自然崩落法礦山采場突泥管控研究與應用

黃華桃，羅根平，王 歡，曾憲濤，何 翔

（金誠信礦業管理股份有限公司，云南 昆明 650500）

普朗銅礦采用自然崩落法采礦，生產規模1250萬t/a，是目前國內最大的地下開采礦山。礦山位于迪慶州三江并流保護區，為減少采礦對生態環境的影響，設計中根據項目環評報告取消了露天與地下聯合開采方案中的露天部分，確定采用全地下開采[1]。但自然崩落法因其工藝固有的特點，在回采過程中勢必造成地表的滑移、錯動和塌陷，同時，因礦體上部為厚層冰磧物，隨著拉底范圍不斷擴大、地表塌陷區范圍逐漸增加，進入汛期，礦區持續降雨，地表冰磧物泥化后，必然導致井下突泥，給礦山安全生產帶來重大的安全隱患。據不完全統計，21世紀以來礦山突泥事件，平均每年都在30次以上，且在國內程潮鐵礦、大冶鐵礦、梅山鐵礦等均發生過不同程度的突泥地質災害。

1 井下突泥發生的原因

通過國內外井下突泥案例分析，發現井下突泥的發生存在三個必備條件：井下突泥固體物質來源、采礦活動地質因素、水源條件。

①井下突泥固體物質來源：礦山地表一般廣泛堆積第四系松散物質，地表冰磧層。上部包含粒度較細的粘土、亞粘土、亞砂土等，下部主要含粗砂夾礫石層及風化碎屑、不規則層積塊體，還有采空區上覆巖層中大量破碎、松散的巖石碎屑、礦體下放過程碾磨的礦粉。②采礦活動及地質因素：礦體頂板上覆巖層常常有大量的斷層、節理裂隙、巖溶存在，為水及流態物質的流通提供了通道。隨著礦體礦石的采出和采場范圍的擴大，礦體上部巖體應力松動范圍可以達到地表，致使上覆巖體不斷松散、坍塌、破碎。特別是地下礦山采用自然崩落法開采時將會使地表和采空區貫通，在地表形成許多形狀不規則塌陷坑，使得大氣降水及地表松散物質可以到達采礦水平的巷道或者儲存在采空區中，為井下突泥的形成提供了必要的通道及物質來源。③水源條件：突泥的發生與大氣降雨量的關系密切。水既是突泥的重要組成成分，又是突泥激發的重要條件和搬運介質。

2 工程案例分析及應用

普朗銅礦采用自然崩落法開采，其工作原理是借助巖體自重應力為主要荷載進行巖體崩落，當應力值超過節理巖體的抗拉、抗剪強度時，礦巖體逐漸破壞開始崩落，同時通過出礦口以適當的速度將礦石運出，為持續崩落提供空間，且在礦石回采過程中，由于斷層交錯復雜，勢必造成斷層對應地表和井下破碎位置的移動、錯斷、塌陷及斷層活化等。為井下突泥的產生提供的物資來源、通道及動力。

2.1 突泥的由來

普朗銅礦于2017年3月16日開始采礦，目前礦山已崩通地表，地表塌陷面積140528㎡，地表塌陷面積與拉底面積比率145%（正常小于100%），說明礦巖自然崩落受斷層加速影響作用較大，給井下突泥防患帶來了更大的困難。斷層對崩落和放礦影響，使之很快崩通地表并形成地表塌陷坑，雨季雨水通過地表徑流及地下水補充匯聚至陷坑內，且由于陷坑以上地表冰漬物較厚（最厚82m），局部邊坡陡峭，邊坡冰漬物不斷向陷坑內滑落，對塌陷坑內泥漿固體物質進行補充，泥水積聚后產生一定的壓力，由于出礦及爆破的頻繁擾動，為泥漿的泄壓提供了通道，最后通過陷坑內擾動通道進入井下。

2.2 突泥情況介紹

礦山自2019年7月25日至10月11日，共發生6次井下突泥事件，具體如下：7月25日，突泥量1300m3,影響范圍300m，含大量夾石；8月1日，突泥量2500m3,影響范圍400m，較稀，流動迅速，伴有水生，蔓延三條巷道；8月18日，突泥量500m3,影響范圍100m，含大量夾石；8月20日，突泥量120m3,影響范圍20m，較稠，流動緩慢；9月9日，突泥量800m3,影響范圍200m，較稀，流動迅速；10月11日，突泥量300m3,影響范圍300m，含大量地表雜物。

2.3 產生突泥的主要原因

從礦山井下突泥形成條件看，主要有地表地形、細顆粒物質、水源三個主要條件。且因物質條件充分后，泥漿在井下高速流動需要一定的高度（即勢能）條件，以下就三個方面對普朗銅礦突泥形成條件開展分析：

地表地形：普朗銅礦礦體上部地表總體為北高南低、西高東低展布，礦區開采范圍有南北走向的三號大溝和美人谷兩個匯水區，以及兩者之間的山坡；設計拉底按照井下礦體均衡布置、中間開刀的原則，致使三號大溝底部先于山梁塌陷引起山坡向塌陷區山體滑移。塌陷區北部、西部、東部均為山坡，塌陷坑地勢低，西部陷坑邊坡較陡，地表冰漬物不斷滑移到陷坑底部，且降雨后三面的山坡降水都有往塌陷區匯集的風險，而塌陷區內部大量雨水隨著地勢匯入坑內是突泥的主要來源。

固體物質條件：普朗銅礦形成突泥的主要固體物質來源有三個。

①地表表土和冰漬物，厚度由北向南逐漸增加，最厚81.59m，最薄1.5m，地表陷坑位置表土及冰漬物厚度約60m。②塌陷坑西部邊坡較陡，隨著井下出礦引發礦巖移動，邊坡表土不斷向陷坑中心滑落，為突泥提供組成物質。礦區存在5條斷層，且均近乎陡立，隨著后續生產的開展，由于斷層、節理等地質構造的存在，形成地表陷坑至井下的礦石通道。③首采區南部多為斷層交匯區域，斷層及其附近巖體整體破碎，且斷層物質多為風化嚴重的斷層泥，遇水成泥、軟化膨脹，為已崩落的斷層提供了突泥物源。

水源條件：目前礦山大范圍崩通地表，地表塌陷區面積已經超過14萬㎡，大范圍陷坑的存在勢必會打亂地表徑流條件，礦山11月到來年4月為旱季，6到9月份為雨季。根據雨季現場監測，4個月降水量平均為661.7mm，按照目前14萬㎡的塌陷面積計算，僅塌陷區內部進水量80萬m3。

2.4 突泥通道

礦山首采區存在5條斷層，對礦體切割劇烈，特別是斷層交匯地帶礦巖非常破碎，可崩性好，隨著放礦工作的開展，該區域最先崩通地表，形成通道。結合現場多個放礦口放出冰磧物，斷層交匯處出現了多條通道，這些通道的存在，無疑是井下突泥管控的重點。突泥從地表到井下的第二個通道是拉底邊部還未崩通至地表的區域，該區域內受拉底形狀的夾制，崩落高度不大、礦石墊層較薄，突泥從天窗通道進入該區域，下部放礦時導通地表，2019年8月1日的突泥即為該類通道引出。

3 采取的主要措施及效果分析

突泥防控主要分為地表防治水及井下防突泥兩部分。

3.1 地表防治水管控措施

①對地表截洪溝及臨時截水溝進行檢查，對截洪溝漏水區域進行修補，防止溢入塌陷坑。②礦山北部地勢高且匯水面積很大，首采區塌陷范圍地勢低，因此洪水極易進入陷坑，施工部分臨時排洪溝工程采用反坡的方式將水引入截洪壩；③對于臨時截水溝底部進行夯實，減少水溝滲透能力，保證盡可能多的地表截流水通過截水溝匯總到臨時水壩，通過排洪管道輸送至下部河流。

3.2 物源及通道管控措施

礦山受斷層對崩落和放礦影響，首先在南部崩通地表并形成地表塌陷坑，地表陷坑整體南部低于北部，因此陷坑北部的水全部流到南部陷坑并形成匯集，南部陷坑以上地表冰漬物較厚，且陷坑以上西部邊坡較陡，邊坡冰漬物不斷向陷坑滑落，對陷坑泥漿固體物質進行補充。針對此種情況應采取的措施：減少塌陷坑底部出礦工作，加大塌陷坑兩側的拉底爆破及出礦速度以減小山坡坡面，減緩地表土的混入速度。

3.3 井下防突泥管控措施

①在雨季來臨前，根據地表塌陷坑的掃描圖，統計塌陷坑坑底小坑的位置，結合附近斷層影響，對出礦口進行三級劃分，即Ⅰ級（核心區），Ⅱ級（過渡區），Ⅲ級（邊緣區），進行分級管控。②根據地表冰漬物的厚度，從物質來源考慮，南部較厚、北部較薄，放礦管理重點放在南部。③加大井下出礦口巡檢力度一旦發現出礦口滲水嚴重，及時安排專人進行跟蹤出礦，調整出礦頻率，使礦體中槽腔水能夠緩慢的滲流。④加強出礦計劃執行及管理力度，保證出礦作業持續、穩定、均勻，杜絕局個別部位連續大量出礦或者不出礦的現象發生，對于中低位卡斗位置當天內必須處理完成，并達到出礦條件；高位卡斗位置實行松動震炮、水壓沖洗、竹竿支撐炸藥包爆破的形式等進行處理15天內必須達到出礦條件，防止由于長時間內不出礦造成聚礦槽上部位置礦巖壓實出現封閉的空區為積水提供空間。⑤調整拉底戰略，結合礦山崩落規律、崩落速度和斷層構造，優化拉底方案，加大西側拉底和出礦工作，消緩峰脊溝壑現象，調整陷坑西部邊坡角角度，阻斷邊坡向陷坑補充冰磧物，確保形成“平底鍋”的塌陷區，減少積水坑的存在，減少泥漿的集中度，降低突泥事故產生的幾率。

4 結論

①井下集中連續開采活動是引起突泥發生的重要因素，也是突泥發生的重要區域。出礦能力的高低、出礦的頻率、出礦均衡性直接影響著井下突泥的發生。②單一位置出礦能力超高而其相鄰位置出能力較低或者長期無法完成出礦計劃，則其上覆松散崩落礦石沉降速度較快，放礦偏心率較大，出礦口放礦漏斗邊緣不交叉，應力直接作用于礦柱，礦柱應力集中而發生破壞，且放礦口部上覆礦石松散孔隙率較大甚至出現空區，為突泥形成通道，同時由于崩落及出礦速度較大，導致提前崩通地表，地表冰磧物順著局部崩通位置直接從地表順流至出礦口為突泥的發展提供了充足的物質來源。③采礦過程中必須嚴格控制出礦進度，保證出礦均勻平衡，使地表覆蓋層均勻、穩定、規律的向下沉降。對于未崩通地表礦體位置，計劃、控制出礦礦量保證待崩礦巖及存窿面高差不超過5m，在確保安全緩沖高度的基礎上同時也滿足正常開采要求，最大程度控制井下突泥的形成通道及誘發動力。