金属矿地下开采地表沉陷预测及监测安全技术探讨

姜昌宏

（新疆亚克斯资源开发股份有限公司 哈密 839000）

1 前言

随着社会经济的发展，大家需要的矿产资源数量也越来越多，为了满足人们的要求地下开采的规模也逐渐变大。在开采的过程中，岩体的原始应力平衡会被打破从而出现岩层和地表移动的情况。开采沉陷是指当地表发生移动后出现的沉陷盆地、裂缝等问题，这些问题都会影响到沉陷区建筑物、公铁路的正常使用，甚至使得地表和地下水受到影响，带来更大的安全隐患。现在在进行金属矿开采时，针对地表沉陷问题的防护变得十分重要，通过各类检测防护手段，及时进行预测，提高开采安全，对矿山的安全开采有着十分重要的意义。

2 金属矿开采过程中的地表沉陷规律

由于地下开采导致的地表沉陷总的来说是比较复杂的力学过程，采空区上方的岩体在开采的过程中，应力平衡遭到破坏，从而使得顶板岩层发生移动，地表沉陷，导致地面的一些建筑设施受到损害。其规律特征表现以下几方面。

2.1 岩体内部移动破坏形成下沉盆地

当地下的矿产资源被开采之后，岩体内部就会出现采空区，此时顶板的岩层下部的空间引起了应力的重新分配，原来的平衡被打破，顶板岩层就会收到各处的拉引，处于一个受拉的状态，产生不同的移动和弯曲。当这一应变在岩体自身的承载范围内，那么此时将保持连续和规律的平缓弯曲。而当弯曲越来越大，挠度越来越大，拉应力超过了岩层的最大的承载力，则会发生断裂、破碎等情况，进而使其上部岩层产生断裂、离层，导致采区附近的岩体重新分布。如果开采的范围太大，岩层移动逐渐延续到地表，这样就会形成下沉的盆地[1]。

2.2 地表移动与变形

当采空区面积不断扩大，地表就会出现移动和变形，这里主要有地表水平和垂直方向的位移。在垂直的方向，当开挖的矿产数不断增多时，位移量就会持续增大，当到了一定规模时，就会达到最大下沉值，其位置一般在采空区上方附近，一般会偏向下山方向。水平方向，水平移动值主要从零点增加，采空区的上方位置处，水平位移数值是最小的，两侧的边缘点处数值最大，之后随着矿体倾角的增大，在下山的方向，其水平移动数值只会越来越小，上山方向则越来越大。

2.3 移动角及移动范围

由于开采矿的数目和开采中段的不一样使得移动角也有所不同。移动角指的是主断面上面的临界变形点和采空区边界水平线之间外侧的夹角。在开采的时候，一般会先对岩层的移动角进行确定，确定方法主要使用经验公式和工程类比法，之后划出移动的范围[2]。

2.4 地表沉陷问题的影响因素

作为比较复杂的时空过程，地表沉陷问题会涉及到许多地质和人为的因素。其中包含地层岩性、矿体质量、开采强度等。但是除了这些之外，部分金属矿区还有一些比较独特的地理位置、构造特点等。首先是采空区的因素，例如一些采空区的结构参数不合理，上下位置有重叠，上部采空区距离地表比较近等，这些都有可能造成采空区跨度和采高过大，顶板厚度达不到标准;矿体埋藏深度相对来说比较浅，上覆岩层遭到破坏之后，落下的岩体很难使得采空区能够被充分地填充;上下采空区连通，导致出现大规模的采空区，使整体存在稳定性方面的安全隐患。地质构造因素主要关系到矿区的地理特征，例如桃花山的铁矿其处在铁门坎附近的破碎带之中，破碎带内岩石比较破碎，碳酸盐化，受北西向构造破碎带控制，矿体走向和破碎带相同;破碎带在开挖之后就容易脱落，遇到水后发生泥化，降低了采空区顶板的整体强度;矿体位于铁门坎向斜内，岩体整体强度和力学性质明显降低，一些金属矿区的大气降水因素也会产生影响，和水相遇之后塌陷体不管是抗压强度还是内聚力都会出现大幅度的降低，水自身也在一定程度上加大了上覆岩层的压力[3]。

3 金属矿开采中的地表沉陷的预测和监测

3.1 开采过程中的沉陷监测

我们都知道地下金属矿开采会引起地表沉陷，然而在很多情况下力学的分析是很难得到精准的结果，而传统的经验公式和工程类比法也没有办法做到全面的预测。现在计算机技术的进步，在开采沉陷预测问题上为我们提供了一些解决的途径。我们可以利用计算机的数值模拟和GPS,GIS的手段，来对沉陷问题进行准确定位，通过数值分析来预测沉陷趋势[4]。

3.2 计算机数值模拟

当矿体被开采之后，再出现的应力变化下，可以根据岩石力学理论，结合一些经验公式和以及矿体的实际情况，通过计算机数值模拟模型，来对开挖过程做出模拟，建立变化曲线，能够表现出在不一样的开采深度下，岩层、地表发生的移动变化。这里常用的有离散元、有限元、边界元等方法。数值模拟技术相对来说对基础参数的依赖性极高，因此要确保这一参数的准确性，因此初始基础参数是其应用的重点部分。

3.3 现代监测技术

现代检测技术主要是依靠GPS、GIS 技术等，配合其他的处理软件，快速提取矿山大范围监测数据，并进行分析，实时动态的跟踪数据信息，进而准确的得到沉降数据，帮助我们做好提起预备方案。现在GPS和GIS是是其中应用最为广泛的，将两个系统结合起来，可以对在开采矿体时，对其地表岩层的移动做好动态监测，把这两个技术结合在一起，对引起矿山地表灾害的地址、地貌、水文等实施跟踪，把GPS得到的监测数据输入并存储在GIS系统中，通过这一系统强大的数据处理功能。来为矿山的安全生产提供指导作用[5]。

4 地表沉陷的防治

从金属矿区塌陷规模、特征、稳定性等来看，针对开采中出现的塌陷问题主要提出以下几点防治措施。

（1）严禁在塌陷变形区做其他的工程活动，及时的回填塌坑。及时修设排洪沟，防止降水导致地表的再一次被破坏。沿地表变形区附近要建立预警标志，派专门的人员负责监测工作，还要注意密切观察矿坑的涌水量及崩落块石等。再回采时要严格遵守结构参数，预留矿柱。对局部不稳定的矿段、巷道等要加强支护和一些加固措施。

（2）按设计要求的矿块回采顺序进行回采，做到合理利用资源，不浪费。下部矿体在开拓和开采的时候，绝对不能在塌陷体的下方出现采空区，如果塌陷体的下方还有矿体，在开采之后要对采空区做好填充措施。老塌陷区的残留矿体或矿柱不要再重复开采，若要开采需有完善的可行性论证及设计[6]。

（3）用充填料对采空区进行填充，支撑好空区，减少采空区上覆岩层下沉量。保留永久矿柱或支撑，选留合适的位置。要在采空区的通道中一些比较稳定的岩体位置修筑封堵墙，墙体要具有一定的厚度，防止出现围岩垮塌的情况。除此之外还可以利用岩体声发射监测手段来监测采空区。

5 结束语

随着金属矿地下开采规模的增大，其对自然的破坏不断加大，给人们造成的威胁也越来越大，应对地表沉陷这一问题目前来说主要的技术手段是数值模拟预测和现代监测技术。前者对地表沉陷预测提供了一定的指导作用，但这些问题不能只靠着这些理论的研究来解决，还需要和实际的施工实践结合在一起。通过现代监测手段等来得到实测数据，结合理论指导实践，创造出一个合适的地表沉陷预测体系，能够适应不同矿山的实际条件，帮助我们更好地控制地表沉陷，保护地表环境。