金屬礦地下開采地表沉陷預測及監測安全技術探討

王海衛

（山東黃金礦業股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261438）

現代人們對金屬礦產資源需求量不斷增多，為了滿足人們應用需求，金屬礦地下開采范圍不斷擴大，而在金屬礦開采過程中，這將會導致巖體原始應力平衡被打破，從而使巖層與地表發生移動。開采沉陷是在地表移動下，金屬礦開采會引起沉陷盆地、塌陷和裂縫問題，這會導致沉陷區內的公路、建筑物等都遭受到不同程度沖擊，情況嚴重，會導致地下水和地表水造成嚴重危害，不僅會造成巨大經濟損失，而且會造成人員傷亡。

1 金屬礦開采地表沉陷規律

金屬礦地下開采引起的地表沉降問題，從本質上來說是一個復雜力學過程，在采空區內上巖體受開采影響將會發生擾動問題，這將會導致開采區內應力平衡被打破，進而導致金屬礦開采區頂板巖層發生一定，而且地表也會發生沉降問題，地面工程建設會遭受到不同程度危害[1]。金屬礦開采規律特征主要體現在以下幾個方面：

1.1 巖體內部移動產生下沉盆地

當地下金屬礦部分礦體被開采出來之后，在巖體內部將會形成大面積采空區，此時，將會導致頂板巖層下部空間應力會被重新分配，這也就會導致原平衡被打破，從而使頂板巖層將會處于受力狀態，形成彎曲和移動。如果在金屬礦地下開采時，如果發生的應變能夠承受的承載范圍內，此時，則能夠保持平穩彎曲和連續規律[2]。從實際分析情況來看，彎曲越大，撓度也就會越大，若產生的拉應力過大，其超過巖層能夠承受的極限值，勢必會引起的破碎、斷裂、冒落等各種問題，上述問題的出現，會使上部巖層發生離層、斷裂等問題，這會使采區圍巖內重新分布。如果在金屬礦地下開采時，若整體開采范圍足夠大，當巖層移動快速發展到地表后，會在開采區域內形成下沉盆地[3]。

1.2 地表發生移動與變形

金屬礦地下開采的進行，會導致地下采空區面積不斷擴大，地表將會發生移動，而且還會發生嚴重變形，主要位移體現在垂直和水平方向。在地下金屬礦開采時，開挖礦產會不斷增多，位移量會隨著時間推移而不斷變大，達到一定規模之后，將會處于最大沉降值[4]。通常來說，最大沉降值則位于采空區上附近，而且會偏向下山方向，同時，地表移動曲線則呈現出不對稱拱形。在水平方向上，水平移動至會從零點不斷極大，采空區上方水平位移值最小，而在采空區兩側邊緣點處，水平位移值則最大[5]。在金屬礦地下開采進行時，礦體傾斜角不但加大會導致指向山方向水平移動至不斷減小，而上山方向則會不斷加大。

1.3 移動角與移動范圍

在金屬礦地下開采時，受多項因素影響，開采中段會有所不同，而且的采礦數目也會不斷增多，這也會導致移動角會呈現處不同狀態。所謂移動角指的就是主斷面上臨界變形點與采空區邊界水平線間外側夾角。在開采金屬礦時，應對先通過工程類比法和經驗公式法對巖層移動角大小進行確定，在對移動角度大小、位置確定之后，劃出移動范圍。

2 影響地表沉陷的主要因素

地表沉陷是一項復雜過程，地表沉陷會受到人為因素、地質因素影響，其中重要的影響因素有巖層性、開采強度、礦體質量等多項因素。除了上述各項問題之外，部分金屬礦所在位置較為特殊，構造也具有獨特特點。具體影響因素如下。

2.1 采空區因素

部分金屬礦采空區結構參數不合理，上下位置都會出現重疊情況，上部采空區與地面距離較近，這一問題會導致采空區跨度，以及采高過大，而且頂板厚度無法達到相應要求標準。如果礦體埋藏深度相對較淺，當上層覆巖遭受到破壞之后，下落巖體難以完成對采空區內范圍完全填充[6]。此外，上下采空區開連通，這將會出現大規模采空區，將會導致開采區域內整體穩定性差，存在安全隱患，容易引發事故。

2.2 地質構造因素

地質構造會對礦區地理特征造成直接影響。例如，某處于鐵礦的破碎帶內巖石較為破損，碳酸鹽化，整個礦體受北西向構造破碎帶控制，礦體走向與破碎帶基本一致。礦體開采中，開挖破碎帶之后，容易發生脫落問題，一旦遇到水后，將會發生泥化，這將會降低采空區頂板強度[7]。對礦體整體情況進行分析，礦體向內傾斜，這也就導致巖體力學和強度明顯降低，一些金屬礦區內降水也會對礦區礦區內地面沉陷造成一定影響，塌陷體在與水相遇后，無論是抗壓強度，還是凝聚力都會明顯降低，同時，水自身也會使覆巖層壓力加大。

3 預測與監測金屬礦地下開采引起的地表沉陷

3.1 預測地表沉陷

在金屬礦地下開采前，作業人員要先對礦區內情況進行分析，掌握礦區具體情況，對開采進行模擬，對地表沉陷問題進行預測，從而為后續金屬礦開采作業開展造成不良影響，避免發生事故，造成巨大經濟損失，以及人員傷亡。

從大量金屬礦地下開采情況來看，在實際開采期間，經常會導致地面發生沉陷問題，在很對情況下，通過力學分析無法獲取到精準結果，而通過對傳統經驗公式和工程類比發進行分析，難以獲取到與實際情況相符的預測結果。近幾年，計算機技術得到了飛速發展，其在許多行業都得到了廣泛應用，特別是在金屬礦地下開采中應用，為金屬礦地下開采引起的沉降現象進行精準預測提供了一條有效途徑。工作人員在工作開展前，通過對計算進行應用完成相應模擬，同時，采用GIS、GPS等各項技術手段進行應用，完成對沉降問題的精準定位，利用數據分析，實現對沉降趨勢的合理預測，為后續開采作業開展提供支持[8]。

3.2 通過對計算機技術進行應用完成模擬

完成金屬礦地下開采作業之后，應力將會發生改變，此時，可以依據巖石力學理論，在基礎上與礦體與經驗公式進行適當結合，利用計算數值完成模型模擬，對金屬礦產開采過程進行全面模擬，構建變化曲線，進而體現出不一樣地下開采深度，地表、巖層也會發生異動變化，常用方法有離散元、有限元、邊界元等各種不同類型方法。從實際情況來看，模擬技術在應用時對于基礎參數依賴性較高，如果，要想確保這一參數精準，要將基礎參數作為應用重點內容。

3.3 現代監測技術應用

在預測與監測金屬礦地下開采引起的地表沉陷問題上，主要是對GIS、GPS等各項技術進行應用，在此基礎上適當與其他處理軟件進行配合應用，精準、快速提取金屬礦開地下開采范圍監測數據，同時，在問題分析過程中，要動態跟蹤各項數據信息，從而獲取到精準沉降數據，為金屬礦地下開采作業開展提供預防方案。GIS和GPS是目前應用最廣泛的兩個系統，在實際作業開展期間，要將兩個系統合理融合到一起，在金屬礦開采時對結合后的系統進行應用，能夠通過動態方式對地表巖層移動情況進行全面監測，針對地表災害問題的地貌、地質、水文等各項影響因素進行動態跟蹤，完成相應分析工作[9]。作業人員將通過對GPS獲取到的監測數據精準、及時傳入到GIS系統中，完成數據存儲，利用GIS系統強大數據處理功能，這可以為金屬礦上山開采作業提供指導，確保開采作業順利，減少事故發生。

4 防治金屬礦地下開采引起地表沉降的合理措施

金屬礦地下開采會引起的地表沉陷問題，通過對金屬礦區發生沉陷特點、規模、穩定性等各項要求進行全面分析，針對出現的地表沉陷問題進行防治，具體防治可以從以下幾個方面入手。

（1）禁止發生塌陷區域內，開展相應工程活動，同時，在開采時，要及時對發生塌坑區域回填，及時建設排水溝，避免開采區內因為降雨產生大量積水，進而發生更加嚴重破壞，造成巨大經濟損失，以及人員傷亡。

（2）金屬礦地下開采開展時，需要巖地表發生變形區域內設置預警標識，指派專人對各項工作開展進行全面監測，工作人員在監測期間，要密切關注坑涌水量、涌砂、涌泥、崩落石等問題，一旦發現問題，要及時處理。

（3）嚴格設計結構參數，依據參數開展回采，并且要預留礦柱。針對局部不穩定區域的巷道、礦段、采空區，要加強支護，常用的措施有噴漿、掛網、錨桿等措施，完成相應加固作業，提高開采區域穩定性，減少沉陷現象發生，降低危害。

（4）嚴格依據實現設計要求對礦塊回采作業順序完成相應回采作業，進行金屬礦地下開采時，要考慮金屬礦產資源分布情況進行適當開采，從而實現對資源的合理應用，提高開采效率，同時，也可以降低事故發生幾率。

（5）在對金屬礦的下部礦體開展開采和開拓時，為了確保開采作業順利進行，不得在發生塌陷體下方出現采空區。從大量開采實例來看，若塌陷體下方存在礦體，在礦體開采作業完成后，為了避免發生嚴重塌陷問題，要立即對采空區進行填充。

（6）對于老塌陷區內存在的殘留礦體，后者礦柱，不得重復開采，以免造成塌陷事故，如果因為該區域內存在大量金屬礦產資源，考慮到開采作業效率，以及開采安全，要對開采作業可行性進行論證，做好設計工作，嚴格依據設計完成相應開采。

（7）對于金屬礦地下開采作業形成的空曠區，工作人員要及時利用性能滿足應用需求的填充料進行填充，通過對充填體進行應用，完成對空區情況的支撐，從而達到減少采空區上覆巖層下沉量，減少地表下沉問題的發生。

（8）在實際開采作業開展時，要保留支撐或永久礦柱，對于選留位置要依據具體開采情況而定，位置必須合理。

（9）在采空區通道中穩定巖體部位要建設封堵墻，對于修建的封堵墻要控制好墻體厚度，以免采空區巖發生垮冒安全風險，引發事故。

（10）作業人員可以通過對巖體聲發生監測手段進行應用，依據金屬礦區情況，構建發射監測網絡，從而完成對采空區低壓活動情況進行全面監控，為后續各項工作提供支持。

5 結語

金屬礦地下開采規模不斷擴大，這會破壞自然環境，這會對人造成較大影響，因此，要對地表發生沉陷問題主要采用數值模擬預測和現代技術手段開展。其中數值模擬預測能夠為地表沉降提供指導，而且采用監測手段可以得到精準數據，最終構建良好地表沉陷預測體系，可以能夠用在不同礦上，同時，采取合理措施能夠對地表沉陷進行控制，實現對生態環境保護。