大紅山地表塌陷區一期治理方案優化

袁偉飛 范有才 孫麗軍

（1.昆明鋼鐵控股有限公司；2.玉溪大紅山礦業有限公司；3.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

大紅山井下Ⅱ1 主礦體采用無底柱分段崩落法開采，允許地表塌陷。Ⅱ1 主礦體經過多年的開采，隨著回采深度的下降和回采范圍的不斷擴大，地表裂縫不斷向外擴展，塌陷范圍逐步擴大［1］。塌陷坑嚴重打破了生態平衡，破壞了地表及地下水資源，并易誘發地質災害，嚴重則威脅礦山及人員生命財產安全，處理不當將導致礦山無法正常閉坑。因此，必須加強對塌陷坑的重視，開展相關研究，提出適合崩落法塌陷坑治理的技術方案。同時按照國家相關安全要求，必須對地表塌陷區進行回填治理。由此，需要結合礦山實際制定處適合崩落法塌陷坑的治理方案并組織實施，以消除塌陷坑安全隱患，解決礦山的后顧之憂。

1 塌陷區概況

大紅山鐵礦前期主要在Ⅱ1 主礦體400～705 m水平標高部分進行回采，根據監測記錄，最早于2009年1月24日在距主采區正上方340 m高的850 m水平運輸平巷出現裂縫，隨后巷道出現片幫現象。2009年10 月底，920 m 平巷垮塌，冒落高度上升了70 m。2011年8月，地表1 220 m 標高附近出現裂縫，采空區垮塌高度達到1 060 m 標高。2012 年4 月在1 090 m硐室爆破的誘導下，裂縫迅速發展，至2013年主采區南部對應的地表出現了約400 m2的小范圍塌陷坑。2015 年10 月主采區東北部對應地表出現一個深約30 m、面積約2 500 m2的塌陷坑，塌陷坑周圍裂縫已經連接成一個以開采空區為中心的閉合圈。2018 年以后，主采空區頂板已充分冒落至地表，中心的塌陷下沉區域已趨于穩定，僅外圍裂縫范圍在逐漸加大。該地表塌陷區域與井下空區總體上先形成一個倒漏斗型塌陷，再逐步擴張形成正漏斗型的塌陷區。通過使用無人機激光掃描三維成像技術對塌陷區進行掃描，計算得出整個塌陷區面積約33萬m2，塌方體積約500萬m3，整個裂縫范圍約46萬m2，如圖1所示。

2 原治理方案及存在問題

國內外對采空區地面塌陷的治理方法很多［2］，常用的方法是回填治理法，利用礦區附近的露天礦剝離物、粉煤灰、礦渣等現場材料加以回填，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，還可種植作物。如我國金山店鐵礦、韋崗鐵礦等一些礦山相繼開展過塌陷坑的治理及研究工作，主要是采取塌陷坑回填的方式，產生了良好效果，同時取得了很多寶貴的經驗。

根據大紅山鐵礦的開采現狀，地表塌陷區距離目前正在開采的露天礦較近，按露天開采規劃，每年露采產生200萬m3以上的廢石，該廢石可以作為塌陷區治理的回填料，快速促進塌陷區治理，既有利于安全生產，又有利于廢石資源的有效利用。

大紅山塌陷區治理方案制定前通過緊密結合塌陷區動態變化現狀，建立地表GPS 位移監測、井下鉆孔應力計監測、1 090 m 平巷圍巖變形監測、微震監測，展開實時監測與跟蹤分析，由長沙礦山研究院匯總分析監測數據并推演沉降塌陷的趨勢。監測結果為主采區上部空區已不同程度被密實，巖層冒落事件已趨于消失，位移趨于穩定。同時預測未來巖層將緩慢下沉壓實，這為塌陷坑回填治理提供了一定的安全條件。同時，中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司、西安建筑科技大學編制的《玉溪大紅山礦業有限公司大紅山鐵礦動態塌陷坑變形特性及治理技術研究報告》得出，塌陷坑裂縫的發展是沿著縱Ⅱ勘探線向西南方向發展的，而在塌陷坑的東北部沒有擴大的趨勢。結合觀測資料及監測數據，東北部地表相對穩定，發生大規模塌陷的可能性較低。由此，結合已形成的地表塌陷區現狀，以及隨井下開采塌陷區逐漸動態發展的變化特征，從安全角度考慮，塌陷區治理過程宜分兩期制定治理方案。

按已形成的塌陷區現狀，采用回填方式治理一期開采結束后地表塌陷范圍，規劃治理區域為塌陷坑東北部已形成穩定的區域。利用排放回填料治理塌陷區時，分別制定了單臺階與多臺階方案進行比較。其中，單臺階回填治理方案自東北部進入，分為1 250或1280 m 標高自上而下單臺階推進堆置2個方案，推進過程中坡頂線越過塌陷區警戒區域，并在坡頂線到達塌陷區裂縫集中出現區域前停止，1 250 m單臺階回填治理方案見圖2。多臺階回填治理方案由塌陷坑的西南部復墾土堆場處進入，從1 150 m 自下而上分臺階堆置，采用小臺階并段形成30 m 高臺階，多臺階回填治理方案見圖3。3 種方案主要指標比較見表1。

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從表1 中可以看出，單臺階推進方案中，1 280 m單臺階方案較1 250 m 單臺階方案可治理體積大，且進入塌陷坑內面積較小。但目前地表1 250～1 260 m高程處仍存在公路及房屋設施，若采用1 280 m 單臺階方案，前期必須解決征地、人員搬遷及公路改道等問題，短時間內難以開展回填治理工作，難以滿足生產經營及安全要求。而多臺階方案可治理體積小，且進入塌陷坑內面積較大，初期治理效果不明顯；從方案安全方面進行比較，單臺階回填治理方案塌陷坑東北部區域地表沉降較小且趨勢穩定，發生大規模下陷的可能性很低。且目前地表回填治理范圍基本上為井下主采區一期開采平面范圍，而主采區一期即將結束，回填治理區域相對穩定。多臺階推進治理方案，采用自下而上分臺階堆置，先由塌陷坑的西南部進入。西南部位于二期主采區的正上方，未來隨著井下二期開采，上覆巖層將繼續冒落下沉，治理區域不穩定、治理作業組織管理相對較復雜。由此，從初期快速形成治理效果和作業過程安全性考慮，初期選擇1 250 m單臺階推進方案治理塌陷區。

3 治理方案優化

初期選擇方案正式實施前，因受方案涉及的西北部排巖公路征地及露天項目廢石來源不穩定等不利因素影響［3］，西北部排巖公路未能按預期及時建設投用，也未能按預期完成塌陷區上部穩定區域的治理，使塌陷區裂縫圈范圍擴大至西北部排巖公路設計位置。若繼續按1 250 m 單臺階治理方案實施，將對西北部排巖公路建設施工及投用帶來安全隱患，同時投運時間也無法及時滿足礦山塌陷區治理的需要，且該方案增加排巖公路投資及隱患治理費用；若采用多臺階治理方案，由下而上回填治理，則避免了新建排巖公路處于裂縫圈影響范圍而產生安全隱患，回填治理也將不受新建排巖公路工期、征地、施工等不利因素影響，能夠快速治理控制塌陷區的穩定發展，方案投資省、見效快，實際可操作強。由此，最終采用多臺階治理方案。

多臺階回填治理優化方案采用自下而上分臺階堆置，采用覆蓋式回填作業方式。治理順序先從塌陷坑的西南部進入，由近及遠逐步向前推進回填，直至山坡自然等高線。利用汽車和推土機配合作業，回填治理推進方式示意圖如圖4、圖5所示，將回填后的廢石壓實，作為向遠處回填的運輸通道，并在靠近臺階邊坡坡頂區域形成一定角度的反坡，防止設備墜入邊坡。在地表裂縫較多可能發生陷落區域的正上方，根據不同區域地表塌陷狀況，針對性劃分不同的區域（A 區、B 區、C 區）逐漸推進治理，不同區域劃分見圖6。其中，A區地表可見明顯的塌陷下沉界線，作為最先塌陷區域；B 區為塌陷下沉量最大區域（達30 m 左右）；C 區地表出現裂縫區域下沉量最小。由于B 區下沉量最大，已形成一個連續下沉的大坑，危險性較A 區與C 區高，因此，制定的回填治理推進順序為先回填A 區，再回填C 區，最后由A 區、C 區相向推進回填B 區。A 區可由原露天運廢道路1 120 m 轉彎處直接進入，C區可由原下部臺階公路進入。

為確保治理過程作業安全，針對治理區域不穩定、治理作業組織管理相對較復雜的問題制定并實施有關安全措施。

（1）露天采場剝離的巖漿巖為堅硬巖石，力學強度高，利于穩定，回填治理主要利用露天采場剝離廢石進行；而露天采場剝離的強風化巖土力學指標不高，不利于穩定，且遇水易形成泥石流進入塌陷坑。由此，露天強風化巖土嚴禁回填至塌陷坑。

（2）為減小大氣降水對塌陷坑回填體的浸泡和沖刷作用，1 250 m 單平臺實施2%～3%的反坡；塌陷坑治理區周圍修筑可靠的截洪和排水設施攔截山坡匯水，防止山坡匯水對塌陷坑回填體表面和坡角的沖刷。

（3）對已經產生的塌陷坑應及時予以補充回填，避免地表水集中流入該區域。

（4）作業過程中，因回填治理區域位于井下開采的正上方，且覆蓋層具有一定的流動性，回填體呈現動態發展的特性，對回填體按照一定的網度設置位移監測點。通過采用礦山已有的動態GPS-RTK監測儀器進行數據跟蹤采集，針對性跟蹤分析并及時采取現場應急處置措施。

（5）作業前制定施工組織方案經各部門審批，針對現場情況制定安全措施及注意事項；同時通過技術交底，讓有關人員熟悉方案及安全技術要求。

（6）要制定塌陷坑回填作業安全管理制度及操作規程，督促作業人員嚴格遵守。

（7）現場配備安全技術負責人，作業前要求開展班前安全交底、安全確認。

（8）作業過程加強巡查，督促作業人員嚴格按回填治理的順序及技術要求組織實施。

（9）回填作業應設有專人指揮，進入作業區域內的工作人員、車輛、工程機械，應服從指揮人員的指揮；同時進入塌陷坑回填作業人員不得超過3人（1人負責人員車輛指揮調度，1人駕駛汽車倒廢，1人遠程操作遙控推土機推進壓實作業），嚴禁非作業人員進入回填治理作業區。

（10）回填時，在塌陷坑外圍設置警示標志，塌陷坑內防止運輸車輛及推排設備大量聚集。

（11）回填作業人員采用無線對講裝置進行聯系，指揮人員配備指揮工具。

（12）進入塌陷坑作業的人員若發現回填區域出現新的沉陷、開裂及滲漏異常情況時，應立即停止施工，并及時撤離作業現場，待險情排除后方可再次組織作業。

（13）遇上暴雨、大雪、大風等惡劣天氣時，應停止作業；待天氣好轉，確認安全后再行恢復作業。

（14）制定塌陷坑專項應急預案，若發生推土機等設備及人員陷落的情況，應立即停止作業，并上報礦山啟動應急預案組織救援。

4 應用效果

通過優化并實施大紅山地表塌陷區一期治理方案，塌陷區治理所形成的終了臺階高度為15 m，平臺寬度30 m，臺階坡面角為36°，最終堆置邊坡角36°，治理面積22.8 hm2，排放回填料體積642萬m3。同時，為充分保障治理工作安全，15 m 臺階高度由2 個7.5 m 的小臺階并段堆置形成，回填治理分為3 個平臺，分別為1 150、1 165、1 180 m。

本次塌陷區治理優化方案及時消除了原方案存在的西北部排巖公路位于裂縫圈范圍的安全隱患；同時通過制定實施有關安全措施，確保了回填治理作業過程中的安全；并滿足了塌陷區的及時治理，使塌陷區穩定可控；也減少了塌陷區治理新建道路工程投資、征地等不利因素影響。

5 結 語

針對類似井下開采引起的地表塌陷區治理等有關動態變化的技術方案，應緊密跟蹤和結合實際變化情況進行優化，并制定對應措施，才能避免或減少安全等有關問題，確保方案更有針對性和可操作性。