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(zé)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(chǎn)與生活環(huán)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(jīng)前期開采技術(shù)條件研究，普朗銅礦具節(jié)理裂隙等構(gòu)造密集發(fā)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(jìn)行開采，一期采選規(guī)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(jīng)多年的基建工作，該礦已于2017年3月17日正式投產(chǎn)，計劃于2019年上半年實現(xiàn)達(dá)產(chǎn)[1]。

基建施工過程中，發(fā)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(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)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(chǎn)礦石堆場先后出現(xiàn)2個塌陷坑。1#塌陷坑水平半徑約9 m，深約7 m，規(guī)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(yù)測發(fā)展趨勢是十分必要的。

1 礦區(qū)地層與地質(zhì)構(gòu)造

首采區(qū)內(nèi)地表為第四系沉積層(圖1)，較為復(fù)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(fù)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(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，節(jié)理裂隙等構(gòu)造密集發(fā)育，主要存在5條斷層[2](表1)，詳細(xì)情況如下：

(1)NW向斷層。F1斷層是首采區(qū)較大的斷層，是NW向斷層的代表性斷層，也是首采區(qū)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(jù)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(zhì)；斷層面清晰，局部可見階步及斜向擦痕，局部斷層扭曲、反轉(zhuǎn)。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(qū)代表性斷層，與區(qū)域斷層全干力達(dá)斷裂有相關(guān)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(zhì)、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(qū)重要構(gòu)造之一，與區(qū)域斷層全干力達(dá)斷裂有相關(guān)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(zhì)、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(qū)勘探線剖面

表1 首采區(qū)主要斷層特點(3 760～3 736 m中段)

(3)NWW向斷層。首采區(qū)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(zhì)、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(yán)密，初步判斷為張扭性斷層，充填物主要為碳酸鹽物質(zhì)、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(chǎn)到2017年7月13日，在地表3#大溝副產(chǎn)礦石堆場先后出現(xiàn)2個不同規(guī)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(fā)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(kuò)大。

圖2 地表塌陷坑現(xiàn)場

為了分析塌陷坑的成因，結(jié)合礦山地質(zhì)資料，畫出頂板垮塌事件發(fā)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(guān)系，可以看出，頂板垮塌事件發(fā)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(guān)。大部分巷道內(nèi)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(xiàn)風(fēng)化現(xiàn)象，為典型的斷層分化特征(圖4)。由此發(fā)現(xiàn)，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(yè)空間位置關(guān)系。圖中1#坑井下位置區(qū)域大致位于3 736 m水平S5與S6穿脈對應(yīng)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(yè)完成區(qū)域、5月份拉底作業(yè)完成區(qū)域、6月份拉底作業(yè)完成區(qū)域、7月份拉底作業(yè)完成區(qū)域、8月份拉底作業(yè)完成區(qū)域。可以看出，1#塌陷坑井下所對應(yīng)的位置在6月份已完成的拉底作業(yè)區(qū)，1#塌陷坑的形成時間是2017年5月份左右。結(jié)合地表塌陷坑資料、斷層資料及井下作業(yè)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(guān)系

圖4 頂板垮塌碎石

圖5 1#和2#坍陷坑和井下拉底作業(yè)空間位置關(guān)系

圖6 1#和2#坍陷坑、斷層及當(dāng)時井下拉底作業(yè)位置的幾何模型

1#塌陷坑的形成原因是拉底作業(yè)導(dǎo)致破碎帶暴露后，施工單位在處理S7N垮塌區(qū)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(jìn)爆破—松動出礦，出礦量達(dá)到了311車(7 153 t)，而這些礦石是斷層破碎帶內(nèi)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(dǎo)致1#塌陷坑出現(xiàn)。

2#塌陷坑形成于2017年7月13日。其形成時3736拉底水平推進(jìn)至7月份拉底完成區(qū)域所示位置(圖5)，并且在3 736 m水平S5S進(jìn)行輔助出礦。同時，地下拉底作業(yè)推進(jìn)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(guān)聯(lián)。因此，推斷2#塌陷坑的形成與斷層地質(zhì)構(gòu)造尤其是F1斷層有關(guān)。由于2個塌陷坑的位置相近，井下3 736 m拉底水平對應(yīng)位置也相近，因此，該區(qū)域在地表下發(fā)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(xiàn)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(shè)存在新的斷層，如圖7所示，為2種不同的斷層預(yù)測圖。圖中白色圓圈區(qū)域表示2#塌陷坑井下對應(yīng)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(yè)間存在的一條新斷層預(yù)測，拉底作業(yè)導(dǎo)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(fù)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(jī)理與1#塌陷坑相同，拉底線推進(jìn)至井下位置時，造成斷層活化，斷層內(nèi)碎屑向下持續(xù)滑移直至地表。

圖7 新斷層預(yù)測

3 塌陷坑的發(fā)展趨勢

如圖8所示，塌陷坑在擴(kuò)展過程中，其坡面在堆積物達(dá)到自然安息角時趨于穩(wěn)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(kuò)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(nèi)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(guī)模和拉底施工時關(guān)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(guān)系

即使斷層破碎帶內(nèi)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(guān)，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(jù)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(kuò)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(rèn)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(jù)塌陷坑的現(xiàn)場測量CAD圖，確定塌陷坑坐標(biāo)；應(yīng)用Dimine軟件在地表模型上標(biāo)出塌陷坑坐標(biāo)處的位置和高程；在該模型中的礦體模型中標(biāo)出塌陷坑坐標(biāo)處的坐標(biāo)和高程；測量塌陷坑坐標(biāo)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(jù)周驥[8]的實驗與現(xiàn)場測量結(jié)果而選擇的。現(xiàn)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(jìn)行實驗測試，并且綜合了濕度等一些外界條件因素進(jìn)行選擇，結(jié)合普朗銅礦目前條件和觀測進(jìn)行選取，該塌陷坑的自然安息角選取41.0°。

由此，根據(jù)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(dá)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(jié) 論

(1)通過地表塌陷坑、斷層、工程作業(yè)的空間幾何關(guān)系，分析得到了2個塌陷坑的成因。1#塌陷坑是因拉底作業(yè)導(dǎo)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(jī)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(jīng)驗得到了自然安息角與堆積物厚度，根據(jù)理論計算公式，預(yù)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(yù)測為普朗銅礦局部詳細(xì)的地質(zhì)信息提供了參考。