金屬礦地下開采地表沉陷與防護

◎黃濤

金屬礦開采過程，要全面的加強地表沉陷防護工作水平，這樣不僅利于提高生產安全，也能夠為生態環境保護工作開展提供有效保證。作為新時期技術人員，要積極運用更加完善的金屬礦地下開采模式，加強地表管理水平，全面的防治地表沉陷問題發生，以提高開采效率，具體分析如下。

一、金屬礦地下開采的基本情況分析

金屬礦的開采是我國重要的支柱型產業之一，其流程是將礦石從地下礦坑挖掘后，再經由專業的企業進行加工處理。目前我國采礦的工藝流程主要有三類，即礦堆采準、礦堆切割以及回采流程。而具體的采礦方式則較為簡單，即地上開采與地下開采兩類。近年來，我國金屬礦的開發工作主要集中在地下采礦的方式，并且伴隨我國工業技術的不斷升級，采礦的效率與質量都得到了顯著提高，傳統的人工開采方式也被替換為了機械化操作的模式。目前針對金屬礦的地下開采工作，主要采用的是地下連續開采方法，這種技術在使用的過程中會采取兩種措施方法，主要是結合被開采對象的硬度與大小來決定，首先，針對開采對象的硬度較小的時候，會采取連續式的平行開采策略；而針對開采對象硬度較大的時候，則需要分區域進行開采工作，針對易開采區域優先進行開采工作，保證互相之間協調完整的情況下，再進行下一階段的開采。

二、金屬礦地下開采地表塌陷規律

金屬礦開采過程，應提高對于地表沉陷的管理能力，通過分析塌陷規律，能加強認識，從而利于針對性的制定更加有效的防護方案，進一步保證金屬礦地下安全開采，以提高企業經濟效益。

1.地表塌陷主要表現。

對金屬礦的開發工作而言，地表塌陷是最為主要的問題之一，根據其形態和嚴重程度可以分為兩類，首先，淺部開采。這類塌陷問題主要集中在表層，由于開發速度過大引發的塌陷，其損害范圍相對較小。第二類則為深部開采，由于煤層開挖的時候出現不均勻的現象，但由于結構整體較大，所以在塌陷速度上勻速下降，但也會存在突然塌陷的情況，造成極大的安全隱患以及財產損失。具體可以結合塌陷的體積以及開發的提及進行測算工作，前者比例超過70%的情況下，多發于超常規測算開采深度的1.4 倍，如果比例沒有超過70%，則主要出現淺部開采的塌陷問題。

2.地表塌陷基本規律。

①地下開采范圍大小。

地下開采的工作區間與大小，將會成直接程度上影響最終塌陷與否。結合過往的研究表明，開采的深度越大，則容易出現塌陷的可能性越強，并且包括開采范圍以及地表的結構，都會對產生引發塌陷的可能性。其次，伴隨開發的深入，塌陷的可能性與地表移動深度的擴大而降低，并最終趨于穩定。

②地表影響范圍與開采深度有關。

通常情況下，開采的深度越小，塌陷的可能性就月底。但也存在特殊情況，施工方需要結合當地的實際地理狀態來明確開采的程度是否過度，存在安全隱患。

③下沉速度隨著開采深度增加而趨緩。

在任何金屬礦開采的過程中，都會因為開采的深度擴大而引發下沉的現象，而伴隨深度的不斷提升，下沉的速度也會因此變慢，并最終區域穩定性質。相較于地表的開采工作，地下的深度開采工作會出現地表活躍度低甚至無活躍度的情況。

④與礦層傾斜度有關。

絕大多數的金屬礦開礦工作是傾斜進行的，而傾斜的斜率將直接程度上影響開采的塌陷可能性。如果開采深度增加，容易在傾斜位置發生位移，并且造成重力失位的情況。一般狀態下，規定開采過程中下山方向的傾角需要大于上山方向，但由于地理結構變化或開發過程中的不穩定因素，會打破原有的設定邊界引發塌陷。

三、金屬礦地下開采的現狀以及危害

1.損壞地表建筑物。

伴隨我國對金屬礦資源的開發和利用，開采的深度大多超過了百米級別，甚至達到了千米級別。換言之，金屬礦在開挖的過程中會不可避免地導致原本緊縮的巖石層產生裂縫，因此長時間的開發下，會形成包括巖石位移、斷裂的負面情況。在層層受力的作用下，最終會反饋至地面的各類建筑物，使得建筑物出現裂縫等形變現象，嚴重的情況還會直接導致建筑物塌陷。此外，金屬礦開采的礦區附近若有高級公路、鐵路、城市間供水、輸氣、運油管道以及大型建筑物設施等，所產生的危害以及損失將是不可估量的。同時，大型水利設施建筑物的損壞將會產生無法彌補的侵害和損失。

2.侵害地表生態環境。

在金屬礦開發的過程中，由于會不可避免地引發地表沉降，而地表結構是土地直接的構成元素，一旦沉降會引發其原本包括含水性、抗腐蝕性上的衰弱，因此會引發水土流失等問題，并最終引發土地的適用性進一步下降。這一問題在土地貧瘠、不適宜耕種的區域更為明顯。此外，塌陷還會引發地表的植物的環境被破壞，生物會因為缺乏水分、養分，而出現枯萎的現象，使得當地的環境發展出現了困難。

3.引發地質災害。

針對金屬礦的開發工作來看，由于在地下開發的工作不可避免地會引發包括山體的斷裂和滑動，因此會產生連鎖反應引發地表的沉降問題。如果長年累月的進行開發，或者大型的金屬礦進行開發，地表的破裂問題會上升至附近的山丘，形成會出現山體滑坡等災害問題，如果處理不及時會對周邊的居民造成難以挽回的損失。

四、金屬礦地下開采沉陷預防和控制技術的運用

1.充填式開采。

在金屬礦的地下開采的初步階段，在地下結構的頂層巖板沒有暴露之前，可以采用專門的材料對空區進行填充，幫助頂層巖板提升工程強度，避免出現下降或形變，從而反饋至上方提升地表的支撐力，避免對建筑物的破壞。充填式的開采由于技術相對較為特殊，因此需要專門的設備以及材料使用。目前我國金屬礦地下開采的過程中，最主要的充填式為水砂填充，并且這也是目前成本相對較低且效果最好的一類技術方法。其次，還有其他的不同充填式開采的策略方法，需要結合地下的實際情況進行選擇。

2.條帶式開采。

條帶式的開采原理，就是在開采工作前，對金屬礦進行充分的調研，以正確的比例進行兩條通道的預留，兩條通道以上下結構進行劃分，其中一條作為主要的通行通道，另一條作為備用通道的同時，能夠發揮其支撐作用，對地下的結構以及地上的結構進行保護。這樣的支撐方法，即使是金屬礦開發的時間較久，也能夠有效實現避免變形、斷裂的情況發生。但這樣的方法也存在一定的弊端，即開發的時間成本以及其他成本相對較高，僅在安全系數相對較低的金屬礦選擇使用。

3.限厚式開采。

限厚式的開采方法是所有金屬礦地下開采的過程中對前期要求最高的方法之一，需要對當地環境的水文條件、地貌情況以及地標建筑進行勘察，在明確其抗變形的能力計算后，明確下方可開采的深度、厚度，在保證地下結構不會出現積水的前提下，同時能夠為環境的保護提供一定的策略，實現真正意義上的綠色可持續化開采。在限厚式開采的過程中，只要嚴格遵守開采的厚度，就能實現塌陷的預防和控制，并達到保護地表建筑、農田和生態環境的目的。但是，這項開采技術雖然能夠保障地表沉陷的發生，但是其開采率也是十分的低，僅適用于煤層較薄的金屬礦開采區。

4.協調性開采。

協調性的開采策略，也是一種對前期準備工作要求較高的方法，其原理是通過觀察金屬礦的情況，計算出不同的開采順序已經深度，通過開采的方式實現不同作用力之間的部分抵消，使得整個金屬礦處于動態平衡的狀態。通過這樣的方法，不僅能夠保證地下開采的金屬礦結構穩定，不會出現突然塌陷的問題，保證了開采工作的安全性，并且對地面的支撐力等要素也被計算在內，從而實現安全生產。但該方法難度相對較大，目前實用性相對較低。

5.巖層帶填充。

巖層帶是目前較為主要的金屬礦地下開采的策略方法之一，其原理為首先勘察地下結構，在開采的同時，以間隔的方式完成對地下結構的開挖，在開挖的區域安全不會塌方的情況下，注入專門的高壓漿液，完成對巖層的充填作業，以求幫助完場開采區域的加固處理。在漿液冷卻后，再額外砌磚進行二次加固，保證區域的穩定性。通過這樣的加固方式，能夠有效保證在開采的過程中下層巖石層無法堆積到上方，并且能夠對地表的結構進行二次完整、加固。但需要注意的是，該項技術方法的施工難度極大，對技術人員的要求非常高，而且造價也相對較高，因此在使用該技術前，必須要確保工作人員具備該方法的能力和水準。

6.塌陷區的綜合治理。

對已經發生塌陷事故的金屬礦來說，其上方絕大多數都是平原結構，并且塌陷范圍大、積水相對較多。對此，采用造田復地的策略相對較多，但其成本相對較高且對材料要求高，因此該方法僅適用于塌陷區域的部分。為了進一步加強對塌陷區域的整治，應當做到綜合性的治理，采用多元化的方式進行修復工作，在保證安全性的前提下有序展開相應的作業，妥善安排在金屬礦附近區域的居民正常生產生活，并保證經濟效益。

綜合治理塌陷區的方法主要有：

（1）塌陷區疏干。

針對出現塌陷情況后，附近水域包括河流、湖水面的地區，應當采用疏干塌陷區的策略。其原理是，開挖專門的排水結構，將塌陷區域的積水引入水源。在低洼地挖深墊淺建設水庫，澇季存水、旱季灌溉；在因河床的坡降變化而使河水不能暢流時，在河流的適當地段設置揚水站，以便雨季時把河水泵入下游排走。疏干塌陷區不但可使大部分農田恢復為可耕地，而且可使村莊和其他建筑物周圍不再積水，避免了不必要的遷移，保護了生態環境。

（2）平整土地。

針對塌陷情況并不嚴重且處于平原地區的結構，其塌陷的表現為大量的裂縫、孔隙、孔洞，此時可以借調專門的器械，如推土機、壓路機等，對土地進行平整處理。對于塌陷區域內部積水較少的情況，則可以考慮將其改造成為種植用的梯田。

（3）發展水產和養殖業。

針對塌陷問題相對較為嚴重的區域，往往其積水也相對較多，在除水難度上也較大。對此，可以進行就地改造，將其轉化為水產養殖業。部分使用年限較久的老礦坑結構，則可以發展成為專門的工業城鎮。對于改造難度大的區域，可將其改造為居民區、娛樂區等，能夠供給周邊金屬礦人工進行休閑娛樂，實現良性循環的目的。

（4）土地復墾技術。

目前我國土地復墾技術主要劃分為兩類，即煤矸石充填復墾和粉煤灰充填復墾。傳統將開挖出來的煤矸石運用至地面的方法，不僅成本相對較高，同時也會對周邊的環境產生破壞。采用煤矸石充填的方式，能夠有效節省成本。其次，可以借調周邊發電廠等進行粉煤灰充填，完成土地復墾的任務，對周邊居民的損害也相對較小。針對積水區域可采用綜合性治理的技術，除了將其排出以外，還可以采取科學化的技術，實現水產養殖業的發展。在條件允許的情況下，還可以積極發展成為旅游業，如建造水上樂園等。總而言之，現代化的塌陷處理方法相對較為靈活，要盡可能地降低成本并且做好綠色建設。

7.礦區地面沉陷監測方法。

近年來，除常規技術外，新興測繪技術飛速發展，GPS 綜合應用技術，合成孔徑雷達差分干涉技術（difference Interferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR），三維激光掃描技術等均被用于礦區沉陷監測領域。

（1）精密水準測量。

進行水準測量時，需要水準儀以及配套的水準尺。通過已定位的兩點，將水準儀置于約兩點中間處，然后測量兩點間測高差來進行水準測量。

精密水準測量是垂直測量的基礎方法，也是主要方法，具有精度高、穩定性好、技術成熟等特點，但是勞動強度大，速度慢，觀測系統相關性強，要求具有連貫性，對于面積小的礦區可采用精密水準測量進行沉陷監測，對于大面積礦區監測時，不應考慮此方法。

（2）GPS 技術在礦區沉陷監測中的應用。

第一，建立GPS 監測網。通過建網可對監測礦區地表、道路、建筑物等的位置變化實施有效監控，運用GPS-RTK 等進行數據收集、整理和分析，有助于礦區沉陷監測的進行。

第二，GPS 數據處理。

第三，礦區沉陷預測。根據各期觀測數據得到沉陷曲線，采用合理的模型進行建模預測。

通過全方位的開展監測，必然利于加強金屬礦開采過程地表沉陷防治能力，因此，相關監測工作的開展，要結合金屬礦開采區域，運用先進的技術方法，全面的開展技術應用分析，以進一步構建更加完善的防控體系，加強金屬礦開采技術應用水平。

五、結束語

總之，全面的提高金屬礦地下開采水平的技術有很多，在開采過程，要加強對于地表沉陷工作的管理能力，應全面的制定完善的防范體系，進一步提高防范技術水平，從而提高開采質量，保證地表沉陷防控能力。希望通過以上分析，能進一步加強實踐研究水平。