大紅山鐵礦地表塌陷坑回填治理方案

徐士申

(昆鋼集團玉溪大紅山礦業有限公司)

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大紅山鐵礦地表塌陷坑回填治理方案

徐士申

(昆鋼集團玉溪大紅山礦業有限公司)

摘要結合大紅山鐵礦地表塌陷坑現狀，分析了塌陷坑存在的危害性，通過總結國內外塌陷坑回填治理的相關經驗，闡述了采用回填方案治理塌陷坑的意義及優點。在前期充分研究大紅山塌陷坑及巖移發展規律的基礎上，規劃采用回填方式治理塌陷坑，提出了適合大紅山鐵礦塌陷坑特定環境的回填治理方案，并提出了確保回填作業安全的技術措施，供類似礦山參考。

關鍵詞地表塌陷坑回填治理治理方案技術措施

地下開采形成空區后，使得周圍的巖體失去平衡，將引起應力重新分布，在重力作用下，導致巖層發生大規模移動，使地表產生塌陷，給礦區地表周圍環境及建(構)筑物帶來嚴重危害[1-3]。礦體在采用崩落法[4-8]落礦后，塌陷漏斗內的崩落巖石迅速充填采空區，充填采空區圍巖散體的密實度、強度均小于原有礦體，采空區上部巖石楔形體在自身重力的作用下，使得靠近地表的原巖體內產生拉應力，最終導致拉伸斷裂的產生并擴展形成塌陷坑。為此，本研究以大紅山鐵礦為例，通過分析該礦區地表塌陷坑的危害，對塌陷區回填治理方案進行探討。

1塌陷坑現狀及危害

1.1塌陷坑現狀

大紅山鐵礦地下開采生產至今，主要在Ⅱ1#主礦體400～705 m標高部分進行回采，采用高分段大間距無底柱分段崩落法開采，經多年開采，采空區不斷擴大，巖層活動頻繁，地壓危害也在不斷加大。為確保安全生產，礦山進行了地壓監測，為盡量減小地壓活動可能帶來的災害損失，大紅山鐵礦于2012年對主采區冒落區上部巖體進行了硐室爆破。地表開裂最早發生于深部主采空區投影至地表范圍的東北角，接著發展至480 m采空區的正上方地表，隨后地表開裂與沉降快速發展，至2013年底，地表明顯的開裂區域已連接成1個以開采后的采空區為中心的閉合圈，開裂范圍與程度顯著增加。2013年至今，地表塌陷區裂縫范圍在東北及東部方向變化較小，主要向西南及南部方向發展，與地下開采的推進方向一致。截至目前，主采空區上方地表已形成的裂縫范圍達0.36 km2，局部區域最大下沉高度約9 m。礦區塌陷坑的分布情況見圖1、圖2。為防止人員和牲畜誤入塌陷坑，在塌陷坑四周用鐵絲網設置了圍欄，作為地表安全警戒線。

圖1　礦區地表塌陷范圍

圖2　礦區地表塌陷現狀

1.2塌陷坑危害

(1)威脅人身安全。突發的地表大規模下沉開裂易導致在其上部活動的人員墜入塌陷坑，造成人身傷害，如2008年6月25日12時30分左右，安徽省繁昌縣境內馬鋼集團所屬桃沖礦業公司崩落塌陷區發生了地表坍塌，引起山體滑坡，正在非法撿礦的農民被埋，12人下落不明。

(2)破壞植被、毀壞耕地、導致農業歉收或絕收。塌陷坑的形成導致地表產生開裂及下沉，對于耕地較少的地區而言，將進一步減少耕地面積，無法種植農作物。周邊地表植被遭受破壞，遇大風天氣時還會引起揚砂，給當地居民生產、生活造成了極大危害。

(3)破壞地表、地下水資源。地下開采形成采空區后，巖體原始應力狀態遭到破壞，上覆巖體內可能存在的含水層被破壞，當地下巖體裂隙破壞涉及到地表時，地表水體也將漏失。另外，隨著礦石的開采，大量礦山產生的污水、廢水被排放至地表河(湖)，另一部分則積存于塌陷坑內并沿井巷、巖石裂縫倒灌流入采空區內，造成雙向污染或惡性突水。未經處理的礦山污水成分復雜，含有大量有毒有害物質，危及人類及生物生存。

(4)破壞生態平衡、改變自然景觀、降低環境質量。由地下開采引發的地表塌陷干擾和破壞了生態系統中生物賴以生存的地形地貌、土質養分、水文地質、區域氣候等主要生存環境，導致物種減少、動物遷移、微生物流失，使得生態平衡破壞，生態系統瓦解。

(5)破壞地面建(構)筑物。在地表存在公路、鐵路及建(構)筑物下進行的開采活動，易造成地表移動變形和塌陷，將對各類人工建(構)筑物產生有害影響，對在地表居住或從事相關活動的人員構成了巨大的安全威脅，不得不對公路進行改道，對人員進行遷移，造成了巨大的經濟損失。

(6)塌陷后誘發新的地質災害。位于山區塌陷坑易誘發山體破壞、崩塌、泥石流等地質災害。一旦山體崩落或地表塌陷，來勢兇猛，威力巨大，崩落的巖體和砂石會沖毀、壓塌井下巷道，破壞地面建(構)筑物，掩埋機器設備，造成人員傷亡，堵塞交通道路。若采空區接通地表，地表塌陷引發的山洪易灌入井下，泥石流會掩埋、損壞井巷及配套設施。若地表塌陷引動地面松散體產生泥石流便會造成巨大的經濟損失，產生不良的社會影響。

2回填治理方案研究基礎

2.1塌陷坑治理原則

(1)塌陷坑治理應以地表現場調研、井下采空區現狀分析、采空區頂板冒落以及地表巖移研究為基礎，治理方案應安全可靠、措施可行、技術過關。

(2)應結合礦山企業實際情況制定切合實際、經濟可行的治理方案，且方案的實施應能較好地緩解礦山與附近居民之間的矛盾。

(3)治理方案須得到當地政府安監和安全環保部門的認可和支持。

(4)方案的實施在消除地表隱患和礦區環境治理的同時，應能取得良好的經濟、社會效益。

(5)塌陷坑綜合治理過程中和治理后，須進行必要的井上、井下監控和采取必要的監管措施。

2.2塌陷坑治理的相關經驗

國內外對于治理采空區地表塌陷的方法較多，但最常用的方法是回填治理法，該方法利用礦區附近的露天礦剝離物、粉煤灰、礦渣等現場材料進行回填，若在表層回填耕植土或采用微生物修復技術改良土壤，還可作為農地，既解決了塌陷問題，又解決了礦渣的處理問題，因而經濟效益較好。美國、加拿大等國將相當一部分廢棄礦山經過土質改良種植景觀植物建立公園、園藝林地，如加拿大布查花園、南非“黃金城”等。我國一些礦山如金山店鐵礦(圖3)、韋崗鐵礦等，相繼開展了塌陷坑的治理及研究工作，主要采取塌陷坑回填的方式，成效顯著。

2.3塌陷坑回填治理的前期研究

根據前期對井下采空區及塌陷坑的分析，隨著井下400 m及二期的開采，地表開裂范圍將繼續沿縱Ⅱ#勘探線向西南方向發展，而塌陷坑地表最先出現開裂下沉的東北部則無繼續加大的趨勢，該區域因硐室較大，爆破后上部巖層冒落至地表并在過去的2 a內被不同程度地密實，出現大規模下沉開裂的概率較低。

圖3　金山店鐵礦地表塌陷坑現場回填

2.4塌陷坑回填治理優點

(1)有效減緩上下盤巖體中裂隙的產生與發展。散體在充填采空區后，可對上部巖體提供一定的支撐力，采空區充填體將逐步受力，同時坑內側壓力的存在也可減緩上下盤近地表巖體的破壞程度。

(2)及時補充地下出礦時采出廢石散體的厚度，保證無底柱崩落法對覆蓋層厚度的要求，保證地下采礦時無底柱分段崩落法出礦的條件。

(3)防止井下泥石流的發生。若塌陷坑地表為第四系覆蓋層土，土質松軟，當地表塌陷坑未回填時，土體被沖刷入坑內后，一旦遇上雨季或暴雨，在外力的擾動下，大量富含飽和水的泥沙漿裹著碎石塊順著各散體塊之間的空隙迅速到達地下巷道形成泥石流。

(4)提高地表的錯動角和陷落角。根據經驗數據，移動角、崩落角可分別提高 2°～3°，意味著回填有效遏制了地采時地表塌陷繼續向周邊擴展的態勢，有利于礦區地表生態環境的恢復。

(5)恢復地表生態。在采用廢石回填治理塌陷坑后，可在表層繼續回填耕植土或采用微生物修復技術改良土壤，即可種植適合的草木植物，大大提高地表的生態環境質量。

(6)采用井下廢石或露天采場剝離出的廢石回填治理塌陷坑，可解決露天及井下采選廢石堆放占地污染環境的問題。

3回填治理方案及安全保障措施

3.1回填治理方案

通過對國內外塌陷坑回填成功經驗的總結研究，并實地考察了金山店鐵礦、韋崗鐵礦現場回填方案的實施及組織管理，在充分研究大紅山塌陷坑及巖移發展規律的基礎上，本研究規劃采用回填方式治理塌陷坑，回填材料主要為大紅山鐵礦露天礦各臺階剝離廢石，規劃塌陷坑堆置采用單臺階覆蓋式回填方式(圖4)。目前塌陷坑裂縫的發展是沿著縱Ⅱ#勘探線向西南方向發展的，塌陷坑東北部無擴大的趨勢，且從近2 a的觀測資料來看，東北部地表相對穩定，發生大規模塌陷的可能性較低。為此，將塌陷坑東北部設為規劃治理區域，按1 250 m臺階高度規劃實施回填治理方案，塌陷坑治理后的單臺階坡面角為36°。

圖4　塌陷坑回填治理推進示意

規劃分期回填治理，前期沿塌陷坑東北部1 250 m等高線向下部區域推進治理，坡頂線平行于橫勘探線，并在坡頂線到達塌陷坑裂縫集中出現區域前方停止，該裂縫集中出現區域為井下480 m采空區的正上方，為塌陷坑最早出現裂縫的區域。推土機在坡頂線位置傾倒后廢石自然下落形成不規則坡底線。因前期塌陷坑治理作業的區域非塌陷坑裂縫集中出現的區域，且塌陷坑治理區坡底距下部南廢石場仍有400多a，距廢石約300 m，對周邊設施的安全威脅較小，安全性較高，此時塌陷坑治理面積12.5萬m2，體積265萬m3。

在完成前期治理工作后，可沿已形成的坡頂線繼續向塌陷坑內部推進。當坡頂線完全越過塌陷坑集中裂縫出現的區域時停止，此時自然形成的坡底線已覆蓋井下480 m采空區正上方的大部分區域，治理范圍約占當前已形成塌陷坑的1/2，坡底距下部南廢石場300多a，距廢石井約300 m，距周邊設施較遠，此時塌陷坑治理面積22.9萬m2，前后期共計體積642萬m3。

根據前期的監測資料，塌陷坑東北部區域已相對穩定，發生大規模塌陷的可能性較低，但治理工作進入裂縫集中出現的區域時，仍應采取必要的安全保障措施，并在現場治理過程中對塌陷坑進行監測分析，若治理效果較好，可根據現場情況制定下一步治理方案，可沿坡頂線繼續向下部區域推進治理。

3.2安全保障措施

(1)回填時宜按“先近后遠”的原則利用汽車和推土機直接回填并向前推進回填，用壓實充填的方式將回填后的廢石壓實，作為進一步回填的運輸通道，并在靠近臺階邊坡坡頂區域時形成一定角度的倒坡，防止推土機墜入邊坡。在地表裂縫較多可能發生地表陷落區域的正上方，采用推土機漸進推進，并在其尾部固定鋼絲繩與安全區的固定裝置連接，防止陷落。

(2)為防止外圍山坡匯水進入塌陷坑開裂區域內，影響塌陷坑治理，應避開塌陷坑開裂區域，在其上部外圍修建截洪溝，防止上部雨水匯聚進入塌陷坑治理區域內，造成井下泥石流或臺階滑坡，確保雨季礦山安全生產的順利進行。

(3)作業面嚴禁積水，雨季生產時在堆廢作業面設置3%的排水橫坡，在廢石堆排內側設置臨時性排水溝(縱坡0.5%～1%)，以避免廢石場內雨水匯集向下滲透，形成軟弱面。該排水溝應根據雨季長短和堆排進度相應調整。

(4)塌陷坑治理區地基為厚層第四系表土，強度低，塌陷坑原始地形坡度局部15°～30°，不利于上部土體的穩定。為提高塌陷坑治理區地基的穩定性，在回填前，應清除場內植被，避免形成場內腐植質夾層或軟弱層影響塌陷坑回填體的穩定，確保基底持力可靠，避免形成潛在滑移面。

(5)塌陷坑治理區最終境界坡腳應采用回填體物料中透水性好的大塊巖石堆置，確保塌陷坑治理區的安全穩定，防止發生泥石流災害。

(6)治理過程中還應加強塌陷坑地表沉降監測工作，在回填治理工作臺階平臺上增設位移監測點，監測點網度50 m×50 m，布設監測點數量約50個，定期進行數據采集及分析，為回填治理工程提供及時可靠的現場監測數據，若出現位移沉降量突然增大的現象，應立即停止該區域的回填作業。

(7)礦山在塌陷坑治理時，應成立專門的塌陷坑治理車間，并制定詳細的應急預案。

4結語

結合大紅山塌陷坑現狀，分析了塌陷坑存在的危害性，通過分析大紅山塌陷坑及巖移發展規律，規劃采用回填方式治理塌陷坑，并對大紅山鐵礦塌陷坑特定環境下的回填治理方案進行了詳細探討。為確保塌陷坑回填作業的順利進行，對塌陷坑回填治理的安全保障措施進行了闡述。本研究提出的礦區塌陷坑治理方案及安全保障措施對于類似礦區塌陷坑的有效治理有一定的借鑒價值。

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Backfilling Treatment Scheme of The Surface Subsidence Pit of Dahongshan Iron Mine

Xu Shishen

(Dahongshan Mining Company,Kunming Steel Group Co.,Ltd.)

AbstractCombing with the surface subsidence pit status of Dahongshan iron mine,the harmfulness of the surface pit is analyzed,the significance and advantages of the backfilling treatment scheme are discussed by summarizing the domestic and overseas successful experience of the backfilling treatment of the surface subsidence pit.Based on the study of the development regularities of the subsidence pit and rock displacement of Dahongshan iron mine,the backfilling method is adopted to deal with the subsidence pit of Dahongshan iron mine,the backfillling treatment scheme that is suitable to the special environmental conditions of the subsidence pit of Dahongshan iron mine is proposed,besides that,the technical insurance measures of backfilling safety are analyzed.The above analysis results in this paper can provide reference for the similar mines.

KeywordsSurface subsidence pit, Backfilling treatment, Treatment scheme, Technical measures

(收稿日期2016-01-12)

徐士申(1968—)，男，董事長，工程師，653405 云南省玉溪市新平縣戛灑鎮。