铜矿地下采空区稳定性分析与处理

铜矿地下采空区稳定性分析与处理

张祥

凉山矿业股份有限公司采矿厂    云南省楚雄州大姚县六苴镇  675400

摘要：随着铜矿的开采应用日益频繁，导致矿区地下采空区坍塌、陷落等地质灾害，对矿区的正常生产、开采造成极大的威胁。在此对铜矿的基本地质环境、采空区稳定性等，结合地面采矿活动对采空区的影响，运用理论与数值模拟相结合的方法进行分析和运算，并通过对比采空区稳定性的相关系数进行综合分析。研究表明，铜矿区采空区的稳定性与其体积、形貌、岩体性质及人类活动等因素有直接关系，并根据实践经验，提出相应的治理对策，并获得良好的成果。

关键词：铜矿；地下采空区；稳定性分析

随着现代工业的发展，铜矿在我国的使用日益广泛，同时也带来对铜资源的开发利用。铜是我国经济高速发展离不开的矿产资源之一，也是我国工业原料和农业生产设施原料的主要应用金属之一。所关联金属矿采矿业的总产值，每年在国内生产总值中所占比重超过百分之五点七。随着铜矿采空区的大量开采，采空区的数量及规模也在逐年增加，由此引发的安全事故与灾害也相应增加。为确保采空区采矿安全，确保矿区人民的生命和财产安全，有必要对采空区进行研究，并采取有效措施，以降低采空区发生大范围塌陷等灾害。其中，铜矿采空区的地形结构、采空区稳定性相关参数等是铜矿采空区安全的制约因素。

一、铜矿地下采空区的稳定性分析

1.采空区的地质结构

六苴矿区大地构造位置处于扬子板块西缘楚雄盆地盐丰凹陷与牟定斜坡之间，是扬子板块西缘的一个重要组成部分。楚雄盆地地处扬子台西南边缘，属于川滇南北构造带，是一个由印度、燕山、喜马拉雅三期运动共同作用形成的大型楔状中-新生代沉积-构造盆地，其形成过程中既受到强烈的应力作用，又受到强烈的挤压，形成强烈的变形作用。盆地边缘断层对盆地的基底断层和地表结构起着重要的控制作用，其西南端由红河断层和哀牢山断层构成，箐河-程海断层位于云南北部，毗邻岩源-丽江褶皱带，北部靠近华坪-攀枝花东西向构造带，东部与“康滇古陆”接壤，由绿汁江断层、普渡河断层分隔，是研究青藏高原隆升的重要地质背景。

本区地层可划分明显的三个构造层，下部沉积盆地基底构造层是本区陆壳的基础，其下部（西部）为下元古界中、深变质的苴林群和大红山群（厚3330m），上部（东部）为中元古界浅变质具塑性褶皱基底的昆阳群（厚6000m）、太古界苴林群（康定群）结晶基底及早元古界大红山群、河口群、盐边群和中元古界昆阳群、会理群褶皱基底组成，主要出露于盆地周围和潜埋于盆地深部，楚雄地区中-新生代盆地含铁、铜、铅、锌多金属矿床，其基底结构是成矿的原始物源。

表部沉积盆地沉积充填体构造层包含从晚三叠世至第三纪期间在盆地内沉积的中、新生界，是构造断陷盆地的主体，主要为一套陆相碎屑岩组成，厚度大于万米，其沉积环境变迁和沉积相变反映楚雄盆地的发生、发展和沉积消亡的全过程，从下至上形成三种截然不同的含矿建造，该地层下部为上三叠世黑色含煤岩系，中间为侏罗纪、白垩纪红色含铜岩系，上部为第三系为白色含膏盐岩系。

2.稳定性分析

空区的稳定受地层岩性、构造、风化及后期采矿活动的控制，该区白垩纪上统江底河组（K2j）为半硬中厚层泥岩、粉砂岩不等厚互层岩组，岩石质量中等-较好，岩石基本质量等级Ⅲ～Ⅱ级；白垩系上统马头山组大村段（K2md）为半坚硬中厚层状砂质泥岩、粉砂岩不等厚互层岩组，岩石质量中等-较好，岩石基本质量等级Ⅲ―Ⅱ级；白垩系上统马头山组六苴上亚段-中亚段段（K2ml3-K2ml2）为半坚硬中厚层状砂质泥岩与不等厚砂岩互层岩组，岩石质量中等-较好，岩石基本质量等级Ⅲ～Ⅱ级；白垩系上统马头山组六苴下亚段（K2ml1）为坚硬岩组岩性以细-中粒、含砾长石石英砂岩为主，为六苴矿床主要含矿层位（Ⅰ号矿体），岩石质量中等-较好，岩石基本质量等级Ⅱ～Ⅰ级；白垩系下统普昌河组（K1p）：半坚硬厚层状泥岩岩组，岩石质量中等-较好，岩石基本质量等级Ⅲ～Ⅳ级。

区内断裂性质主要以压扭性、扭性、张（扭）型为主。多见层间压扭性断裂及切层张扭性断裂，结构面平直，主要以NW及NE向断裂为主，断裂宽度从紧闭～3.5m不等，胶结物以砂泥质为主，断裂带胶结紧密，有少量滴水，无大的坍塌、片邦、冒顶现象发生，但在断裂破碎带派生的密集劈理化带中，并且工作面范围较大时有少量冒顶、片邦现象。总体而言，岩体中的断层构造面及节理裂隙密集区所占的比重很小，对矿体开采具有一定影响。

各段之间以及不同的岩性界面间的层间破碎带，宽几毫米到几十厘米，胶结物为砂、石英，节理、裂隙发育。在降雨过程中，岩层破裂，再受雨水等风化营力的影响，会进一步破坏岩体，破坏其完整性，并在地下水的影响下，局部出现软化现象。在开采过程中，由于井巷围岩发生更多泥化，从而导致巷道围岩的稳定性下降，从而构成矿山开采的安全隐患，严重影响矿体稳定。

该区风化带普遍发育，大部分为强风带，在氧化作用下，其生成的酸性物质会加快其渗入岩体的速率，加剧其风化程度，进而导致井巷围岩的稳定性下降，从而导致矿体的崩落、坍塌、冒顶等矿井工程地质问题，严重影响矿体的稳定。通过实地调研，查明各中段空区、巷道中与工程地质有关的问题，发现空区及巷道垮落、坍塌、片帮等问题，多出现在岩石完整性不佳的紫色泥岩、砂质泥岩中，以及构造发育较好、风化严重的区域，如节理、裂隙等。

总体而言，矿体的顶板和底板都是以泥页岩为主，中间夹有薄砂岩，地层含水不高，是一种比较硬的岩石组合，总体来说稳定性比较好；矿体岩性以砂岩为主，地层富水，岩体为硬岩组，具有良好的稳定性；井巷和地下硐室结构比较稳定，没有大的洞室塌方，井巷无显著变形位移、塌落、冒顶现象。

二、铜矿地下采空区的处理

为有效防止采空区发生突发性事故，应从采空区本身的分布环境及周边地质环境入手，对采空区进行综合整治。在采空区与隔离层间充填大量采空区下垫料，可以有效地减轻采空区的压力、分散应力、防止周边岩体大面积垮落，危及人员采掘及仪器设备的安全；崩塌周围岩石处理采空区的方法分为爆破崩塌和自然崩塌，如果周围岩性较为稳定，当不能满足自然垮塌条件时，可选择爆破法进行周边岩体的坍方。爆破崩塌法造价高，其爆破范围、数量和时间等都是可以控制的，所以此方法为常用的地下采空区处理方法。当采空区隔水层厚度很大时，采场很大程度上没有落岩，需要用崩落的上下方围岩填充石垫层；并利用崩落法处理，如果矿体的厚度很大，而崩落上面的岩层无法达到崩落条件，则崩落下方岩石，增大岩石垫层的厚度。

在铜矿的开采活动中，随着采空区中段的生产产量逐渐降低，可将其中间部分埋置，使其两侧形成单独的空间。若单个采空区远离主铜矿体或矿区，则采空区下部将丧失其应有的功能。针对这类采空区，为了防止采空区整体垮落产生的气流冲击等灾害，在采空区治理时，应在运输线路和施工巷道上修筑坚固的隔墙，对其进行封堵，这种方法的优势是简单而高效。

三、地下采空区治理技术现状

目前地下采空区处理工艺种类繁多、工艺复杂，常规方法有充填法、支护法、围封法等。在采空区内灌注砂石、废石或水泥等物质，可以有效地降低地面沉陷，保持围岩的稳定性。支护采用锚杆、锚索和钢拱架等支护结构，对采空区进行支护，使其能够抵抗围岩的变形与损伤。封闭法就是通过在采空区四周设置隔离带，将人、机等阻隔在外，从而防止发生安全事故。伴随着科学技术的发展，新型治理技术不断涌现。微生物处理是指通过微生物的生化反应来提高岩体的物理和机械性质，从而达到提高采空区稳定性的目的。生态修复技术是指采空区及周围的生态环境，通过植草、改良土壤等措施来实现。采用传感器、数据分析及远程监测技术相结合的智能监测技术，可以有效地对采空区进行动态监测与预警。尽管治理技术不断进步，但仍存在一些问题。如对填料的选用、比例等进一步优化，才能更好地改善充填效果；应提高支撑结构的耐久性、可靠性；封闭式开采方式的实施费用高，对铜矿正常生产有很大的影响。然而，要实现该技术的实用化，还需要解决其技术成熟度、成本-效益以及对环境的冲击等问题。采空区治理技术正处于快速发展阶段，要满足铜矿安全生产的现实要求，还需进行技术革新与实践检验。

四、采空区治理技术优化

1.技术优化原则

地下采空区治理技术的优化原则是确保治理措施的安全性、经济性和环保性，同时提高治理效率和效果。安全性是指铜矿开采过程中，采空区塌陷、地面塌陷等地质灾害的发生，保证矿工及矿井设施的安全。经济性是指在保证安全的同时，最大限度地减少处理费用，提高资源的使用效率。环保性是指在处理过程中，要尽量减少污染物的排放、减少能耗、保护生态环境。在进行工艺优化时也要注意：通过新材料、新工艺、新装备的开发，提高工艺的科学性和实用性；技术上的整合，是指综合运用各种防治方法，形成针对矿井复杂变化情况的综合治理方案；技术改进，对现有技术进行持续改进和完善，增强适应性和可靠性。地下采空区治理工艺优化是一项系统工程，必须在保证安全、经济、环保的前提下，继续推进技术的革新与推广，才能达到铜矿安全与可持续发展的目的。

2.优化策略

地下采空区治理工艺优化应以提高处理效率、降低成本、提高安全性、降低对环境的冲击为重点。以技术创新为核心的治理工艺优化，其中包括研发新型高效填料，如高强度胶结充填体，研制开发智能化的监测与控制系统，对采空区的稳定性进行实时监测与动态管理。技术融合是综合治理的核心，利用充填和支护等多种防治手段，发挥各自的优势，提升治理效果。大力开展植被恢复、土壤改良等生态修复技术，推动采空区及周围环境的可持续发展。技术改进是提升现有治理技术性能的重要途径，即通过优化充填工艺、提高充填体密实程度及强度；改进支护结构设计，增强其抗变形能力和耐久性；同时，加强密闭措施，降低对矿井生产的冲击。政策支撑与市场驱动亦是促进治理技术优化的关键，政府应该制定相应的政策，鼓励企业采取先进的处理工艺，并给予一定的财政补贴、税收激励。在此基础上，构建完善的市场机制，通过竞争与协作，激发科技创新的动力，推动治理技术的快速迭代与推广。

3.优化方案设计

地下采空区治理工艺的优化设计，必须从提高处理效率、降低成本、提高安全性、降低对环境的冲击等方面进行。在对采空区进行详尽的地质调查与稳定评价的基础上，才能保证防治措施的针对性与实效性。为改善地基承载力，降低地面沉陷，采用高强度胶结充填等先进的充填材料及工艺。在支护技术方面，采用预应力锚杆和锚索，结合钢拱架或喷射混凝土，形成多层次的支护体系，增强采空区的整体稳定性。并在此基础上，引入智能监测技术，对采空区的变形、应力状况进行实时监测，并对处理方案进行适时调整。通过对采空区及周围生态环境进行生态修复，利用微生物处理等手段提高岩体的机械强度，并对其进行生态修复，实现对采空区及周围生态环境的修复。同时也要从经济角度出发，对建设过程、管理过程进行优化，以减少处理费用，提高资源利用率。

结论：铜矿采空区因其地形特点、稳定性等方面存在差异，因此，在对其进行治理时应选择适当的措施，以改善采空区的稳定性。同时，由于受到开采方法、开采使用的机械设备、以及爆破震动等因素的影响，采空区稳定性也面临着巨大的风险。对其进行稳定计算和分析，能够有效地缓解被破坏的采空区的稳定性，实现采空区的安全处理，进而保障铜矿开采时机械设备的安全使用和人们的生命财产安全。

参考文献

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