金属矿地下开采地表沉陷与防护

张佰通，迟发民，侯荣瀚，柏 杨，刘 也

1 金属矿山开采的进本情况分析

金属矿山的开采工作主要是将矿产资源从地表下开采出来的一个过程，其中完成整个开采工作的流程主要分为三个部分：采准、切割、回采。其中采矿的方法主要分为两种，第一种是地上开采，第二种是地下开采。从近几年开始采矿业的发展，无论是开采的技术还是开采的工具，都有明显的升级改造，从最早开始的手工作业转变为现在大规模的机械开采，完全实现开采工作的自动化模式。随着我国开采技术的不断发展，现如今我国开采业最先进的开采技术是地下连续开采，地下连续开采技术的实施主要是由两个方面来进行的，其中实施方式的不同，主要是依据于矿体的软硬程度来选择的：当矿体的硬度较小时，每个开采工序的施工都是连续平缓的进行；当硬度较大时，开采的施工路段就会被划分为不同的阶段，但是不同的段落的施工工序仍然是连续并且平缓进行，所以为了方便能够更好的沟通交流，各个的工序在进行开采时，要相互配合，相互沟通，以便于工作顺利的完成。

2 金属矿地下开采的复杂程度的分析

2.1 环境的复杂性

因为金属矿的开采是在地下所完成的，整个的开采过程是在半封闭的环境中进行的，工作面和巷面距离地面有一定深度，同时空间内狭小环境非常的恶劣。因为金属矿储存环境十分的复杂，同时地质的结构稳定性十分的弱，所以说金属矿的地下开采会导致顶板出现一定程度上的移动，地下可能出现水源的流入，选矿场突遇极端天气的影响等等，一系列都会对地下开采的安全进行造成一定的威胁。在进行相应工程开展之前需要对于地质本身进行考察，相应的技术人员对于外界的环境数据进行更加精确的分析和掌握，能够减少外界环境对于后续开采工作造成的不必要的负面影响。

2.2 生产的复杂性

金属矿地下开采整个过程是一个连续的系统，并不是单独依靠开采机器就能够完成整个开采工作，整个生产的系统包括供电、供水、排水、通讯、运输、挖掘等等一系列的环节组成。在生产过程中会呈现出横向以及纵向的交叉进行。因为地下开采会有很多不确定的因素发生，这就会导致开采生产的安全问题难以防治，所以工作人员在进行金属矿地下开采工作时，如果不关注到安全问题，在很大程度上会造成人员的伤亡。所以开采人员在进行开采作业时要正确的采取安全措施，避免出现意外。

2.3 应急救援和事故处理的复杂性

因为在进行金属矿地下开采一般都会远离城镇，在人烟稀少的地方进行的，因为与城镇有一定的距离，交通公路存在不便，如果出现了事故，医疗人员到很难及时到场救助，可能会错过最佳抢救的时间，因为抢救的不及时会造成更大的损失。在开采工作开展环节加强对于应急救护工作的开展以及准备工作，能够在外界的环境发生变化或者是相应的工作人员发生操作失误时候进行及时的止损，减少人员伤亡现象的出现。在进行应急救援措施的制定过程之中应该加强对于相应救援应急设备的引入，设备自身的运行能力会影响到后续的应急工作开展的质量以及开展的效率性，加强对于地下情况的监控并且对于地质结构的进一步分析能够减少发生应急事故的处理风险，提升工程开展的安全性。相应工作人员的自身安全意识也是影响在事故处理环节处理质量的关键因素，在如今的很多工程开展环节工作人员自身的安全意识淡薄，导致意外发生时候不能够进行及时的应对，加强模拟应急演习是有效的措施之一。

3 金属矿地下开采的地表沉陷形成的规律

因为在进行的地下开采的工作造成的地表沉陷问题是十分复杂的有关力学方面的知识的，采空区正上方的岩体因为移动导致力的平衡点被破坏，会致使顶板的岩层出现相对的位移、沉陷，使地面上的大量物体被破坏。因此，在开采中，地表沉陷的发生的规律有以下几个特点。

3.1 岩体内部的移动导致形成下沉盆地

在开采矿产资源时，会导致岩体的内部出现采空区，在这时，顶板的岩层下部的岩层导致应力的不平衡，因为平衡被破坏，导致顶板岩层会被各个地方进行拉扯，在处于受拉的过程中，就会导致出现不同程度的移动、塌陷以及弯曲。如果这个变化能够被岩体所承受，则弯曲程度会出现连续的、规律的缓慢弯曲。若弯曲程度越来越大，导致拉力一旦超出了岩体最高的承受范围，就会致使出现岩体断裂、分层，让开采区域的岩体进行再次分布。若不控制开采的程度，开采的程度过大，不仅会使岩层的移动范围越来越大并且会逐渐的延续到地表，还会导致下沉盆地的出现。

如果开采的范围的扩大，导致采空区的面积也不断地扩大，地表同时也会出现移动和变形，其中移动有两种，第一种为水平方位的移动，第二种为垂直方位的移动。在出现垂直方位的移动时，当挖掘的矿产资源数量越来越多时，位移量也会连续的变大，当变大到一定的程度时，会出现最大的下沉数值，数值出现的方位大多数是在采空区域的上方左右，一般会偏向下山的方位。在出现水平方位的移动时，水平移动数值的变化是从零值向上增大的，在采空区上方，其中出现的水平位移的数值是最小的，在两边的边缘点出现的数值往往是最大的，但因矿体倾斜的角度越来越大，在下山的方位，会导致水平位移值不断的变小，相反在上山的方位数值就会变得愈来愈大。

3.2 移动角和移动的范围

由于开采的不确定性，采矿出的数量以及开采段的不同，使得移动角的范围也会不同。其中移动角的含义是指主断面上的边界点的连线以及在采空区水平面的连线之间的夹角。在进行开采工作前，大多都会先对岩层的移动角的大小做出判定，判定时一般会用公式以及类比法进行测量，然后再确定出移动角移动的范围。

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3.3 影响地表沉陷的因素

因为地下开采的复杂性，地表沉陷的原因与地质以及人为都存在很大关联。这些因素中包括了岩体的性质、矿体质量的好坏、开采程度的大小等。但是影响的因素不仅仅有以上的方面，同时还可能会与地理位置的特殊性，建造的特征等有关联。首先是关于在采空区的影响，比如在开采时并没有进行精确的计算，导致采空区的构造出现不科学，上下的方位出现重叠，靠近上方的采空区会与地表之间的距离小，导致采空区的宽度和高度过度大，顶板的厚度不能达到标准的要求；矿体在地下埋藏的深度不大，当上面覆盖的岩层被破坏之后，落下的岩体不能够让采空区得到有效的填满；上下两采空区相连，会出现很大范围的采空区，导致整体的不稳定，又存在很大程度的安全问题。再者就是地质构造的因素，像桃花山的铁矿主要是在铁门坎左右的破碎带之内，其中有大量的碎岩石，因为受北西方向的破碎带的影响，矿体会和破碎带的走势一样，在挖掘时，破碎带很轻易的掉落，如果再碰到水后会导致出现泥化，会弱化顶板的硬度。在所有的塌陷因素的研究过程之中，地质因素是最关键的因素之一，对于破碎带的区域进行相应的地质研究和勘测环节要加强支护工艺的应用，防止在后续的开采环节发生较大面积的塌陷现象。

4 金属矿开采中的地表沉陷的预测和检测

4.1 开采时的沉陷检测

大家都知道在进行金属矿地下开采时会对地表会有很大的危害，导致地表出现沉降的现象，但是在大多数情况下利用力学的分析很难得到精确的结果，使用的公式法以及类比法同样不能十分全面的检测。但是随着科学技术的进步，出现了更多测量地表沉陷的方法，为我们解决了十分严峻的问题。比如，像GPS、GIS 等“3S”技术，可以精确地测量塌陷高度和范围。

4.2 计算机数值的模拟

在矿体被开采后的情况下，能够利用力学定理，结合着矿体本身所带有的实际问题，利用计算机数值来进行模拟，针对挖掘过程中出现的情况进行模拟，可以将一些在不同的开采的深度、范围等的移动的模型。但其实数值的模拟技术对一些最基本的参数的要求十分的高，所以一定要保证参数的正确性。

4.3 现代的检测技术

现代用到的最常用的检测技术就是GPS、GIS 等技术，同时再结合其他的技术对矿山沉降数据进行监管，从而能够得到更加精准的沉降距离。现阶段中利用最为常见的就是GPS、GIS，将二者有效的结合就能够为沉陷的范围有一个更好的检测。

5 地表沉陷的防治措施

为了保证在后续的工作开展环节防止或者是减少出现沉陷现象的出现，加强对于勘测以及支护工作的开展都是四划分关键的。根据采矿区地表沉陷的范围、特点等方面来考虑，依据上面的现象可以提出几种防护的手段。

（1）在已经出现地表坍塌的地方，要设置警示牌，禁止出现在坍塌区域，并且在坍塌地及时的进行填补，避免出现更多的意外。及时的修筑排水道，防止因大量的降水导致地表再一次坍塌，设立专门的检查安全机构，着重的关注矿坑内的存水量以及掉落的碎石。再次进行开采时要精准的参考结构参数，留存适合距离的矿柱。对一些表面仍然不平稳的矿段要利用手段进行加固，增强其稳定性。

（2）在进行回采时不要盲目的进行，要按照合适的设计标准来进行回采，一定要科学合理的利用资源，杜绝浪费现象的发生。当下部的矿体进行挖掘时，采空区严禁出现在坍塌体的下方处，假如坍塌体的下面仍然还存在有矿体，那么在开采之后要对采空区进行严格的回填。在老旧坍塌区留存的矿体或者是矿柱不能再次的进行开采利用，若想再次开采就必须要有严格的设计方案。

（3）在填充采空区时一定要将其填充完整，使采空区能够有足够大的支撑力来减少采空区上面覆盖岩层下沉量。在采空区的通道内要修建一些厚度较大的封堵墙，用来进行支撑，防止周围的岩体出现严重的坍塌现象。除了上面所说的之外仍然能够使用岩体声发射监测的方法来进行采空区的监管。

（4）在矿区留保安矿柱，通常保安矿柱的大小是依据，保护角的大小相确定的。其中保护角的大小与移动角相当。在矿区留下保安矿柱能够有效的对井口的建筑以及设施、公路、铁路等等进行有效的保护，能够减少一定程度的地表塌陷。

（5）在对采矿区进行填充时应该采用充填采矿法。其中可以用来作为充填的材料，有砂、石头以及水泥的等。其中砂石既可以单独的进行使用，也可以与其他材料进行结合使用。为了防止采空区的坍塌，要将采空区进行有效的充填，以便于防止对地表进行更深程度的破坏。

（6）严禁在崩落带内使用该土地，并要在周围铺设栏杆以及禁止入内等标识。在崩落带使用土地完成强制开采工作会使得地质结构下方的应力结构在短期之内发生较大程度的变化，相应的支护以及计算工作的开展环节会受到较大程度的影响，相应的技术人员在进行地质勘测的环节对于崩落带进行及时的标识能够减少后续的施工失误以及施工意外的发生。

（7）如果开采的深度达到相关部门的标准时，并且允许在铺设有铁路的下面进行矿石的开采，为了确保铁路运输的安全性问题，避免发生安全事故，所以要对该路线进行严格的监管，在该路线定期安排工作人员来进行维修，并且设立观察点出现问题及时的报告。

（8）因为地下有大量的水体，因此在开采的过程中，要注意避免水体受到污染。为了能够保证井下工作人员的安全以及水源的质量，必须要严格的监管地表塌陷问题，并且采取相应的预防措施，在开采前要做出详细的关于水文以及地质的调查报告，确定开采前的安全以及对水体进行有效的保护。同时，工作人员要不断加强对井下的水文情况的监测，并要设置防水的闸门。

（9）对于已经建在采矿区内的建筑要采取措施对其进行加固。避免因开采工作的进行导致地表位移出现建筑物的坍塌情况，进一步的对地表造成损失。地表沉陷区的复垦工作。在开采工作已经顺利完成时，要对地表的沉陷区进行复垦工作，恢复地表的自然能力。对于已经完成开采的区域进行加固工作往往需要相应的支护工艺以及支护技术的应用，对于已经完成开采工作的区域进行修复和加固工作是所有的开采单位应该尽到的责任，加强对于自然环境的保护工作避免由于开采工作的开展造成较大程度的环境破坏现象。对于已经完成加固和修复的区域有必要开展相应的测试工作，对于其自身的应力分布的分析也十分关键。

（10）对于已经完成开采工作的区域进行相应的表示标识，防止相应的开采工作者对于已经完成开采的区域进行二次的开采工作，造成不必要的地质坍塌造成财产损失和人员伤亡。已经完成开采的过程内部的结构已经发生较大程度的变化，并且地下的结构一般会变得更加的不稳定，在后续的勘测以及修复过程之中也要加强支护技术的研究，当外界的环境发生较大程度的变化时候，发生自然坍塌现象对于周围的居民也会造成不必要的威胁。

6 总结

因为人口的不断增加，金属矿地下开采的程度也不断的扩大，对自然会造成很大程度上的破坏，为了能够进一步降低因开采工作所造成的地表塌陷问题，主要通过数值模拟以及监管技术来进行防治。数值模拟的技术对地表沉降的预测有着指导性意义，但是理论知识并不能够完全的解决掉地表塌陷问题，仍然要去联系现实，要将理论知识有效的运用到实践工作中，不断地进行创新，从而帮助我们科学合理的去解决地表塌陷问题，有效的改善地表环境。