張建國(guó)， 姜瑞辰(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局勘查院， 廣東 廣州 510440)

1 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源需求量的不斷增長(zhǎng)，金屬礦山的開采速度也在同步加快，但因?yàn)殚_采技術(shù)、裝備等原因的限制，安全生產(chǎn)管理水平并未同步提升，各種地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給礦山安全高效開采造成極大影響[1]。我國(guó)礦產(chǎn)資源豐富，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前現(xiàn)存各種礦山數(shù)量9 000多座，每年因地質(zhì)災(zāi)害造成的損失將近300億元，嚴(yán)重破壞了礦山經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。因此，深入研究金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害類型及防治對(duì)策，進(jìn)一步安全高效、有力有序地提升地災(zāi)防治水平，具有重要意義。

2 金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害類型

金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害主要是指因人為開采或自然應(yīng)力變化引起礦山地質(zhì)環(huán)境變化，進(jìn)而出現(xiàn)冒頂、片幫、滑坡、巖爆、泥石流等地災(zāi)現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)和人員生命造成威脅。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，金屬礦山主要地災(zāi)類型有冒頂、巖爆、礦震、地表沉陷、滑坡、地下水破壞等，各類型占比如圖1所示[4-5]。

圖1 金屬礦山地質(zhì)災(zāi)害類型占比圖

2.1 冒頂

冒頂是金屬礦山開采中最常見的地質(zhì)災(zāi)害，多發(fā)生于采場(chǎng)頂部，因采動(dòng)后的應(yīng)力釋放，造成采場(chǎng)頂部巖體松動(dòng)掉落，通常呈現(xiàn)出塊狀、層狀冒落，冒落的碎石、巖塊等對(duì)采場(chǎng)工人安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅，輕則造成安全帽破裂，重則造成人員傷亡。冒頂具有突發(fā)性、偶然性，大多發(fā)生之前無(wú)征兆，預(yù)防難度大。

2.2 片幫

片幫與冒頂機(jī)理類似，通常發(fā)生于巷道、采場(chǎng)的幫部，尤其是大面積裸露或支護(hù)較弱的區(qū)域，發(fā)生原因是因?yàn)閼?yīng)力釋放造成的巖體推出、松動(dòng)垮落等，片幫易造成支護(hù)失效、損壞設(shè)備、通風(fēng)阻力增大等問題[6]。

2.3 地表沉陷

隨著礦產(chǎn)資源被采出，采空區(qū)上覆巖層逐漸垮塌、沉降，這種巖層移動(dòng)將逐漸傳遞至地表，進(jìn)而引起地表沉降、塌陷，對(duì)建筑物、構(gòu)筑物、公路、管線等帶來(lái)隱患。采空區(qū)頂板的突然垮落也會(huì)造成井下風(fēng)暴或礦震，巨大的沖擊對(duì)設(shè)備及人員安全造成威脅。

2.4 巖爆

巖爆是采動(dòng)造成應(yīng)力失衡的結(jié)果，采深達(dá)千米往下，采礦環(huán)境處于深部高應(yīng)力作用范圍內(nèi)，一旦發(fā)生應(yīng)力釋放，極易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為爆裂及石塊飛出，石塊飛出速度、數(shù)量、大小等與采深及巖石強(qiáng)度有關(guān)[7]。一旦發(fā)生巖爆，井下設(shè)備、巷道完整性等將會(huì)遭到破壞，造成嚴(yán)重危害。

2.5 崩塌

崩塌是金屬礦山較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，當(dāng)金屬礦山采用空?qǐng)龇ā⒘舻V法、崩落法等方法開采時(shí)，在采場(chǎng)后方會(huì)留下空區(qū)，隨著開采范圍逐漸增大，空區(qū)范圍也在增加，當(dāng)空區(qū)面積增大到一定程度后，巖層強(qiáng)度不足以支撐上覆巖層重力，導(dǎo)致采空區(qū)崩塌，程度較強(qiáng)時(shí)通常伴隨礦震，危害較大[8]。

2.6 泥石流

露天開采的采場(chǎng)，遇到雨季時(shí)，泥石流是比較常見的地質(zhì)災(zāi)害，大量的雨水浸泡，會(huì)造成巖體膨脹失穩(wěn)，導(dǎo)致山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，一旦泥石流在采場(chǎng)內(nèi)形成，后果不堪設(shè)想。井工開采的金屬礦山，若礦山裂隙最終與地表聯(lián)通，則地表水會(huì)沿裂隙進(jìn)入采場(chǎng)，造成地下泥石流，造成掩埋破壞。

2.7 地下水破壞

目前，對(duì)于井田范圍內(nèi)的地下水，暫時(shí)還沒有特別有效的保護(hù)措施，大多是在開采前將積水抽出，以消除地下水害威脅。但地下水往往是主要農(nóng)業(yè)水源，抽水往往造成附近大面積的地下水破壞，容易導(dǎo)致農(nóng)業(yè)缺水、地表干旱等情況，在一定程度上破壞了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有利條件。

2.8 其他地質(zhì)災(zāi)害

金屬礦山在開采過程中，會(huì)向地表排出污水，造成環(huán)境污染，矸石和尾礦的堆積，一方面占用土地，另一方面也在滲透破壞局部生態(tài)環(huán)境。

3 地質(zhì)災(zāi)害成因分析

無(wú)論是片幫、冒頂，還是巖爆、崩塌、泥石流，其本質(zhì)原因還是因?yàn)樵械刭|(zhì)環(huán)境的改變或破壞，導(dǎo)致原有的平衡被打破，根據(jù)類型，將地質(zhì)災(zāi)害成因分為自然原因和人為原因[9]。

3.1 自然原因

礦山開采過程中，因礦體本身性質(zhì)特點(diǎn)造成的地質(zhì)災(zāi)害，如由礦體本身的強(qiáng)度低、構(gòu)造多、條件不穩(wěn)定等因素造成的崩塌、礦震，一旦達(dá)到災(zāi)害所需最低條件，就可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害事故，必須從切斷自然災(zāi)害形成要素、強(qiáng)化監(jiān)控監(jiān)測(cè)等方面入手，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，隨時(shí)防止災(zāi)害發(fā)生。

3.2 人為原因

原本穩(wěn)定的礦山，在采掘開挖后，原有的應(yīng)力平衡被打破，進(jìn)而造成一系列的冒頂、崩塌、水害等地質(zhì)災(zāi)害。如突水、透水是在人為打通下含水層，導(dǎo)致水流不斷涌入采場(chǎng)的現(xiàn)象；冒頂、片幫，一方面是因?yàn)榈V體本身強(qiáng)度不大，再加上人工開挖后，支護(hù)沒有滿足穩(wěn)定需求，造成巖體垮落；崩塌滑坡也是由于礦體被采出后，邊坡或上覆巖層失去支撐而坍塌的現(xiàn)象，主要原因還是人為開采造成的地質(zhì)失穩(wěn)。此類地質(zhì)災(zāi)害，要從加強(qiáng)開采后的支撐、支護(hù)來(lái)避免。

4 防治對(duì)策及措施

4.1 技術(shù)對(duì)策措施

1)冒頂、片幫防控措施

預(yù)防冒頂、片幫的核心辦法是合理采用采礦方法，科學(xué)控制頂板。在工作面布置及回采時(shí)，嚴(yán)格遵循“自上而下、由遠(yuǎn)而近”的采掘程序，提高采礦效率，縮短回采周期，減少礦體上覆巖層裸露時(shí)間[10]。加強(qiáng)管理培訓(xùn)，對(duì)工作面頂板要加強(qiáng)支護(hù)管理、必要時(shí)采用離層觀測(cè)儀，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、檢查。檢查中發(fā)現(xiàn)有冒頂、片幫征兆的，及時(shí)停止作業(yè)、撤退人員、緊急修復(fù)。

2)地表沉陷防控措施

為有效防止地表沉陷，可以選擇采用房柱式開采等方法延緩采空區(qū)垮落，降低礦震發(fā)生頻率，降低地表沉陷幅度。也可以使用充填法開采，通過對(duì)采空區(qū)注入充填物，來(lái)代替原本因?yàn)椴沙龆サ闹瘟?，?lái)防止或減弱上覆巖層垮落程度，進(jìn)而減少地表沉陷。為了增強(qiáng)效果，可以使用注漿的方式，對(duì)充填后的裂隙帶進(jìn)行封堵，以增強(qiáng)填充帶的支撐強(qiáng)度。

3)巖爆防控措施

巖爆的發(fā)生機(jī)理，雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，但目前尚未形成統(tǒng)一可信的理論結(jié)果。實(shí)踐更傾向于巖石的應(yīng)力集中被破壞時(shí)的彈性釋放，因此，巖爆的預(yù)防需要加強(qiáng)規(guī)范化管理，在穿層開采、揭露礦體等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)地質(zhì)探查，做好應(yīng)力釋放相關(guān)措施。

4)突水、透水防控措施

歷史上，我國(guó)曾遭受水害困擾多年，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在地下水害防治方面做了大量深入細(xì)致研究，對(duì)突水、透水機(jī)理提出了許多防治理論措施，較為先進(jìn)的是弱保護(hù)區(qū)采用挖掘機(jī)補(bǔ)帷幕的防治技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)堵水、防水。但在開采過程中，也要加強(qiáng)對(duì)含水層、積水帶的超前探測(cè)、超前排水，準(zhǔn)確測(cè)算隔離帶，有效保障采場(chǎng)安全。

5)TSP物探法

作為當(dāng)前世界范圍內(nèi)較為先進(jìn)的TSP203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在采礦業(yè)內(nèi)發(fā)揮著極其重要的作用，是地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要設(shè)備。該設(shè)備由瑞士安伯格公司研制開發(fā)，通過局部設(shè)置微量爆破形成震源，進(jìn)而測(cè)量回聲的方式得到探測(cè)范圍內(nèi)的異常點(diǎn)，由此判定連續(xù)礦體內(nèi)的異物范圍?？蓮V泛應(yīng)用于工作面前方近500m、掘進(jìn)面前方130m范圍內(nèi)的物質(zhì)探查，具有準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、應(yīng)用場(chǎng)景多等特點(diǎn)?？捎行ьA(yù)測(cè)工作面前方存在的斷層、裂隙、積水等，以便給礦山管理提供準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的位置、規(guī)模等信息，有效降低崩塌、突水、泥石流等災(zāi)害發(fā)生。

6)直流電法勘探

直流電法勘測(cè)原理，以巖體、異物導(dǎo)電性不同為基礎(chǔ)，水體的導(dǎo)電性強(qiáng)于巖體，斷層、裂隙的導(dǎo)電性弱于巖體，以此為理論基礎(chǔ)，通過在礦山局部建立穩(wěn)定電場(chǎng)，對(duì)比不同位置電場(chǎng)的強(qiáng)弱變化，來(lái)判定局部區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造帶、含水積水等地災(zāi)隱患情況。

7)其他探測(cè)法

目前常用的一些探測(cè)方法還有紅外探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)、打超前鉆孔等方法，紅外探測(cè)準(zhǔn)確度高但穿透力弱，地質(zhì)雷達(dá)覆蓋范圍廣但容易受干擾，超前鉆孔探測(cè)數(shù)據(jù)可信度高但施工難度大，各種方法均有其優(yōu)劣勢(shì)，需要根據(jù)礦山開采過程的具體問題具體使用，也可根據(jù)實(shí)際情況搭配使用，在搭配使用時(shí)需提前做好地災(zāi)防護(hù)。

4.2 管理對(duì)策措施

在技術(shù)上加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害的專項(xiàng)治理的同時(shí)，管理上的預(yù)防也要及時(shí)跟上，也就是“防治結(jié)合”。

1)加強(qiáng)地災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

對(duì)地質(zhì)災(zāi)害，尤其是自然原因下的礦山地質(zhì)災(zāi)害，要通過科技手段加強(qiáng)預(yù)判，強(qiáng)化管理。冒頂、片幫等可采用位移計(jì)不間斷監(jiān)測(cè)頂部、幫部位移變化，一旦發(fā)生快速移動(dòng)，即可發(fā)出警報(bào)；對(duì)積水、瓦斯等，要運(yùn)用相應(yīng)的探測(cè)器，聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化，為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)、防治提供準(zhǔn)確信息支持。

2)合理規(guī)劃開采

合理設(shè)計(jì)采礦方法，合理采礦布局，嚴(yán)格按照先遠(yuǎn)后進(jìn)、先上后下的順序采出礦體，加強(qiáng)對(duì)特殊區(qū)域、特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防力度，包括應(yīng)急方案、應(yīng)急設(shè)備等，保證發(fā)現(xiàn)巖體變形就能及時(shí)有效處置，且不耽誤采礦工作進(jìn)行；切忌無(wú)序開采、隨意開挖，導(dǎo)致出現(xiàn)巖體非正常破壞、開裂、崩塌，進(jìn)而造成意外事故。對(duì)于容易出現(xiàn)積水的區(qū)域，尤其是滲透率較強(qiáng)的礦山，要及時(shí)疏排水，防止裂隙貫通或邊坡失穩(wěn)造成泥石流。

3)建立地質(zhì)災(zāi)害信息庫(kù)

分區(qū)域?qū)饘俚V山可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行深入普查，按照區(qū)域主要地質(zhì)災(zāi)害類型、頻次、傾向、防范措施等目錄，形成區(qū)域內(nèi)可用可查可預(yù)報(bào)的地質(zhì)災(zāi)害信息庫(kù)，通過與GIS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的信息共享，同時(shí)，加強(qiáng)信息補(bǔ)充完善，切實(shí)幫助區(qū)域內(nèi)礦山企業(yè)在預(yù)防、治理地質(zhì)災(zāi)害方面提供有效的信息支持，為政府科學(xué)管理提供有效抓手。

4)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管理

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是一系列復(fù)雜的過程，但大多具有蛛絲馬跡可尋，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)管，可以在地質(zhì)災(zāi)害苗頭出現(xiàn)時(shí)，即可采取有效的預(yù)防措施，降低災(zāi)害發(fā)生的可能性。同時(shí)，要加大對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完善管理，減少干擾，提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可信度、準(zhǔn)確度。主要做到以下三點(diǎn)：一是全程監(jiān)測(cè)，細(xì)化方案，確保監(jiān)測(cè)的連續(xù)有效。二是加強(qiáng)專業(yè)化監(jiān)測(cè)隊(duì)伍建設(shè)，在專業(yè)技術(shù)、責(zé)任意識(shí)、團(tuán)結(jié)協(xié)作方面加強(qiáng)培訓(xùn)教育，確保監(jiān)測(cè)過程的真實(shí)可靠。三是規(guī)范監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置，同時(shí)強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)管理，對(duì)設(shè)備損害的及時(shí)補(bǔ)充更換。

5)科學(xué)合理開采資源

國(guó)家對(duì)資源開采及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域十分重視，先后頒布了一系列法律條文，制定了許多政策性文件，用以規(guī)范指導(dǎo)礦產(chǎn)資源開采領(lǐng)域的相關(guān)工作。各地在開采礦產(chǎn)資源的同時(shí)，要充分考慮資源的采出率，做到不浪費(fèi)；也要考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害危害性的宣傳教育，注重發(fā)動(dòng)群眾力量參與地質(zhì)災(zāi)害防治，尤其是居住在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域附近的居民，要進(jìn)一步加大科技應(yīng)用力度，增強(qiáng)防范效果，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

6)因地制宜，綜合防治

地質(zhì)災(zāi)害的防治需要根據(jù)具體礦山的實(shí)際情況，參照同類型地質(zhì)條件下的地災(zāi)防治措施有效實(shí)施，必須做到因地制宜地選擇合適的預(yù)防措施，確保地質(zhì)災(zāi)害可監(jiān)測(cè)、可預(yù)判，發(fā)生后可處置能解決，逐步形成適合本礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害綜合防治措施體系。

5 結(jié)論

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)礦山資源的需求會(huì)逐漸增大，我國(guó)的金屬礦山，存在著種類多、數(shù)量大、分布廣等特點(diǎn)，且我國(guó)地形地貌多樣、地質(zhì)類型復(fù)雜，礦山安全管理難度較大，技術(shù)上還存在一定局限性，因此，必須加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害類型的分析歸納，結(jié)合新知識(shí)新技術(shù)，提出科學(xué)合理的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，防治結(jié)合，有效減少地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。在采礦方法、開拓布局方面加強(qiáng)研究，切實(shí)保證采礦布局的科學(xué)合理，充分利用采礦、巖土、安全等各學(xué)科的前沿理論技術(shù)，加強(qiáng)統(tǒng)籌合作，為金屬礦山的安全高效開采貢獻(xiàn)技術(shù)力量。