金属矿地下开采地表沉陷与防护

◎黄涛

金属矿开采过程，要全面的加强地表沉陷防护工作水平，这样不仅利于提高生产安全，也能够为生态环境保护工作开展提供有效保证。作为新时期技术人员，要积极运用更加完善的金属矿地下开采模式，加强地表管理水平，全面的防治地表沉陷问题发生，以提高开采效率，具体分析如下。

一、金属矿地下开采的基本情况分析

金属矿的开采是我国重要的支柱型产业之一，其流程是将矿石从地下矿坑挖掘后，再经由专业的企业进行加工处理。目前我国采矿的工艺流程主要有三类，即矿堆采准、矿堆切割以及回采流程。而具体的采矿方式则较为简单，即地上开采与地下开采两类。近年来，我国金属矿的开发工作主要集中在地下采矿的方式，并且伴随我国工业技术的不断升级，采矿的效率与质量都得到了显著提高，传统的人工开采方式也被替换为了机械化操作的模式。目前针对金属矿的地下开采工作，主要采用的是地下连续开采方法，这种技术在使用的过程中会采取两种措施方法，主要是结合被开采对象的硬度与大小来决定，首先，针对开采对象的硬度较小的时候，会采取连续式的平行开采策略；而针对开采对象硬度较大的时候，则需要分区域进行开采工作，针对易开采区域优先进行开采工作，保证互相之间协调完整的情况下，再进行下一阶段的开采。

二、金属矿地下开采地表塌陷规律

金属矿开采过程，应提高对于地表沉陷的管理能力，通过分析塌陷规律，能加强认识，从而利于针对性的制定更加有效的防护方案，进一步保证金属矿地下安全开采，以提高企业经济效益。

1.地表塌陷主要表现。

对金属矿的开发工作而言，地表塌陷是最为主要的问题之一，根据其形态和严重程度可以分为两类，首先，浅部开采。这类塌陷问题主要集中在表层，由于开发速度过大引发的塌陷，其损害范围相对较小。第二类则为深部开采，由于煤层开挖的时候出现不均匀的现象，但由于结构整体较大，所以在塌陷速度上匀速下降，但也会存在突然塌陷的情况，造成极大的安全隐患以及财产损失。具体可以结合塌陷的体积以及开发的提及进行测算工作，前者比例超过70%的情况下，多发于超常规测算开采深度的1.4 倍，如果比例没有超过70%，则主要出现浅部开采的塌陷问题。

2.地表塌陷基本规律。

①地下开采范围大小。

地下开采的工作区间与大小，将会成直接程度上影响最终塌陷与否。结合过往的研究表明，开采的深度越大，则容易出现塌陷的可能性越强，并且包括开采范围以及地表的结构，都会对产生引发塌陷的可能性。其次，伴随开发的深入，塌陷的可能性与地表移动深度的扩大而降低，并最终趋于稳定。

②地表影响范围与开采深度有关。

通常情况下，开采的深度越小，塌陷的可能性就月底。但也存在特殊情况，施工方需要结合当地的实际地理状态来明确开采的程度是否过度，存在安全隐患。

③下沉速度随着开采深度增加而趋缓。

在任何金属矿开采的过程中，都会因为开采的深度扩大而引发下沉的现象，而伴随深度的不断提升，下沉的速度也会因此变慢，并最终区域稳定性质。相较于地表的开采工作，地下的深度开采工作会出现地表活跃度低甚至无活跃度的情况。

④与矿层倾斜度有关。

绝大多数的金属矿开矿工作是倾斜进行的，而倾斜的斜率将直接程度上影响开采的塌陷可能性。如果开采深度增加，容易在倾斜位置发生位移，并且造成重力失位的情况。一般状态下，规定开采过程中下山方向的倾角需要大于上山方向，但由于地理结构变化或开发过程中的不稳定因素，会打破原有的设定边界引发塌陷。

三、金属矿地下开采的现状以及危害

1.损坏地表建筑物。

伴随我国对金属矿资源的开发和利用，开采的深度大多超过了百米级别，甚至达到了千米级别。换言之，金属矿在开挖的过程中会不可避免地导致原本紧缩的岩石层产生裂缝，因此长时间的开发下，会形成包括岩石位移、断裂的负面情况。在层层受力的作用下，最终会反馈至地面的各类建筑物，使得建筑物出现裂缝等形变现象，严重的情况还会直接导致建筑物塌陷。此外，金属矿开采的矿区附近若有高级公路、铁路、城市间供水、输气、运油管道以及大型建筑物设施等，所产生的危害以及损失将是不可估量的。同时，大型水利设施建筑物的损坏将会产生无法弥补的侵害和损失。

2.侵害地表生态环境。

在金属矿开发的过程中，由于会不可避免地引发地表沉降，而地表结构是土地直接的构成元素，一旦沉降会引发其原本包括含水性、抗腐蚀性上的衰弱，因此会引发水土流失等问题，并最终引发土地的适用性进一步下降。这一问题在土地贫瘠、不适宜耕种的区域更为明显。此外，塌陷还会引发地表的植物的环境被破坏，生物会因为缺乏水分、养分，而出现枯萎的现象，使得当地的环境发展出现了困难。

3.引发地质灾害。

针对金属矿的开发工作来看，由于在地下开发的工作不可避免地会引发包括山体的断裂和滑动，因此会产生连锁反应引发地表的沉降问题。如果长年累月的进行开发，或者大型的金属矿进行开发，地表的破裂问题会上升至附近的山丘，形成会出现山体滑坡等灾害问题，如果处理不及时会对周边的居民造成难以挽回的损失。

四、金属矿地下开采沉陷预防和控制技术的运用

1.充填式开采。

在金属矿的地下开采的初步阶段，在地下结构的顶层岩板没有暴露之前，可以采用专门的材料对空区进行填充，帮助顶层岩板提升工程强度，避免出现下降或形变，从而反馈至上方提升地表的支撑力，避免对建筑物的破坏。充填式的开采由于技术相对较为特殊，因此需要专门的设备以及材料使用。目前我国金属矿地下开采的过程中，最主要的充填式为水砂填充，并且这也是目前成本相对较低且效果最好的一类技术方法。其次，还有其他的不同充填式开采的策略方法，需要结合地下的实际情况进行选择。

2.条带式开采。

条带式的开采原理，就是在开采工作前，对金属矿进行充分的调研，以正确的比例进行两条通道的预留，两条通道以上下结构进行划分，其中一条作为主要的通行通道，另一条作为备用通道的同时，能够发挥其支撑作用，对地下的结构以及地上的结构进行保护。这样的支撑方法，即使是金属矿开发的时间较久，也能够有效实现避免变形、断裂的情况发生。但这样的方法也存在一定的弊端，即开发的时间成本以及其他成本相对较高，仅在安全系数相对较低的金属矿选择使用。

3.限厚式开采。

限厚式的开采方法是所有金属矿地下开采的过程中对前期要求最高的方法之一，需要对当地环境的水文条件、地貌情况以及地标建筑进行勘察，在明确其抗变形的能力计算后，明确下方可开采的深度、厚度，在保证地下结构不会出现积水的前提下，同时能够为环境的保护提供一定的策略，实现真正意义上的绿色可持续化开采。在限厚式开采的过程中，只要严格遵守开采的厚度，就能实现塌陷的预防和控制，并达到保护地表建筑、农田和生态环境的目的。但是，这项开采技术虽然能够保障地表沉陷的发生，但是其开采率也是十分的低，仅适用于煤层较薄的金属矿开采区。

4.协调性开采。

协调性的开采策略，也是一种对前期准备工作要求较高的方法，其原理是通过观察金属矿的情况，计算出不同的开采顺序已经深度，通过开采的方式实现不同作用力之间的部分抵消，使得整个金属矿处于动态平衡的状态。通过这样的方法，不仅能够保证地下开采的金属矿结构稳定，不会出现突然塌陷的问题，保证了开采工作的安全性，并且对地面的支撑力等要素也被计算在内，从而实现安全生产。但该方法难度相对较大，目前实用性相对较低。

5.岩层带填充。

岩层带是目前较为主要的金属矿地下开采的策略方法之一，其原理为首先勘察地下结构，在开采的同时，以间隔的方式完成对地下结构的开挖，在开挖的区域安全不会塌方的情况下，注入专门的高压浆液，完成对岩层的充填作业，以求帮助完场开采区域的加固处理。在浆液冷却后，再额外砌砖进行二次加固，保证区域的稳定性。通过这样的加固方式，能够有效保证在开采的过程中下层岩石层无法堆积到上方，并且能够对地表的结构进行二次完整、加固。但需要注意的是，该项技术方法的施工难度极大，对技术人员的要求非常高，而且造价也相对较高，因此在使用该技术前，必须要确保工作人员具备该方法的能力和水准。

6.塌陷区的综合治理。

对已经发生塌陷事故的金属矿来说，其上方绝大多数都是平原结构，并且塌陷范围大、积水相对较多。对此，采用造田复地的策略相对较多，但其成本相对较高且对材料要求高，因此该方法仅适用于塌陷区域的部分。为了进一步加强对塌陷区域的整治，应当做到综合性的治理，采用多元化的方式进行修复工作，在保证安全性的前提下有序展开相应的作业，妥善安排在金属矿附近区域的居民正常生产生活，并保证经济效益。

综合治理塌陷区的方法主要有：

（1）塌陷区疏干。

针对出现塌陷情况后，附近水域包括河流、湖水面的地区，应当采用疏干塌陷区的策略。其原理是，开挖专门的排水结构，将塌陷区域的积水引入水源。在低洼地挖深垫浅建设水库，涝季存水、旱季灌溉；在因河床的坡降变化而使河水不能畅流时，在河流的适当地段设置扬水站，以便雨季时把河水泵入下游排走。疏干塌陷区不但可使大部分农田恢复为可耕地，而且可使村庄和其他建筑物周围不再积水，避免了不必要的迁移，保护了生态环境。

（2）平整土地。

针对塌陷情况并不严重且处于平原地区的结构，其塌陷的表现为大量的裂缝、孔隙、孔洞，此时可以借调专门的器械，如推土机、压路机等，对土地进行平整处理。对于塌陷区域内部积水较少的情况，则可以考虑将其改造成为种植用的梯田。

（3）发展水产和养殖业。

针对塌陷问题相对较为严重的区域，往往其积水也相对较多，在除水难度上也较大。对此，可以进行就地改造，将其转化为水产养殖业。部分使用年限较久的老矿坑结构，则可以发展成为专门的工业城镇。对于改造难度大的区域，可将其改造为居民区、娱乐区等，能够供给周边金属矿人工进行休闲娱乐，实现良性循环的目的。

（4）土地复垦技术。

目前我国土地复垦技术主要划分为两类，即煤矸石充填复垦和粉煤灰充填复垦。传统将开挖出来的煤矸石运用至地面的方法，不仅成本相对较高，同时也会对周边的环境产生破坏。采用煤矸石充填的方式，能够有效节省成本。其次，可以借调周边发电厂等进行粉煤灰充填，完成土地复垦的任务，对周边居民的损害也相对较小。针对积水区域可采用综合性治理的技术，除了将其排出以外，还可以采取科学化的技术，实现水产养殖业的发展。在条件允许的情况下，还可以积极发展成为旅游业，如建造水上乐园等。总而言之，现代化的塌陷处理方法相对较为灵活，要尽可能地降低成本并且做好绿色建设。

7.矿区地面沉陷监测方法。

近年来，除常规技术外，新兴测绘技术飞速发展，GPS 综合应用技术，合成孔径雷达差分干涉技术（difference Interferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR），三维激光扫描技术等均被用于矿区沉陷监测领域。

（1）精密水准测量。

进行水准测量时，需要水准仪以及配套的水准尺。通过已定位的两点，将水准仪置于约两点中间处，然后测量两点间测高差来进行水准测量。

精密水准测量是垂直测量的基础方法，也是主要方法，具有精度高、稳定性好、技术成熟等特点，但是劳动强度大，速度慢，观测系统相关性强，要求具有连贯性，对于面积小的矿区可采用精密水准测量进行沉陷监测，对于大面积矿区监测时，不应考虑此方法。

（2）GPS 技术在矿区沉陷监测中的应用。

第一，建立GPS 监测网。通过建网可对监测矿区地表、道路、建筑物等的位置变化实施有效监控，运用GPS-RTK 等进行数据收集、整理和分析，有助于矿区沉陷监测的进行。

第二，GPS 数据处理。

第三，矿区沉陷预测。根据各期观测数据得到沉陷曲线，采用合理的模型进行建模预测。

通过全方位的开展监测，必然利于加强金属矿开采过程地表沉陷防治能力，因此，相关监测工作的开展，要结合金属矿开采区域，运用先进的技术方法，全面的开展技术应用分析，以进一步构建更加完善的防控体系，加强金属矿开采技术应用水平。

五、结束语

总之，全面的提高金属矿地下开采水平的技术有很多，在开采过程，要加强对于地表沉陷工作的管理能力，应全面的制定完善的防范体系，进一步提高防范技术水平，从而提高开采质量，保证地表沉陷防控能力。希望通过以上分析，能进一步加强实践研究水平。