、反转。F1断层被后期断层错断，初步判断为正断层。

(2)NE—NEE向断层。F4断层也是首采区代表性断层，与区域断层全干力达断裂有相关性，主要揭露于3 670～3 736 m中段，断层实际控制走向长大于580 m，倾向长大于90 m，断层走向NE，倾向SE，局部断层扭曲，断层宽0.1～2 m；断层充填物呈灰白色，为碳酸盐物质、断层泥及少量围岩碎屑充填，断层松散破碎，断面清晰，断层平整；断层被后期断层F3、F2错断，局部可见阶步擦痕，初步判断为逆断层。F5断层是首采区重要构造之一，与区域断层全干力达断裂有相关性，断层主要分布于3 670～3 736 m中段，尤其3 670 m中段比较明显，断层走向NE，实际控制大于540 m，倾向NW，倾向控制大于90 m，倾角为37°～78°，在3 670 m中段工程揭露较为明显，在6#穿脉3#、2#、1#沿脉南都有工程揭露；断层充填物呈灰白色，为碳酸盐物质、石英、断层泥及少量围岩碎块(屑)组成；断层松散破碎，倾角相对较缓；3 720 m水平也有揭露，断层破碎，断层被后期断层F3、F2错断，局部可见阶步擦痕，初步判断为逆断层。

图1 普朗矿区勘探线剖面

表1 首采区主要断层特点(3 760～3 736 m中段)

(3)NWW向断层。首采区NWW向的代表性断层主要是F3和F2断层，此组断层为后期断层，错断了其他2组断层。F3断层主要揭露于3 670～3 736 m 水平，实际控制走向长大于520 m，倾向长大于90 m,断层走向NW，倾向NE，断层宽0.2～2 m；充填物呈灰白色，为碳酸盐物质、围岩碎屑及少量断层泥充填，断面闭合，断层扭曲。F2断层主要揭露于3 670～3 736 m水平，实际控制走向长大于 570 m，倾向长大于90 m，断层走向NW，倾向SW，倾角为64°～87°；断层控制严密，初步判断为张扭性断层，充填物主要为碳酸盐物质、围岩碎块(屑)及断层泥充填，断层平整，断面闭合，断层周围岩石破碎，局部见明显阶步擦痕，断面局部扭曲。

2 塌陷坑的成因分析

2017年3月17日正式投产到2017年7月13日，在地表3#大沟副产矿石堆场先后出现2个不同规模的塌陷坑(图2)。在这期间，3 736 m拉底水平南部拉底穿脉巷道和切割大巷中发生了多次顶板垮塌事件，主要的垮塌点有6个，同时地表塌陷坑缓慢扩大。

图2 地表塌陷坑现场

为了分析塌陷坑的成因，结合矿山地质资料，画出顶板垮塌事件发生位置、断层与地表塌陷坑的空间位置图[3-5]。图3为顶板垮塌事件与断层的位置关系，可以看出，顶板垮塌事件发生位置基本都在断层附近，这说明顶板垮塌事件与断层有关。大部分巷道内的垮塌矿石块度较小，直径均小于300 mm，矿化程度较好，垮塌矿石呈深灰、浅灰色，说明矿岩出现风化现象，为典型的断层分化特征(图4)。由此发现，大部分顶板垮塌碎石来源于断层破碎带。

图5为1#、2#塌陷坑和井下拉底作业空间位置关系。图中1#坑井下位置区域大致位于3 736 m水平S5与S6穿脉对应位置，断层为F1、F3交点。如图5所示，从里到外分别是2017年4月份拉底作业完成区域、5月份拉底作业完成区域、6月份拉底作业完成区域、7月份拉底作业完成区域、8月份拉底作业完成区域。可以看出，1#塌陷坑井下所对应的位置在6月份已完成的拉底作业区，1#塌陷坑的形成时间是2017年5月份左右。结合地表塌陷坑资料、断层资料及井下作业工程，用三维建模软件建立几何模型(图6)。

图3 顶板垮塌事件与断层的位置关系

图4 顶板垮塌碎石

图5 1#和2#坍陷坑和井下拉底作业空间位置关系

图6 1#和2#坍陷坑、断层及当时井下拉底作业位置的几何模型

1#塌陷坑的形成原因是拉底作业导致破碎带暴露后，施工单位在处理S7N垮塌区时，采用了松动出矿—中深孔爆破—松动出矿—中深孔施工和掘进爆破—松动出矿，出矿量达到了311车(7 153 t)，而这些矿石是断层破碎带内的碎屑。这些碎屑的铲出使得上部碎屑沿F1断层带形成的通道下移，导致1#塌陷坑出现。

2#塌陷坑形成于2017年7月13日。其形成时3736拉底水平推进至7月份拉底完成区域所示位置(图5)，并且在3 736 m水平S5S进行辅助出矿。同时，地下拉底作业推进线依旧在F3断层附近，且更加靠近F1、F2和F3断层交汇处的破碎带。地表上2#与1#塌陷坑相距仅10 m左右，且也位于F1断层附近，推测2#塌陷坑的形成与1#塌陷坑也可能存在关联。因此，推断2#塌陷坑的形成与断层地质构造尤其是F1断层有关。由于2个塌陷坑的位置相近，井下3 736 m拉底水平对应位置也相近，因此，该区域在地表下发生断层交错的概率也非常大。然而，2个塌陷坑相距很近，但并没有连在一起，该现象说明2个塌陷坑理论上不可能位于同一个断层上，因此，该处存在新的独立断层的概率比较大。

假设存在新的断层，如图7所示，为2种不同的断层预测图。图中白色圆圈区域表示2#塌陷坑井下对应位置，深色部分表示F1断层，白色的线条表示2#塌陷坑下面的断层通道。图7(a)为2#塌陷坑与井下拉底作业间存在的一条新断层预测，拉底作业导致新断层中的碎石下滑，从而形成2#塌陷坑。图7(b)中的新断层比图7(a)中复杂，由于F1断层距离很近，可能存在一条新断层，贯通F1断层，新断层与F1断层共同作为2#塌陷坑形成的通道。上述2种为形成2#塌陷坑通道最有可能的情况。2#塌陷坑的断层通道尚不确定，存在多种可能性，但其形成机理与1#塌陷坑相同，拉底线推进至井下位置时，造成断层活化，断层内碎屑向下持续滑移直至地表。

图7 新断层预测

3 塌陷坑的发展趋势

如图8所示，塌陷坑在扩展过程中，其坡面在堆积物达到自然安息角时趋于稳定[6-7]。图中虚线坡面表示塌陷坑某特定阶段的自然坡面，实线坡面表示塌陷坑底部扩展到断层后形成的理论最终坡面范围，位于两坡面中间的虚直线AB表示第四系堆积物理论厚度。由上述分析可知，随着通道内碎屑的铲出，地表松散洪积层随之下移，按一定角度(自然安息角)在地表形成塌陷坑。因此，前期形成的2个坍陷坑的演化趋势和范围受通道自身规模和拉底施工时关键位置的出矿量及通道地表洪积物厚度等所控制。

图8 塌陷坑与堆积物关系

即使断层破碎带内的碎屑全部铲出，塌陷坑范围与断层破碎带宽度和第四系洪积物厚度有关，因此，通过理论计算公式计算塌陷坑的最终塌陷半径。

(1)

式中，H为堆积物厚度，即AB长度，m；φ为自然安息角，(°);R为最终塌陷坑半径,m。

依据地表碎石的自然安息角计算第四系堆积物的厚度，并推演塌陷坑的扩展趋势。塌陷坑的最终深度为实体模型中的第四系堆积物厚度，用测量方法选取，地表和矿体间的填充物即认为是堆积物的厚度。堆积物厚度选取大致分为几个步骤：依据塌陷坑的现场测量CAD图，确定塌陷坑坐标；应用Dimine软件在地表模型上标出塌陷坑坐标处的位置和高程；在该模型中的矿体模型中标出塌陷坑坐标处的坐标和高程；测量塌陷坑坐标处的地表高程和矿体上边界高程的差值，即为堆积物厚度。堆积物厚度的测量示意见图9，1#和2#塌陷坑堆积物厚度测量值分别为15.792和19.185 m。

图9 堆积物厚度测量示意

普朗铜矿塌陷坑坡面散体碎石自然安息角的选择是依据周骥[8]的实验与现场测量结果而选择的。现场塌陷坑坡面目前的安息角测量使用自然安息角的测量装置，对同一种散体矿石进行实验测试，并且综合了湿度等一些外界条件因素进行选择，结合普朗铜矿目前条件和观测进行选取，该塌陷坑的自然安息角选取41.0°。

由此，根据式(1)计算得到1#塌陷坑的理论最终塌陷半径为18.17 m，2#塌陷坑理论最终塌陷半径为22.07 m。

理论上最终塌陷完成后，2个塌陷坑必然会相交，且相交范围达到10余m，相交模型见图10。图中，实线圈表示5月15日实际测得坑的大小，虚线圈表示8月7日实际测得坑的大小，最大的白色线圈表示按照理论计算公式得到的最终坑的大小。

图10 最终塌陷坑的模拟相交模型

4 结 论

(1)通过地表塌陷坑、断层、工程作业的空间几何关系，分析得到了2个塌陷坑的成因。1#塌陷坑是因拉底作业导致上部碎屑沿F1断层带形成的通道下移；2#塌陷坑的形成机理与1#塌陷坑相同，但其断层通道尚不明确，存在多种可能性，给出了2种最有可能的情况。

(2)按照工程经验得到了自然安息角与堆积物厚度，根据理论计算公式，预测了2个塌陷坑的最终塌陷半径。1#塌陷坑的理论最终塌陷半径为18.17 m，2#塌陷坑的理论最终塌陷半径为22.07 m，并模拟了2个塌陷坑的相交模型。

(3)通过分析地表2个塌陷坑的成因，为下一步的安全防范指引了方向，2#塌陷坑下的新断层预测为普朗铜矿局部详细的地质信息提供了参考。