普朗銅礦地表塌陷坑成因及趨勢分析

趙冰峰 馮興隆 劉華武

(云南迪慶有色金屬有限責任公司)

普朗銅礦位于云南省香格里拉市東北部，地理高度為海拔3 450～4 500 m，生產與生活環境惡劣。該礦床為超大型斑巖銅礦，目前共探獲銅金屬量480萬t，黃金145 t，白銀2754t，鉬19萬t。經前期開采技術條件研究，普朗銅礦具節理裂隙等構造密集發育、礦石品位較低，但礦體相對厚大等特點，故采用自然崩落法進行開采，一期采選規模為1 250萬t/a，首采3 720 m以上、南北方向Y∈[2 949，3 309]的礦體。經多年的基建工作，該礦已于2017年3月17日正式投產，計劃于2019年上半年實現達產[1]。

基建施工過程中，發生多處頂板垮塌事件。3 736 m 拉底水平南部拉底穿脈巷道和切割大巷中的垮塌點有6個，巷道被垮塌下來的礦石堆滿，垮塌礦石塊度較小，直徑均小于300 mm，礦化程度較好，垮塌礦石呈深灰、淺灰色。礦巖出現風化現象，為典型的斷層分化特征。同時，至2017年7月13日，在地表3#大溝副產礦石堆場先后出現2個塌陷坑。1#塌陷坑水平半徑約9 m，深約7 m，規模比較大；2#塌陷坑水平半徑約3 m，深度約2 m。為保證礦山安全高效開采，了解塌陷坑的成因及預測發展趨勢是十分必要的。

1 礦區地層與地質構造

首采區內地表為第四系沉積層(圖1)，較為復雜，有坡積、殘坡積、河床堆積及冰川堆積，總體以冰川堆積物為主，其成分復雜，為變砂巖、板巖、石英二長斑巖、石英閃長玢巖、花崗閃長斑巖等大小不等的碎塊，與砂土松散堆積，碎塊呈次圓-圓狀，厚0～74.96 m。

首采區內地質構造復雜，節理裂隙等構造密集發育，主要存在5條斷層[2](表1)，詳細情況如下：

(1)NW向斷層。F1斷層是首采區較大的斷層，是NW向斷層的代表性斷層，也是首采區重要的斷層。斷層見于3 670～3 736 m中段，已實際控制走向長大于450 m，延深大于120 m。根據基建工程，實際揭露斷層走向NW向，傾向NE，傾角為61°～88°；斷層破碎帶較為緊密，寬0.1～2 m，充填物主要為圍巖碎屑和圍巖角礫，黑色斷層泥，石英、碳酸鹽等物質；斷層面清晰，局部可見階步及斜向擦痕，局部斷層扭曲、反轉。F1斷層被后期斷層錯斷，初步判斷為正斷層。

(2)NE—NEE向斷層。F4斷層也是首采區代表性斷層，與區域斷層全干力達斷裂有相關性，主要揭露于3 670～3 736 m中段，斷層實際控制走向長大于580 m，傾向長大于90 m，斷層走向NE，傾向SE，局部斷層扭曲，斷層寬0.1～2 m；斷層充填物呈灰白色，為碳酸鹽物質、斷層泥及少量圍巖碎屑充填，斷層松散破碎，斷面清晰，斷層平整；斷層被后期斷層F3、F2錯斷，局部可見階步擦痕，初步判斷為逆斷層。F5斷層是首采區重要構造之一，與區域斷層全干力達斷裂有相關性，斷層主要分布于3 670～3 736 m中段，尤其3 670 m中段比較明顯，斷層走向NE，實際控制大于540 m，傾向NW，傾向控制大于90 m，傾角為37°～78°，在3 670 m中段工程揭露較為明顯，在6#穿脈3#、2#、1#沿脈南都有工程揭露；斷層充填物呈灰白色，為碳酸鹽物質、石英、斷層泥及少量圍巖碎塊(屑)組成；斷層松散破碎，傾角相對較緩；3 720 m水平也有揭露，斷層破碎，斷層被后期斷層F3、F2錯斷，局部可見階步擦痕，初步判斷為逆斷層。

圖1 普朗礦區勘探線剖面

表1 首采區主要斷層特點(3 760～3 736 m中段)

(3)NWW向斷層。首采區NWW向的代表性斷層主要是F3和F2斷層，此組斷層為后期斷層，錯斷了其他2組斷層。F3斷層主要揭露于3 670～3 736 m 水平，實際控制走向長大于520 m，傾向長大于90 m,斷層走向NW，傾向NE，斷層寬0.2～2 m；充填物呈灰白色，為碳酸鹽物質、圍巖碎屑及少量斷層泥充填，斷面閉合，斷層扭曲。F2斷層主要揭露于3 670～3 736 m水平，實際控制走向長大于 570 m，傾向長大于90 m，斷層走向NW，傾向SW，傾角為64°～87°；斷層控制嚴密，初步判斷為張扭性斷層，充填物主要為碳酸鹽物質、圍巖碎塊(屑)及斷層泥充填，斷層平整，斷面閉合，斷層周圍巖石破碎，局部見明顯階步擦痕，斷面局部扭曲。

2 塌陷坑的成因分析

2017年3月17日正式投產到2017年7月13日，在地表3#大溝副產礦石堆場先后出現2個不同規模的塌陷坑(圖2)。在這期間，3 736 m拉底水平南部拉底穿脈巷道和切割大巷中發生了多次頂板垮塌事件，主要的垮塌點有6個，同時地表塌陷坑緩慢擴大。

圖2 地表塌陷坑現場

為了分析塌陷坑的成因，結合礦山地質資料，畫出頂板垮塌事件發生位置、斷層與地表塌陷坑的空間位置圖[3-5]。圖3為頂板垮塌事件與斷層的位置關系，可以看出，頂板垮塌事件發生位置基本都在斷層附近，這說明頂板垮塌事件與斷層有關。大部分巷道內的垮塌礦石塊度較小，直徑均小于300 mm，礦化程度較好，垮塌礦石呈深灰、淺灰色，說明礦巖出現風化現象，為典型的斷層分化特征(圖4)。由此發現，大部分頂板垮塌碎石來源于斷層破碎帶。

圖5為1#、2#塌陷坑和井下拉底作業空間位置關系。圖中1#坑井下位置區域大致位于3 736 m水平S5與S6穿脈對應位置，斷層為F1、F3交點。如圖5所示，從里到外分別是2017年4月份拉底作業完成區域、5月份拉底作業完成區域、6月份拉底作業完成區域、7月份拉底作業完成區域、8月份拉底作業完成區域。可以看出，1#塌陷坑井下所對應的位置在6月份已完成的拉底作業區，1#塌陷坑的形成時間是2017年5月份左右。結合地表塌陷坑資料、斷層資料及井下作業工程，用三維建模軟件建立幾何模型(圖6)。

圖3 頂板垮塌事件與斷層的位置關系

圖4 頂板垮塌碎石

圖5 1#和2#坍陷坑和井下拉底作業空間位置關系

圖6 1#和2#坍陷坑、斷層及當時井下拉底作業位置的幾何模型

1#塌陷坑的形成原因是拉底作業導致破碎帶暴露后，施工單位在處理S7N垮塌區時，采用了松動出礦—中深孔爆破—松動出礦—中深孔施工和掘進爆破—松動出礦，出礦量達到了311車(7 153 t)，而這些礦石是斷層破碎帶內的碎屑。這些碎屑的鏟出使得上部碎屑沿F1斷層帶形成的通道下移，導致1#塌陷坑出現。

2#塌陷坑形成于2017年7月13日。其形成時3736拉底水平推進至7月份拉底完成區域所示位置(圖5)，并且在3 736 m水平S5S進行輔助出礦。同時，地下拉底作業推進線依舊在F3斷層附近，且更加靠近F1、F2和F3斷層交匯處的破碎帶。地表上2#與1#塌陷坑相距僅10 m左右，且也位于F1斷層附近，推測2#塌陷坑的形成與1#塌陷坑也可能存在關聯。因此，推斷2#塌陷坑的形成與斷層地質構造尤其是F1斷層有關。由于2個塌陷坑的位置相近，井下3 736 m拉底水平對應位置也相近，因此，該區域在地表下發生斷層交錯的概率也非常大。然而，2個塌陷坑相距很近，但并沒有連在一起，該現象說明2個塌陷坑理論上不可能位于同一個斷層上，因此，該處存在新的獨立斷層的概率比較大。

假設存在新的斷層，如圖7所示，為2種不同的斷層預測圖。圖中白色圓圈區域表示2#塌陷坑井下對應位置，深色部分表示F1斷層，白色的線條表示2#塌陷坑下面的斷層通道。圖7(a)為2#塌陷坑與井下拉底作業間存在的一條新斷層預測，拉底作業導致新斷層中的碎石下滑，從而形成2#塌陷坑。圖7(b)中的新斷層比圖7(a)中復雜，由于F1斷層距離很近，可能存在一條新斷層，貫通F1斷層，新斷層與F1斷層共同作為2#塌陷坑形成的通道。上述2種為形成2#塌陷坑通道最有可能的情況。2#塌陷坑的斷層通道尚不確定，存在多種可能性，但其形成機理與1#塌陷坑相同，拉底線推進至井下位置時，造成斷層活化，斷層內碎屑向下持續滑移直至地表。

圖7 新斷層預測

3 塌陷坑的發展趨勢

如圖8所示，塌陷坑在擴展過程中，其坡面在堆積物達到自然安息角時趨于穩定[6-7]。圖中虛線坡面表示塌陷坑某特定階段的自然坡面，實線坡面表示塌陷坑底部擴展到斷層后形成的理論最終坡面范圍，位于兩坡面中間的虛直線AB表示第四系堆積物理論厚度。由上述分析可知，隨著通道內碎屑的鏟出，地表松散洪積層隨之下移，按一定角度(自然安息角)在地表形成塌陷坑。因此，前期形成的2個坍陷坑的演化趨勢和范圍受通道自身規模和拉底施工時關鍵位置的出礦量及通道地表洪積物厚度等所控制。

圖8 塌陷坑與堆積物關系

即使斷層破碎帶內的碎屑全部鏟出，塌陷坑范圍與斷層破碎帶寬度和第四系洪積物厚度有關，因此，通過理論計算公式計算塌陷坑的最終塌陷半徑。

(1)

式中，H為堆積物厚度，即AB長度，m；φ為自然安息角，(°);R為最終塌陷坑半徑,m。

依據地表碎石的自然安息角計算第四系堆積物的厚度，并推演塌陷坑的擴展趨勢。塌陷坑的最終深度為實體模型中的第四系堆積物厚度，用測量方法選取，地表和礦體間的填充物即認為是堆積物的厚度。堆積物厚度選取大致分為幾個步驟：依據塌陷坑的現場測量CAD圖，確定塌陷坑坐標；應用Dimine軟件在地表模型上標出塌陷坑坐標處的位置和高程；在該模型中的礦體模型中標出塌陷坑坐標處的坐標和高程；測量塌陷坑坐標處的地表高程和礦體上邊界高程的差值，即為堆積物厚度。堆積物厚度的測量示意見圖9，1#和2#塌陷坑堆積物厚度測量值分別為15.792和19.185 m。

圖9 堆積物厚度測量示意

普朗銅礦塌陷坑坡面散體碎石自然安息角的選擇是依據周驥[8]的實驗與現場測量結果而選擇的。現場塌陷坑坡面目前的安息角測量使用自然安息角的測量裝置，對同一種散體礦石進行實驗測試，并且綜合了濕度等一些外界條件因素進行選擇，結合普朗銅礦目前條件和觀測進行選取，該塌陷坑的自然安息角選取41.0°。

由此，根據式(1)計算得到1#塌陷坑的理論最終塌陷半徑為18.17 m，2#塌陷坑理論最終塌陷半徑為22.07 m。

理論上最終塌陷完成后，2個塌陷坑必然會相交，且相交范圍達到10余m，相交模型見圖10。圖中，實線圈表示5月15日實際測得坑的大小，虛線圈表示8月7日實際測得坑的大小，最大的白色線圈表示按照理論計算公式得到的最終坑的大小。

圖10 最終塌陷坑的模擬相交模型

4 結 論

(1)通過地表塌陷坑、斷層、工程作業的空間幾何關系，分析得到了2個塌陷坑的成因。1#塌陷坑是因拉底作業導致上部碎屑沿F1斷層帶形成的通道下移；2#塌陷坑的形成機理與1#塌陷坑相同，但其斷層通道尚不明確，存在多種可能性，給出了2種最有可能的情況。

(2)按照工程經驗得到了自然安息角與堆積物厚度，根據理論計算公式，預測了2個塌陷坑的最終塌陷半徑。1#塌陷坑的理論最終塌陷半徑為18.17 m，2#塌陷坑的理論最終塌陷半徑為22.07 m，并模擬了2個塌陷坑的相交模型。

(3)通過分析地表2個塌陷坑的成因，為下一步的安全防范指引了方向，2#塌陷坑下的新斷層預測為普朗銅礦局部詳細的地質信息提供了參考。