金属矿山主要地质灾害类型分析与防治对策研究

张建国， 姜瑞辰(中国煤炭地质总局广东煤炭地质局勘查院， 广东 广州 510440)

1 前言

随着经济发展对矿产资源需求量的不断增长，金属矿山的开采速度也在同步加快，但因为开采技术、装备等原因的限制，安全生产管理水平并未同步提升，各种地质灾害频发，给矿山安全高效开采造成极大影响[1]。我国矿产资源丰富，据统计，目前现存各种矿山数量9 000多座，每年因地质灾害造成的损失将近300亿元，严重破坏了矿山经济效益[2-3]。因此，深入研究金属矿山地质灾害类型及防治对策，进一步安全高效、有力有序地提升地灾防治水平，具有重要意义。

2 金属矿山地质灾害类型

金属矿山地质灾害主要是指因人为开采或自然应力变化引起矿山地质环境变化，进而出现冒顶、片帮、滑坡、岩爆、泥石流等地灾现象，给安全生产和人员生命造成威胁。根据生产实践，金属矿山主要地灾类型有冒顶、岩爆、矿震、地表沉陷、滑坡、地下水破坏等，各类型占比如图1所示[4-5]。

图1 金属矿山地质灾害类型占比图

2.1 冒顶

冒顶是金属矿山开采中最常见的地质灾害，多发生于采场顶部，因采动后的应力释放，造成采场顶部岩体松动掉落，通常呈现出块状、层状冒落，冒落的碎石、岩块等对采场工人安全带来严重威胁，轻则造成安全帽破裂，重则造成人员伤亡。冒顶具有突发性、偶然性，大多发生之前无征兆，预防难度大。

2.2 片帮

片帮与冒顶机理类似，通常发生于巷道、采场的帮部，尤其是大面积裸露或支护较弱的区域，发生原因是因为应力释放造成的岩体推出、松动垮落等，片帮易造成支护失效、损坏设备、通风阻力增大等问题[6]。

2.3 地表沉陷

随着矿产资源被采出，采空区上覆岩层逐渐垮塌、沉降，这种岩层移动将逐渐传递至地表，进而引起地表沉降、塌陷，对建筑物、构筑物、公路、管线等带来隐患。采空区顶板的突然垮落也会造成井下风暴或矿震，巨大的冲击对设备及人员安全造成威胁。

2.4 岩爆

岩爆是采动造成应力失衡的结果，采深达千米往下，采矿环境处于深部高应力作用范围内，一旦发生应力释放，极易出现岩爆现象，主要表现为爆裂及石块飞出，石块飞出速度、数量、大小等与采深及岩石强度有关[7]。一旦发生岩爆，井下设备、巷道完整性等将会遭到破坏，造成严重危害。

2.5 崩塌

崩塌是金属矿山较为严重的地质灾害之一，当金属矿山采用空场法、留矿法、崩落法等方法开采时，在采场后方会留下空区，随着开采范围逐渐增大，空区范围也在增加，当空区面积增大到一定程度后，岩层强度不足以支撑上覆岩层重力，导致采空区崩塌，程度较强时通常伴随矿震，危害较大[8]。

2.6 泥石流

露天开采的采场，遇到雨季时，泥石流是比较常见的地质灾害，大量的雨水浸泡，会造成岩体膨胀失稳，导致山体滑坡、泥石流等地质灾害，一旦泥石流在采场内形成，后果不堪设想。井工开采的金属矿山，若矿山裂隙最终与地表联通，则地表水会沿裂隙进入采场，造成地下泥石流，造成掩埋破坏。

2.7 地下水破坏

目前，对于井田范围内的地下水，暂时还没有特别有效的保护措施，大多是在开采前将积水抽出，以消除地下水害威胁。但地下水往往是主要农业水源，抽水往往造成附近大面积的地下水破坏，容易导致农业缺水、地表干旱等情况，在一定程度上破坏了农业生产的有利条件。

2.8 其他地质灾害

金属矿山在开采过程中，会向地表排出污水，造成环境污染，矸石和尾矿的堆积，一方面占用土地，另一方面也在渗透破坏局部生态环境。

3 地质灾害成因分析

无论是片帮、冒顶，还是岩爆、崩塌、泥石流，其本质原因还是因为原有地质环境的改变或破坏，导致原有的平衡被打破，根据类型，将地质灾害成因分为自然原因和人为原因[9]。

3.1 自然原因

矿山开采过程中，因矿体本身性质特点造成的地质灾害，如由矿体本身的强度低、构造多、条件不稳定等因素造成的崩塌、矿震，一旦达到灾害所需最低条件，就可能发生地质灾害事故，必须从切断自然灾害形成要素、强化监控监测等方面入手，加强现场管理，随时防止灾害发生。

3.2 人为原因

原本稳定的矿山，在采掘开挖后，原有的应力平衡被打破，进而造成一系列的冒顶、崩塌、水害等地质灾害。如突水、透水是在人为打通下含水层，导致水流不断涌入采场的现象；冒顶、片帮，一方面是因为矿体本身强度不大，再加上人工开挖后，支护没有满足稳定需求，造成岩体垮落；崩塌滑坡也是由于矿体被采出后，边坡或上覆岩层失去支撑而坍塌的现象，主要原因还是人为开采造成的地质失稳。此类地质灾害，要从加强开采后的支撑、支护来避免。

4 防治对策及措施

4.1 技术对策措施

1)冒顶、片帮防控措施

预防冒顶、片帮的核心办法是合理采用采矿方法，科学控制顶板。在工作面布置及回采时，严格遵循“自上而下、由远而近”的采掘程序，提高采矿效率，缩短回采周期，减少矿体上覆岩层裸露时间[10]。加强管理培训，对工作面顶板要加强支护管理、必要时采用离层观测仪，加强监测、检查。检查中发现有冒顶、片帮征兆的，及时停止作业、撤退人员、紧急修复。

2)地表沉陷防控措施

为有效防止地表沉陷，可以选择采用房柱式开采等方法延缓采空区垮落，降低矿震发生频率，降低地表沉陷幅度。也可以使用充填法开采，通过对采空区注入充填物，来代替原本因为采出而失去的支撑力，来防止或减弱上覆岩层垮落程度，进而减少地表沉陷。为了增强效果，可以使用注浆的方式，对充填后的裂隙带进行封堵，以增强填充带的支撑强度。

3)岩爆防控措施

岩爆的发生机理，虽然国内外许多学者进行了长期研究，但目前尚未形成统一可信的理论结果。实践更倾向于岩石的应力集中被破坏时的弹性释放，因此，岩爆的预防需要加强规范化管理，在穿层开采、揭露矿体等关键节点，加强地质探查，做好应力释放相关措施。

4)突水、透水防控措施

历史上，我国曾遭受水害困扰多年，国内众多学者在地下水害防治方面做了大量深入细致研究，对突水、透水机理提出了许多防治理论措施，较为先进的是弱保护区采用挖掘机补帷幕的防治技术，有效实现堵水、防水。但在开采过程中，也要加强对含水层、积水带的超前探测、超前排水，准确测算隔离带，有效保障采场安全。

5)TSP物探法

作为当前世界范围内较为先进的TSP203超前地质预报系统，在采矿业内发挥着极其重要的作用，是地质预测预报的重要设备。该设备由瑞士安伯格公司研制开发，通过局部设置微量爆破形成震源，进而测量回声的方式得到探测范围内的异常点，由此判定连续矿体内的异物范围。可广泛应用于工作面前方近500m、掘进面前方130m范围内的物质探查，具有准确度高、测量范围大、应用场景多等特点。可有效预测工作面前方存在的断层、裂隙、积水等，以便给矿山管理提供准确的地质灾害危险源的位置、规模等信息，有效降低崩塌、突水、泥石流等灾害发生。

6)直流电法勘探

直流电法勘测原理，以岩体、异物导电性不同为基础，水体的导电性强于岩体，断层、裂隙的导电性弱于岩体，以此为理论基础，通过在矿山局部建立稳定电场，对比不同位置电场的强弱变化，来判定局部区域内的地质构造带、含水积水等地灾隐患情况。

7)其他探测法

目前常用的一些探测方法还有红外探测、地质雷达、打超前钻孔等方法，红外探测准确度高但穿透力弱，地质雷达覆盖范围广但容易受干扰，超前钻孔探测数据可信度高但施工难度大，各种方法均有其优劣势，需要根据矿山开采过程的具体问题具体使用，也可根据实际情况搭配使用，在搭配使用时需提前做好地灾防护。

4.2 管理对策措施

在技术上加强对重点地质灾害的专项治理的同时，管理上的预防也要及时跟上，也就是“防治结合”。

1)加强地灾预测预报

对地质灾害，尤其是自然原因下的矿山地质灾害，要通过科技手段加强预判，强化管理。冒顶、片帮等可采用位移计不间断监测顶部、帮部位移变化，一旦发生快速移动，即可发出警报；对积水、瓦斯等，要运用相应的探测器，联网实时监控数据变化，为地质灾害的预测、防治提供准确信息支持。

2)合理规划开采

合理设计采矿方法，合理采矿布局，严格按照先远后进、先上后下的顺序采出矿体，加强对特殊区域、特殊时间节点的地质灾害预防力度，包括应急方案、应急设备等，保证发现岩体变形就能及时有效处置，且不耽误采矿工作进行；切忌无序开采、随意开挖，导致出现岩体非正常破坏、开裂、崩塌，进而造成意外事故。对于容易出现积水的区域，尤其是渗透率较强的矿山，要及时疏排水，防止裂隙贯通或边坡失稳造成泥石流。

3)建立地质灾害信息库

分区域对金属矿山可能发生的地质灾害进行深入普查，按照区域主要地质灾害类型、频次、倾向、防范措施等目录，形成区域内可用可查可预报的地质灾害信息库，通过与GIS、网络技术相结合，实现区域内的信息共享，同时，加强信息补充完善，切实帮助区域内矿山企业在预防、治理地质灾害方面提供有效的信息支持，为政府科学管理提供有效抓手。

4)加强监测管理

地质灾害的发生是一系列复杂的过程，但大多具有蛛丝马迹可寻，加强监测监管，可以在地质灾害苗头出现时，即可采取有效的预防措施，降低灾害发生的可能性。同时，要加大对监测系统的完善管理，减少干扰，提高监测数据的可信度、准确度。主要做到以下三点：一是全程监测，细化方案，确保监测的连续有效。二是加强专业化监测队伍建设，在专业技术、责任意识、团结协作方面加强培训教育，确保监测过程的真实可靠。三是规范监测设备的布置，同时强化现场管理，对设备损害的及时补充更换。

5)科学合理开采资源

国家对资源开采及环境保护领域十分重视，先后颁布了一系列法律条文，制定了许多政策性文件，用以规范指导矿产资源开采领域的相关工作。各地在开采矿产资源的同时，要充分考虑资源的采出率，做到不浪费；也要考虑对生态环境的影响，加强对地质灾害的监测预报，加强地质灾害危害性的宣传教育，注重发动群众力量参与地质灾害防治，尤其是居住在地质灾害区域附近的居民，要进一步加大科技应用力度，增强防范效果，确保人民生命财产安全。

6)因地制宜，综合防治

地质灾害的防治需要根据具体矿山的实际情况，参照同类型地质条件下的地灾防治措施有效实施，必须做到因地制宜地选择合适的预防措施，确保地质灾害可监测、可预判，发生后可处置能解决，逐步形成适合本矿区的地质灾害综合防治措施体系。

5 结论

经济发展对矿山资源的需求会逐渐增大，我国的金属矿山，存在着种类多、数量大、分布广等特点，且我国地形地貌多样、地质类型复杂，矿山安全管理难度较大，技术上还存在一定局限性，因此，必须加强对地质灾害类型的分析归纳，结合新知识新技术，提出科学合理的预测预报方法，防治结合，有效减少地质灾害发生。在采矿方法、开拓布局方面加强研究，切实保证采矿布局的科学合理，充分利用采矿、岩土、安全等各学科的前沿理论技术，加强统筹合作，为金属矿山的安全高效开采贡献技术力量。