自然崩落法矿山采场突泥管控研究与应用

黄华桃，罗根平，王 欢，曾宪涛，何 翔

（金诚信矿业管理股份有限公司，云南 昆明 650500）

普朗铜矿采用自然崩落法采矿，生产规模1250万t/a，是目前国内最大的地下开采矿山。矿山位于迪庆州三江并流保护区，为减少采矿对生态环境的影响，设计中根据项目环评报告取消了露天与地下联合开采方案中的露天部分，确定采用全地下开采[1]。但自然崩落法因其工艺固有的特点，在回采过程中势必造成地表的滑移、错动和塌陷，同时，因矿体上部为厚层冰碛物，随着拉底范围不断扩大、地表塌陷区范围逐渐增加，进入汛期，矿区持续降雨，地表冰碛物泥化后，必然导致井下突泥，给矿山安全生产带来重大的安全隐患。据不完全统计，21世纪以来矿山突泥事件，平均每年都在30次以上，且在国内程潮铁矿、大冶铁矿、梅山铁矿等均发生过不同程度的突泥地质灾害。

1 井下突泥发生的原因

通过国内外井下突泥案例分析，发现井下突泥的发生存在三个必备条件：井下突泥固体物质来源、采矿活动地质因素、水源条件。

①井下突泥固体物质来源：矿山地表一般广泛堆积第四系松散物质，地表冰碛层。上部包含粒度较细的粘土、亚粘土、亚砂土等，下部主要含粗砂夹砾石层及风化碎屑、不规则层积块体，还有采空区上覆岩层中大量破碎、松散的岩石碎屑、矿体下放过程碾磨的矿粉。②采矿活动及地质因素：矿体顶板上覆岩层常常有大量的断层、节理裂隙、岩溶存在，为水及流态物质的流通提供了通道。随着矿体矿石的采出和采场范围的扩大，矿体上部岩体应力松动范围可以达到地表，致使上覆岩体不断松散、坍塌、破碎。特别是地下矿山采用自然崩落法开采时将会使地表和采空区贯通，在地表形成许多形状不规则塌陷坑，使得大气降水及地表松散物质可以到达采矿水平的巷道或者储存在采空区中，为井下突泥的形成提供了必要的通道及物质来源。③水源条件：突泥的发生与大气降雨量的关系密切。水既是突泥的重要组成成分，又是突泥激发的重要条件和搬运介质。

2 工程案例分析及应用

普朗铜矿采用自然崩落法开采，其工作原理是借助岩体自重应力为主要荷载进行岩体崩落，当应力值超过节理岩体的抗拉、抗剪强度时，矿岩体逐渐破坏开始崩落，同时通过出矿口以适当的速度将矿石运出，为持续崩落提供空间，且在矿石回采过程中，由于断层交错复杂，势必造成断层对应地表和井下破碎位置的移动、错断、塌陷及断层活化等。为井下突泥的产生提供的物资来源、通道及动力。

2.1 突泥的由来

普朗铜矿于2017年3月16日开始采矿，目前矿山已崩通地表，地表塌陷面积140528㎡，地表塌陷面积与拉底面积比率145%（正常小于100%），说明矿岩自然崩落受断层加速影响作用较大，给井下突泥防患带来了更大的困难。断层对崩落和放矿影响，使之很快崩通地表并形成地表塌陷坑，雨季雨水通过地表径流及地下水补充汇聚至陷坑内，且由于陷坑以上地表冰渍物较厚（最厚82m），局部边坡陡峭，边坡冰渍物不断向陷坑内滑落，对塌陷坑内泥浆固体物质进行补充，泥水积聚后产生一定的压力，由于出矿及爆破的频繁扰动，为泥浆的泄压提供了通道，最后通过陷坑内扰动通道进入井下。

2.2 突泥情况介绍

矿山自2019年7月25日至10月11日，共发生6次井下突泥事件，具体如下：7月25日，突泥量1300m3,影响范围300m，含大量夹石；8月1日，突泥量2500m3,影响范围400m，较稀，流动迅速，伴有水生，蔓延三条巷道；8月18日，突泥量500m3,影响范围100m，含大量夹石；8月20日，突泥量120m3,影响范围20m，较稠，流动缓慢；9月9日，突泥量800m3,影响范围200m，较稀，流动迅速；10月11日，突泥量300m3,影响范围300m，含大量地表杂物。

2.3 产生突泥的主要原因

从矿山井下突泥形成条件看，主要有地表地形、细颗粒物质、水源三个主要条件。且因物质条件充分后，泥浆在井下高速流动需要一定的高度（即势能）条件，以下就三个方面对普朗铜矿突泥形成条件开展分析：

地表地形：普朗铜矿矿体上部地表总体为北高南低、西高东低展布，矿区开采范围有南北走向的三号大沟和美人谷两个汇水区，以及两者之间的山坡；设计拉底按照井下矿体均衡布置、中间开刀的原则，致使三号大沟底部先于山梁塌陷引起山坡向塌陷区山体滑移。塌陷区北部、西部、东部均为山坡，塌陷坑地势低，西部陷坑边坡较陡，地表冰渍物不断滑移到陷坑底部，且降雨后三面的山坡降水都有往塌陷区汇集的风险，而塌陷区内部大量雨水随着地势汇入坑内是突泥的主要来源。

固体物质条件：普朗铜矿形成突泥的主要固体物质来源有三个。

①地表表土和冰渍物，厚度由北向南逐渐增加，最厚81.59m，最薄1.5m，地表陷坑位置表土及冰渍物厚度约60m。②塌陷坑西部边坡较陡，随着井下出矿引发矿岩移动，边坡表土不断向陷坑中心滑落，为突泥提供组成物质。矿区存在5条断层，且均近乎陡立，随着后续生产的开展，由于断层、节理等地质构造的存在，形成地表陷坑至井下的矿石通道。③首采区南部多为断层交汇区域，断层及其附近岩体整体破碎，且断层物质多为风化严重的断层泥，遇水成泥、软化膨胀，为已崩落的断层提供了突泥物源。

水源条件：目前矿山大范围崩通地表，地表塌陷区面积已经超过14万㎡，大范围陷坑的存在势必会打乱地表径流条件，矿山11月到来年4月为旱季，6到9月份为雨季。根据雨季现场监测，4个月降水量平均为661.7mm，按照目前14万㎡的塌陷面积计算，仅塌陷区内部进水量80万m³。

2.4 突泥通道

矿山首采区存在5条断层，对矿体切割剧烈，特别是断层交汇地带矿岩非常破碎，可崩性好，随着放矿工作的开展，该区域最先崩通地表，形成通道。结合现场多个放矿口放出冰碛物，断层交汇处出现了多条通道，这些通道的存在，无疑是井下突泥管控的重点。突泥从地表到井下的第二个通道是拉底边部还未崩通至地表的区域，该区域内受拉底形状的夹制，崩落高度不大、矿石垫层较薄，突泥从天窗通道进入该区域，下部放矿时导通地表，2019年8月1日的突泥即为该类通道引出。

3 采取的主要措施及效果分析

突泥防控主要分为地表防治水及井下防突泥两部分。

3.1 地表防治水管控措施

①对地表截洪沟及临时截水沟进行检查，对截洪沟漏水区域进行修补，防止溢入塌陷坑。②矿山北部地势高且汇水面积很大，首采区塌陷范围地势低，因此洪水极易进入陷坑，施工部分临时排洪沟工程采用反坡的方式将水引入截洪坝；③对于临时截水沟底部进行夯实，减少水沟渗透能力，保证尽可能多的地表截流水通过截水沟汇总到临时水坝，通过排洪管道输送至下部河流。

3.2 物源及通道管控措施

矿山受断层对崩落和放矿影响，首先在南部崩通地表并形成地表塌陷坑，地表陷坑整体南部低于北部，因此陷坑北部的水全部流到南部陷坑并形成汇集，南部陷坑以上地表冰渍物较厚，且陷坑以上西部边坡较陡，边坡冰渍物不断向陷坑滑落，对陷坑泥浆固体物质进行补充。针对此种情况应采取的措施：减少塌陷坑底部出矿工作，加大塌陷坑两侧的拉底爆破及出矿速度以减小山坡坡面，减缓地表土的混入速度。

3.3 井下防突泥管控措施

①在雨季来临前，根据地表塌陷坑的扫描图，统计塌陷坑坑底小坑的位置，结合附近断层影响，对出矿口进行三级划分，即Ⅰ级（核心区），Ⅱ级（过渡区），Ⅲ级（边缘区），进行分级管控。②根据地表冰渍物的厚度，从物质来源考虑，南部较厚、北部较薄，放矿管理重点放在南部。③加大井下出矿口巡检力度一旦发现出矿口渗水严重，及时安排专人进行跟踪出矿，调整出矿频率，使矿体中槽腔水能够缓慢的渗流。④加强出矿计划执行及管理力度，保证出矿作业持续、稳定、均匀，杜绝局个别部位连续大量出矿或者不出矿的现象发生，对于中低位卡斗位置当天内必须处理完成，并达到出矿条件；高位卡斗位置实行松动震炮、水压冲洗、竹竿支撑炸药包爆破的形式等进行处理15天内必须达到出矿条件，防止由于长时间内不出矿造成聚矿槽上部位置矿岩压实出现封闭的空区为积水提供空间。⑤调整拉底战略，结合矿山崩落规律、崩落速度和断层构造，优化拉底方案，加大西侧拉底和出矿工作，消缓峰脊沟壑现象，调整陷坑西部边坡角角度，阻断边坡向陷坑补充冰碛物，确保形成“平底锅”的塌陷区，减少积水坑的存在，减少泥浆的集中度，降低突泥事故产生的几率。

4 结论

①井下集中连续开采活动是引起突泥发生的重要因素，也是突泥发生的重要区域。出矿能力的高低、出矿的频率、出矿均衡性直接影响着井下突泥的发生。②单一位置出矿能力超高而其相邻位置出能力较低或者长期无法完成出矿计划，则其上覆松散崩落矿石沉降速度较快，放矿偏心率较大，出矿口放矿漏斗边缘不交叉，应力直接作用于矿柱，矿柱应力集中而发生破坏，且放矿口部上覆矿石松散孔隙率较大甚至出现空区，为突泥形成通道，同时由于崩落及出矿速度较大，导致提前崩通地表，地表冰碛物顺着局部崩通位置直接从地表顺流至出矿口为突泥的发展提供了充足的物质来源。③采矿过程中必须严格控制出矿进度，保证出矿均匀平衡，使地表覆盖层均匀、稳定、规律的向下沉降。对于未崩通地表矿体位置，计划、控制出矿矿量保证待崩矿岩及存窿面高差不超过5m，在确保安全缓冲高度的基础上同时也满足正常开采要求，最大程度控制井下突泥的形成通道及诱发动力。