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(yè)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(jīng)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(yán)重打破了生態(tài)平衡，破壞了地表及地下水資源，并易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重則威脅礦山及人員生命財產(chǎn)安全，處理不當(dāng)將導(dǎo)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(guān)研究，提出適合崩落法塌陷坑治理的技術(shù)方案。同時按照國家相關(guān)安全要求，必須對地表塌陷區(qū)進(jìn)行回填治理。由此，需要結(jié)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(qū)概況

大紅山鐵礦前期主要在Ⅱ1 主礦體400～705 m水平標(biāo)高部分進(jìn)行回采，根據(jù)監(jiān)測記錄，最早于2009年1月24日在距主采區(qū)正上方340 m高的850 m水平運輸平巷出現(xiàn)裂縫，隨后巷道出現(xiàn)片幫現(xiàn)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(biāo)高附近出現(xiàn)裂縫，采空區(qū)垮塌高度達(dá)到1 060 m 標(biāo)高。2012 年4 月在1 090 m硐室爆破的誘導(dǎo)下，裂縫迅速發(fā)展，至2013年主采區(qū)南部對應(yīng)的地表出現(xiàn)了約400 m2的小范圍塌陷坑。2015 年10 月主采區(qū)東北部對應(yīng)地表出現(xiàn)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(jīng)連接成一個以開采空區(qū)為中心的閉合圈。2018 年以后，主采空區(qū)頂板已充分冒落至地表，中心的塌陷下沉區(qū)域已趨于穩(wěn)定，僅外圍裂縫范圍在逐漸加大。該地表塌陷區(qū)域與井下空區(qū)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(qū)。通過使用無人機激光掃描三維成像技術(shù)對塌陷區(qū)進(jìn)行掃描，計算得出整個塌陷區(qū)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(nèi)外對采空區(qū)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(qū)附近的露天礦剝離物、粉煤灰、礦渣等現(xiàn)場材料加以回填，若在表層回填耕植土或采用微生物修復(fù)技術(shù)改良土壤，還可作為農(nóng)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(chǎn)生了良好效果，同時取得了很多寶貴的經(jīng)驗。

根據(jù)大紅山鐵礦的開采現(xiàn)狀，地表塌陷區(qū)距離目前正在開采的露天礦較近，按露天開采規(guī)劃，每年露采產(chǎn)生200萬m3以上的廢石，該廢石可以作為塌陷區(qū)治理的回填料，快速促進(jìn)塌陷區(qū)治理，既有利于安全生產(chǎn)，又有利于廢石資源的有效利用。

大紅山塌陷區(qū)治理方案制定前通過緊密結(jié)合塌陷區(qū)動態(tài)變化現(xiàn)狀，建立地表GPS 位移監(jiān)測、井下鉆孔應(yīng)力計監(jiān)測、1 090 m 平巷圍巖變形監(jiān)測、微震監(jiān)測，展開實時監(jiān)測與跟蹤分析，由長沙礦山研究院匯總分析監(jiān)測數(shù)據(jù)并推演沉降塌陷的趨勢。監(jiān)測結(jié)果為主采區(qū)上部空區(qū)已不同程度被密實，巖層冒落事件已趨于消失，位移趨于穩(wěn)定。同時預(yù)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(xué)編制的《玉溪大紅山礦業(yè)有限公司大紅山鐵礦動態(tài)塌陷坑變形特性及治理技術(shù)研究報告》得出，塌陷坑裂縫的發(fā)展是沿著縱Ⅱ勘探線向西南方向發(fā)展的，而在塌陷坑的東北部沒有擴大的趨勢。結(jié)合觀測資料及監(jiān)測數(shù)據(jù)，東北部地表相對穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)模塌陷的可能性較低。由此，結(jié)合已形成的地表塌陷區(qū)現(xiàn)狀，以及隨井下開采塌陷區(qū)逐漸動態(tài)發(fā)展的變化特征，從安全角度考慮，塌陷區(qū)治理過程宜分兩期制定治理方案。

按已形成的塌陷區(qū)現(xiàn)狀，采用回填方式治理一期開采結(jié)束后地表塌陷范圍，規(guī)劃治理區(qū)域為塌陷坑?xùn)|北部已形成穩(wěn)定的區(qū)域。利用排放回填料治理塌陷區(qū)時，分別制定了單臺階與多臺階方案進(jìn)行比較。其中，單臺階回填治理方案自東北部進(jìn)入，分為1 250或1280 m 標(biāo)高自上而下單臺階推進(jìn)堆置2個方案，推進(jìn)過程中坡頂線越過塌陷區(qū)警戒區(qū)域，并在坡頂線到達(dá)塌陷區(qū)裂縫集中出現(xiàn)區(qū)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(fù)墾土堆場處進(jìn)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(biāo)比較見表1。

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從表1 中可以看出，單臺階推進(jìn)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(jìn)入塌陷坑內(nèi)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(shè)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(nèi)難以開展回填治理工作，難以滿足生產(chǎn)經(jīng)營及安全要求。而多臺階方案可治理體積小，且進(jìn)入塌陷坑內(nèi)面積較大，初期治理效果不明顯；從方案安全方面進(jìn)行比較，單臺階回填治理方案塌陷坑?xùn)|北部區(qū)域地表沉降較小且趨勢穩(wěn)定，發(fā)生大規(guī)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(qū)一期開采平面范圍，而主采區(qū)一期即將結(jié)束，回填治理區(qū)域相對穩(wěn)定。多臺階推進(jìn)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(jìn)入。西南部位于二期主采區(qū)的正上方，未來隨著井下二期開采，上覆巖層將繼續(xù)冒落下沉，治理區(qū)域不穩(wěn)定、治理作業(yè)組織管理相對較復(fù)雜。由此，從初期快速形成治理效果和作業(yè)過程安全性考慮，初期選擇1 250 m單臺階推進(jìn)方案治理塌陷區(qū)。

3 治理方案優(yōu)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(wěn)定等不利因素影響［3］，西北部排巖公路未能按預(yù)期及時建設(shè)投用，也未能按預(yù)期完成塌陷區(qū)上部穩(wěn)定區(qū)域的治理，使塌陷區(qū)裂縫圈范圍擴大至西北部排巖公路設(shè)計位置。若繼續(xù)按1 250 m 單臺階治理方案實施，將對西北部排巖公路建設(shè)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(qū)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(chǎn)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(qū)的穩(wěn)定發(fā)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(yōu)化方案采用自下而上分臺階堆置，采用覆蓋式回填作業(yè)方式。治理順序先從塌陷坑的西南部進(jìn)入，由近及遠(yuǎn)逐步向前推進(jìn)回填，直至山坡自然等高線。利用汽車和推土機配合作業(yè)，回填治理推進(jìn)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(yuǎn)處回填的運輸通道，并在靠近臺階邊坡坡頂區(qū)域形成一定角度的反坡，防止設(shè)備墜入邊坡。在地表裂縫較多可能發(fā)生陷落區(qū)域的正上方，根據(jù)不同區(qū)域地表塌陷狀況，針對性劃分不同的區(qū)域（A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)）逐漸推進(jìn)治理，不同區(qū)域劃分見圖6。其中，A區(qū)地表可見明顯的塌陷下沉界線，作為最先塌陷區(qū)域；B 區(qū)為塌陷下沉量最大區(qū)域（達(dá)30 m 左右）；C 區(qū)地表出現(xiàn)裂縫區(qū)域下沉量最小。由于B 區(qū)下沉量最大，已形成一個連續(xù)下沉的大坑，危險性較A 區(qū)與C 區(qū)高，因此，制定的回填治理推進(jìn)順序為先回填A(yù) 區(qū)，再回填C 區(qū)，最后由A 區(qū)、C 區(qū)相向推進(jìn)回填B 區(qū)。A 區(qū)可由原露天運廢道路1 120 m 轉(zhuǎn)彎處直接進(jìn)入，C區(qū)可由原下部臺階公路進(jìn)入。

為確保治理過程作業(yè)安全，針對治理區(qū)域不穩(wěn)定、治理作業(yè)組織管理相對較復(fù)雜的問題制定并實施有關(guān)安全措施。

（1）露天采場剝離的巖漿巖為堅硬巖石，力學(xué)強度高，利于穩(wěn)定，回填治理主要利用露天采場剝離廢石進(jìn)行；而露天采場剝離的強風(fēng)化巖土力學(xué)指標(biāo)不高，不利于穩(wěn)定，且遇水易形成泥石流進(jìn)入塌陷坑。由此，露天強風(fēng)化巖土嚴(yán)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(qū)周圍修筑可靠的截洪和排水設(shè)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(jīng)產(chǎn)生的塌陷坑應(yīng)及時予以補充回填，避免地表水集中流入該區(qū)域。

（4）作業(yè)過程中，因回填治理區(qū)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(xiàn)動態(tài)發(fā)展的特性，對回填體按照一定的網(wǎng)度設(shè)置位移監(jiān)測點。通過采用礦山已有的動態(tài)GPS-RTK監(jiān)測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤采集，針對性跟蹤分析并及時采取現(xiàn)場應(yīng)急處置措施。

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

（6）要制定塌陷坑回填作業(yè)安全管理制度及操作規(guī)程，督促作業(yè)人員嚴(yán)格遵守。

（7）現(xiàn)場配備安全技術(shù)負(fù)責(zé)人，作業(yè)前要求開展班前安全交底、安全確認(rèn)。

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

（9）回填作業(yè)應(yīng)設(shè)有專人指揮，進(jìn)入作業(yè)區(qū)域內(nèi)的工作人員、車輛、工程機械，應(yīng)服從指揮人員的指揮；同時進(jìn)入塌陷坑回填作業(yè)人員不得超過3人（1人負(fù)責(zé)人員車輛指揮調(diào)度，1人駕駛汽車倒廢，1人遠(yuǎn)程操作遙控推土機推進(jìn)壓實作業(yè)），嚴(yán)禁非作業(yè)人員進(jìn)入回填治理作業(yè)區(qū)。

（10）回填時，在塌陷坑外圍設(shè)置警示標(biāo)志，塌陷坑內(nèi)防止運輸車輛及推排設(shè)備大量聚集。

（11）回填作業(yè)人員采用無線對講裝置進(jìn)行聯(lián)系，指揮人員配備指揮工具。

（12）進(jìn)入塌陷坑作業(yè)的人員若發(fā)現(xiàn)回填區(qū)域出現(xiàn)新的沉陷、開裂及滲漏異常情況時，應(yīng)立即停止施工，并及時撤離作業(yè)現(xiàn)場，待險情排除后方可再次組織作業(yè)。

（13）遇上暴雨、大雪、大風(fēng)等惡劣天氣時，應(yīng)停止作業(yè)；待天氣好轉(zhuǎn)，確認(rèn)安全后再行恢復(fù)作業(yè)。

（14）制定塌陷坑專項應(yīng)急預(yù)案，若發(fā)生推土機等設(shè)備及人員陷落的情況，應(yīng)立即停止作業(yè)，并上報礦山啟動應(yīng)急預(yù)案組織救援。

4 應(yīng)用效果

通過優(yōu)化并實施大紅山地表塌陷區(qū)一期治理方案，塌陷區(qū)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(qū)治理優(yōu)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(guān)安全措施，確保了回填治理作業(yè)過程中的安全；并滿足了塌陷區(qū)的及時治理，使塌陷區(qū)穩(wěn)定可控；也減少了塌陷區(qū)治理新建道路工程投資、征地等不利因素影響。

5 結(jié) 語

針對類似井下開采引起的地表塌陷區(qū)治理等有關(guān)動態(tài)變化的技術(shù)方案，應(yīng)緊密跟蹤和結(jié)合實際變化情況進(jìn)行優(yōu)化，并制定對應(yīng)措施，才能避免或減少安全等有關(guān)問題，確保方案更有針對性和可操作性。