大红山铁矿地表塌陷坑回填治理方案

徐士申

(昆钢集团玉溪大红山矿业有限公司)



大红山铁矿地表塌陷坑回填治理方案

徐士申

(昆钢集团玉溪大红山矿业有限公司)

摘要结合大红山铁矿地表塌陷坑现状，分析了塌陷坑存在的危害性，通过总结国内外塌陷坑回填治理的相关经验，阐述了采用回填方案治理塌陷坑的意义及优点。在前期充分研究大红山塌陷坑及岩移发展规律的基础上，规划采用回填方式治理塌陷坑，提出了适合大红山铁矿塌陷坑特定环境的回填治理方案，并提出了确保回填作业安全的技术措施，供类似矿山参考。

关键词地表塌陷坑回填治理治理方案技术措施

地下开采形成空区后，使得周围的岩体失去平衡，将引起应力重新分布，在重力作用下，导致岩层发生大规模移动，使地表产生塌陷，给矿区地表周围环境及建(构)筑物带来严重危害[1-3]。矿体在采用崩落法[4-8]落矿后，塌陷漏斗内的崩落岩石迅速充填采空区，充填采空区围岩散体的密实度、强度均小于原有矿体，采空区上部岩石楔形体在自身重力的作用下，使得靠近地表的原岩体内产生拉应力，最终导致拉伸断裂的产生并扩展形成塌陷坑。为此，本研究以大红山铁矿为例，通过分析该矿区地表塌陷坑的危害，对塌陷区回填治理方案进行探讨。

1塌陷坑现状及危害

1.1塌陷坑现状

大红山铁矿地下开采生产至今，主要在Ⅱ1#主矿体400～705 m标高部分进行回采，采用高分段大间距无底柱分段崩落法开采，经多年开采，采空区不断扩大，岩层活动频繁，地压危害也在不断加大。为确保安全生产，矿山进行了地压监测，为尽量减小地压活动可能带来的灾害损失，大红山铁矿于2012年对主采区冒落区上部岩体进行了硐室爆破。地表开裂最早发生于深部主采空区投影至地表范围的东北角，接着发展至480 m采空区的正上方地表，随后地表开裂与沉降快速发展，至2013年底，地表明显的开裂区域已连接成1个以开采后的采空区为中心的闭合圈，开裂范围与程度显著增加。2013年至今，地表塌陷区裂缝范围在东北及东部方向变化较小，主要向西南及南部方向发展，与地下开采的推进方向一致。截至目前，主采空区上方地表已形成的裂缝范围达0.36 km2，局部区域最大下沉高度约9 m。矿区塌陷坑的分布情况见图1、图2。为防止人员和牲畜误入塌陷坑，在塌陷坑四周用铁丝网设置了围栏，作为地表安全警戒线。

图1　矿区地表塌陷范围

图2　矿区地表塌陷现状

1.2塌陷坑危害

(1)威胁人身安全。突发的地表大规模下沉开裂易导致在其上部活动的人员坠入塌陷坑，造成人身伤害，如2008年6月25日12时30分左右，安徽省繁昌县境内马钢集团所属桃冲矿业公司崩落塌陷区发生了地表坍塌，引起山体滑坡，正在非法捡矿的农民被埋，12人下落不明。

(2)破坏植被、毁坏耕地、导致农业歉收或绝收。塌陷坑的形成导致地表产生开裂及下沉，对于耕地较少的地区而言，将进一步减少耕地面积，无法种植农作物。周边地表植被遭受破坏，遇大风天气时还会引起扬砂，给当地居民生产、生活造成了极大危害。

(3)破坏地表、地下水资源。地下开采形成采空区后，岩体原始应力状态遭到破坏，上覆岩体内可能存在的含水层被破坏，当地下岩体裂隙破坏涉及到地表时，地表水体也将漏失。另外，随着矿石的开采，大量矿山产生的污水、废水被排放至地表河(湖)，另一部分则积存于塌陷坑内并沿井巷、岩石裂缝倒灌流入采空区内，造成双向污染或恶性突水。未经处理的矿山污水成分复杂，含有大量有毒有害物质，危及人类及生物生存。

(4)破坏生态平衡、改变自然景观、降低环境质量。由地下开采引发的地表塌陷干扰和破坏了生态系统中生物赖以生存的地形地貌、土质养分、水文地质、区域气候等主要生存环境，导致物种减少、动物迁移、微生物流失，使得生态平衡破坏，生态系统瓦解。

(5)破坏地面建(构)筑物。在地表存在公路、铁路及建(构)筑物下进行的开采活动，易造成地表移动变形和塌陷，将对各类人工建(构)筑物产生有害影响，对在地表居住或从事相关活动的人员构成了巨大的安全威胁，不得不对公路进行改道，对人员进行迁移，造成了巨大的经济损失。

(6)塌陷后诱发新的地质灾害。位于山区塌陷坑易诱发山体破坏、崩塌、泥石流等地质灾害。一旦山体崩落或地表塌陷，来势凶猛，威力巨大，崩落的岩体和砂石会冲毁、压塌井下巷道，破坏地面建(构)筑物，掩埋机器设备，造成人员伤亡，堵塞交通道路。若采空区接通地表，地表塌陷引发的山洪易灌入井下，泥石流会掩埋、损坏井巷及配套设施。若地表塌陷引动地面松散体产生泥石流便会造成巨大的经济损失，产生不良的社会影响。

2回填治理方案研究基础

2.1塌陷坑治理原则

(1)塌陷坑治理应以地表现场调研、井下采空区现状分析、采空区顶板冒落以及地表岩移研究为基础，治理方案应安全可靠、措施可行、技术过关。

(2)应结合矿山企业实际情况制定切合实际、经济可行的治理方案，且方案的实施应能较好地缓解矿山与附近居民之间的矛盾。

(3)治理方案须得到当地政府安监和安全环保部门的认可和支持。

(4)方案的实施在消除地表隐患和矿区环境治理的同时，应能取得良好的经济、社会效益。

(5)塌陷坑综合治理过程中和治理后，须进行必要的井上、井下监控和采取必要的监管措施。

2.2塌陷坑治理的相关经验

国内外对于治理采空区地表塌陷的方法较多，但最常用的方法是回填治理法，该方法利用矿区附近的露天矿剥离物、粉煤灰、矿渣等现场材料进行回填，若在表层回填耕植土或采用微生物修复技术改良土壤，还可作为农地，既解决了塌陷问题，又解决了矿渣的处理问题，因而经济效益较好。美国、加拿大等国将相当一部分废弃矿山经过土质改良种植景观植物建立公园、园艺林地，如加拿大布查花园、南非“黄金城”等。我国一些矿山如金山店铁矿(图3)、韦岗铁矿等，相继开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，成效显著。

2.3塌陷坑回填治理的前期研究

根据前期对井下采空区及塌陷坑的分析，随着井下400 m及二期的开采，地表开裂范围将继续沿纵Ⅱ#勘探线向西南方向发展，而塌陷坑地表最先出现开裂下沉的东北部则无继续加大的趋势，该区域因硐室较大，爆破后上部岩层冒落至地表并在过去的2 a内被不同程度地密实，出现大规模下沉开裂的概率较低。

图3　金山店铁矿地表塌陷坑现场回填

2.4塌陷坑回填治理优点

(1)有效减缓上下盘岩体中裂隙的产生与发展。散体在充填采空区后，可对上部岩体提供一定的支撑力，采空区充填体将逐步受力，同时坑内侧压力的存在也可减缓上下盘近地表岩体的破坏程度。

(2)及时补充地下出矿时采出废石散体的厚度，保证无底柱崩落法对覆盖层厚度的要求，保证地下采矿时无底柱分段崩落法出矿的条件。

(3)防止井下泥石流的发生。若塌陷坑地表为第四系覆盖层土，土质松软，当地表塌陷坑未回填时，土体被冲刷入坑内后，一旦遇上雨季或暴雨，在外力的扰动下，大量富含饱和水的泥沙浆裹着碎石块顺着各散体块之间的空隙迅速到达地下巷道形成泥石流。

(4)提高地表的错动角和陷落角。根据经验数据，移动角、崩落角可分别提高 2°～3°，意味着回填有效遏制了地采时地表塌陷继续向周边扩展的态势，有利于矿区地表生态环境的恢复。

(5)恢复地表生态。在采用废石回填治理塌陷坑后，可在表层继续回填耕植土或采用微生物修复技术改良土壤，即可种植适合的草木植物，大大提高地表的生态环境质量。

(6)采用井下废石或露天采场剥离出的废石回填治理塌陷坑，可解决露天及井下采选废石堆放占地污染环境的问题。

3回填治理方案及安全保障措施

3.1回填治理方案

通过对国内外塌陷坑回填成功经验的总结研究，并实地考察了金山店铁矿、韦岗铁矿现场回填方案的实施及组织管理，在充分研究大红山塌陷坑及岩移发展规律的基础上，本研究规划采用回填方式治理塌陷坑，回填材料主要为大红山铁矿露天矿各台阶剥离废石，规划塌陷坑堆置采用单台阶覆盖式回填方式(图4)。目前塌陷坑裂缝的发展是沿着纵Ⅱ#勘探线向西南方向发展的，塌陷坑东北部无扩大的趋势，且从近2 a的观测资料来看，东北部地表相对稳定，发生大规模塌陷的可能性较低。为此，将塌陷坑东北部设为规划治理区域，按1 250 m台阶高度规划实施回填治理方案，塌陷坑治理后的单台阶坡面角为36°。

图4　塌陷坑回填治理推进示意

规划分期回填治理，前期沿塌陷坑东北部1 250 m等高线向下部区域推进治理，坡顶线平行于横勘探线，并在坡顶线到达塌陷坑裂缝集中出现区域前方停止，该裂缝集中出现区域为井下480 m采空区的正上方，为塌陷坑最早出现裂缝的区域。推土机在坡顶线位置倾倒后废石自然下落形成不规则坡底线。因前期塌陷坑治理作业的区域非塌陷坑裂缝集中出现的区域，且塌陷坑治理区坡底距下部南废石场仍有400多a，距废石约300 m，对周边设施的安全威胁较小，安全性较高，此时塌陷坑治理面积12.5万m2，体积265万m3。

在完成前期治理工作后，可沿已形成的坡顶线继续向塌陷坑内部推进。当坡顶线完全越过塌陷坑集中裂缝出现的区域时停止，此时自然形成的坡底线已覆盖井下480 m采空区正上方的大部分区域，治理范围约占当前已形成塌陷坑的1/2，坡底距下部南废石场300多a，距废石井约300 m，距周边设施较远，此时塌陷坑治理面积22.9万m2，前后期共计体积642万m3。

根据前期的监测资料，塌陷坑东北部区域已相对稳定，发生大规模塌陷的可能性较低，但治理工作进入裂缝集中出现的区域时，仍应采取必要的安全保障措施，并在现场治理过程中对塌陷坑进行监测分析，若治理效果较好，可根据现场情况制定下一步治理方案，可沿坡顶线继续向下部区域推进治理。

3.2安全保障措施

(1)回填时宜按“先近后远”的原则利用汽车和推土机直接回填并向前推进回填，用压实充填的方式将回填后的废石压实，作为进一步回填的运输通道，并在靠近台阶边坡坡顶区域时形成一定角度的倒坡，防止推土机坠入边坡。在地表裂缝较多可能发生地表陷落区域的正上方，采用推土机渐进推进，并在其尾部固定钢丝绳与安全区的固定装置连接，防止陷落。

(2)为防止外围山坡汇水进入塌陷坑开裂区域内，影响塌陷坑治理，应避开塌陷坑开裂区域，在其上部外围修建截洪沟，防止上部雨水汇聚进入塌陷坑治理区域内，造成井下泥石流或台阶滑坡，确保雨季矿山安全生产的顺利进行。

(3)作业面严禁积水，雨季生产时在堆废作业面设置3%的排水橫坡，在废石堆排内侧设置临时性排水沟(纵坡0.5%～1%)，以避免废石场内雨水汇集向下渗透，形成软弱面。该排水沟应根据雨季长短和堆排进度相应调整。

(4)塌陷坑治理区地基为厚层第四系表土，强度低，塌陷坑原始地形坡度局部15°～30°，不利于上部土体的稳定。为提高塌陷坑治理区地基的稳定性，在回填前，应清除场内植被，避免形成场内腐植质夹层或软弱层影响塌陷坑回填体的稳定，确保基底持力可靠，避免形成潜在滑移面。

(5)塌陷坑治理区最终境界坡脚应采用回填体物料中透水性好的大块岩石堆置，确保塌陷坑治理区的安全稳定，防止发生泥石流灾害。

(6)治理过程中还应加强塌陷坑地表沉降监测工作，在回填治理工作台阶平台上增设位移监测点，监测点网度50 m×50 m，布设监测点数量约50个，定期进行数据采集及分析，为回填治理工程提供及时可靠的现场监测数据，若出现位移沉降量突然增大的现象，应立即停止该区域的回填作业。

(7)矿山在塌陷坑治理时，应成立专门的塌陷坑治理车间，并制定详细的应急预案。

4结语

结合大红山塌陷坑现状，分析了塌陷坑存在的危害性，通过分析大红山塌陷坑及岩移发展规律，规划采用回填方式治理塌陷坑，并对大红山铁矿塌陷坑特定环境下的回填治理方案进行了详细探讨。为确保塌陷坑回填作业的顺利进行，对塌陷坑回填治理的安全保障措施进行了阐述。本研究提出的矿区塌陷坑治理方案及安全保障措施对于类似矿区塌陷坑的有效治理有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]徐孟强，查剑锋.基于三角形剖分算法的开采沉陷预计系统设计[J].金属矿山，2016(2)：128-131.

[2]汪磊，邓喀中，薛继群，等.融合概率积分模型与D-InSAR的开采沉陷预计[J].金属矿山，2016(2)：160-163.

[3]沈震，徐良骥，刘哲，等.基于Matlab的概率积分法开采沉陷预计参数解算[J].金属矿山，2015(9)：170-174.

[4]马俊，许梦国，王平，等.无底柱分段崩落法塌陷区回填移动规律研究[J].金属矿山，2011(8)：37-40.

[5]蔡美峰.金属矿山采矿设计优化与地压控制、理论与实践[M].北京：科学出版社.2001.

[6]李春雷，蔡美峰，李晓璐，等.无底柱分段崩落法开采沉陷预测研究[J].中国矿业，2006(12)：45-47.

[7]魏建海，黄兴益，戈超，等.基于PFC2D的无底柱分段崩落法放矿数值模拟[J].现代矿业，2015(12)：27-28.

[8]周志刚，郝全明，牟英杰.无底柱分段崩落法在白云鄂博铁矿东矿的应用[J].现代矿业，2015(11)：31-33.

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，董事长，工程师，653405 云南省玉溪市新平县戛洒镇。