河流下伏采空區地表沉降規律及處治技術研究

祁建東 高永濤 韓浩亮

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.五礦邯邢礦業有限公司西石門鐵礦,河北 武安 056303;3.國家安監總局信息研究院，北京 100029)

河流下伏采空區地表沉降規律及處治技術研究

祁建東1,2高永濤1韓浩亮3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.五礦邯邢礦業有限公司西石門鐵礦,河北 武安 056303;3.國家安監總局信息研究院，北京 100029)

以西石門鐵礦為工程背景，采用物探、監測、數值計算等方法，開展河流下伏采空區地表沉降規律研究，提出采用“補償法”的技術措施治理河床不均勻沉降。主要研究結論如下：采用可控源音頻大地電磁法可將研究區域劃分為沉陷區、危險區和低電阻異常區，其中，低電阻異常區為采空區或礦體的表現；水平擠壓構造應力致使地表形成橢圓形沉陷盆地，其存在增加了地表移動盆地的范圍；水平擠壓構造應力降低了開采最大沉降量，但使累計沉降量呈現出“突發式”增長模式；“補償法”永久治理措施中，防滲加固主體結構包括剛性防水層、柔性防水層及抗沖刷層，可隨河床沉陷而下沉，最終填平礦體開采造成的地表不均勻沉陷。

河流 采空區 地表沉降 處治措施

采空區是所有地下礦山開采的必然伴生物，常常誘發巖爆、冒落礦震、地表沉陷等次生災害。其中，地表沉陷[1-3]作為一種常見的采空區誘發次生災害，極易引起地表構筑物發生開裂及破壞，影響其正常使用功能，對礦山安全生產造成重大威脅。因此，開展采空區地表沉降規律及處治技術研究，具有重要的科學研究意義及工程應用價值。

目前，國內外學者針對采空區地表沉降災害已開展了大量的研究工作。例如，Z.Agioutantls[4]研究了地下開采引起地表損害與沉陷量的相關關系，評價了開采對地表建構筑物的影響，并開發了地表變形預測系統用于地表沉陷的監測。W.Bochenek[5]在應用激光測斜儀及振動傳感器對地表進行連續監測的基礎上，分析了地表沉陷條件下不同類型建筑物對采礦方法、地質構造等各類環境因素的響應。梁運培[6]將巖層移動的關鍵層、巖層組合及層間離層歸納到組合巖梁模型中，建立了采場上覆巖層移動的組合巖梁模型，提出了關鍵層、巖層組合及層間離層的統一判別標準。孫國權[7]利用FLAC3D程序對某金礦采空區穩定性進行了數值模擬分析，提出了留設永久點柱治理采空區的方案。此外，Rao V S[8]、P.Jerzy[9]、賀躍光[10]、方建勤等[11]也作了類似的研究。

然而，目前針對采空區地表沉降災害的研究，較少涉及河流下伏采空區地表沉降問題，而河水一旦沿沉陷區及裂縫灌入井下，將嚴重威脅礦山正常開采，并釀成重大安全事故。因此，亟待開展河流下伏采空區地表沉降規律及處治技術研究。本研究以西石門鐵礦馬河下伏采空區誘發的地表沉降災害為工程背景，采用物探、監測、數值計算等方法，開展河流下伏采空區地表沉降規律研究，提出采用“補償法”的技術措施治理河床不均勻沉降。研究方法及處治技術可為類似河流下伏采空區地表沉降災害的治理提供參考借鑒。

1 工程背景

西石門鐵礦是一個年產量達到200萬t的大型地下鐵礦。礦區位于太行山中段東麓，東接華北平原，地勢西北高，東南低，地貌景觀由西部的中高山，過渡到低山丘陵，往東直至華北平原，一般海拔370～275 m，地形起伏不大。流經礦區中部和北部的馬河屬間歇性河流，匯水面積134 km2，洪峰流量1 812.4 m3/s。為保證采礦生產安全，初步設計中在馬河底部留有保安礦柱281.4萬t，并設計施工了人工河渠。近年來，由于民采、偷采等破壞性活動導致保安礦柱遭到嚴重破壞，河床下部已形成大量采空區，而采空區冒落已引起地面沉降，使得馬河北岸長達200 m左右范圍的公路及人工河堤沉陷、斷裂開縫。自2008年有監測數據以來，馬河沉降區最大沉降值已經超過2 m，形成面積約為33 175 m2的環形窩底狀沉降盆地，并有進一步發展的趨勢。汛期到來后，河水有可能隨時沿沉陷區及裂縫灌入井下，影響西石門鐵礦正常生產，極易釀成重大安全事故。因此，亟待開展馬河流域采空區地表沉降規律及處治技術研究，保障礦山生產安全。

2 地表沉降規律

2.1 采空區探測

采用可控源音頻大地電磁法(CSAMT法)，開展馬河下伏采空區探測。CSAMT法是一種利用人工場源激發地下不同巖石產生電導率差異，觀測場電位和磁場強度變化的電磁勘探方法。本研究CSAMT法探測采空區，使用的設備為美國ZONGE公司生產的新型GGT-10發射機和GDP-32II型多功能電法接收機系統。CSAMT法現場勘探線共7條(K1～K7)。探測采用多通道排列方式，每條測線上測點共40個(d10～d50)，測點間距為20 m，接收機與發射機間收發距離為5 km。以測線K6作為典型剖面開展地質解析，如圖1所示。

圖1 測線K6剖面地質解析

根據CSAMT法探測結果，結合相關地質資料，可以判斷探區內主要存在3種目標體，即：沉陷區、危險區、低電阻異常區。

(1)沉陷區主要分布在22～33號測點間地表至標高+80 m范圍內。該區域內不規則中、高電阻異常體相間出現，分布范圍自淺部向下收窄。

(2)危險區主要分布在34～47號測點間地表至標高+80 m范圍內。受采空區影響，該區域部分地層結構發生破壞，導致地表及地下水滲入，進而增加了誘發沉陷的可能性。

(3)低電阻異常區主要分布在31～43號測點間標高-60 m～+160 m范圍內。該區域電阻率較低，通常為采空區或礦體的表現。

其他測線上，采用CSAMT法獲取的沉陷區、危險區及低電阻異常區的分布范圍及規律，與測線K6的探測結果較為類似。

2.2 沉降監測

為掌握礦區地表沉陷實際情況，評估其對礦山安全生產的影響，西石門鐵礦從2008年7月開始陸續在馬河流域采空區上方地表布置大量沉降觀測點，監測礦區沉降發展情況。監測區域包括馬河河床、河堤公路南岸、河堤公路北岸、排洪溝等地。2008年7月至2012年4月(0 m水平礦體開采終了)沉降監測數據顯示，馬河流域采空區地表最大沉降量發生在監測點12號，累計沉降量為-2.59 m。圖2監測點1號～20號斷面累計沉降量圖顯示：2008年7月至2009年8月期間，各監測點累計沉降量增速緩慢，馬河流域沉降處于初始孕育階段；2009年8月至2012年4月期間，各監測點累計沉降量迅速增加，馬河流域沉降處于快速發展階段，需盡快開展馬河流域采空區沉陷治理工作，防止沉降進一步增加及其誘發的次生災害。另外，圖2各監測點累計沉降量大小還說明監測點12號處于整個沉降移動盆地的核心位置。

圖2 累計沉降量

2.3 數值計算

根據礦區工程資料及CSAMT法采空區探測結果，采用MIDAS/GTS軟件建立計算模型(圖3)，開展地表沉降規律數值分析研究。礦體簡化為平行六面體，傾角45°，沿走向長160 m，沿傾向長80 m，共5個開采水平(+120 m水平、+80 m水平、+40 m水平、0 m水平、-40 m水平)。每個開采分段單元網格尺寸為5 m×5 m，其他巖土體單元網格尺寸為25 m×25 m。模型整體尺寸為1 200 m×1 200 m×600 m，節點總數為84 066個，單元總數為458 443個。計算本構模型選用摩爾—庫侖屈服準則。根據礦區地質調查資料、巖石力學試驗數據，考慮尺寸效應及地層結構面的影響，確定礦巖物理力學計算參數見表1。

圖3 計算模型

巖土體容 重/(kN/m3)彈性模量/GPa泊松比內聚力/MPa內摩擦角/(°)抗拉強度/MPa第四系土210120300175230001鐵礦石3924024224946灰 巖2715032434448

根據西石門鐵礦地應力實測數據，計算時需考慮構造應力的存在，即地應力需滿足

(1)

式中，σx、σy分別為x、y方向的水平構造應力，σz為z方向的垂直應力；kx、ky分別為水平構造應力在x、y方向的側壓系數；γ為巖土體容重；h為計算深度。

根據實測地應力數據，本研究反演得到的實際側壓系數為kx=1.2，ky=2.5。

計算模型邊界條件設定為：在模型與x、y軸垂直側面邊界上施加滑動約束，即指定模型與x軸垂直兩側面x方向上的位移為0，模型與y軸垂直兩側面y方向上的位移為0；在模型底部施加固定約束，即指定模型底部邊界上x、y、z方向位移均為0。

圖4為分別考慮“構造應力+重力”作用、“重力”作用時，0 m水平開采終了垂直位移云圖。可見2種條件下，垂直位移的分布規律及范圍較為類似，地表最大沉降點出現在采空區中心對應的地表點，與12#監測點位置近似對應，而采動造成地表形成近似以采場為中心的橢圓形沉陷盆地。但是，在構造應力及重力作用下，橢圓形沉陷盆地長軸直徑約為360 m；而僅考慮重力作用時，橢圓形沉陷盆地長軸直徑約為315 m。這表明水平擠壓構造應力對開采沉陷具有一定控制作用，增加了地表移動盆地的范圍。

圖4 0 m水平開采終了垂直位移場

圖5為各水平開采終了時，12號監測點累計沉降量監測值與計算值的對比。1、2、3、4分別代表+120 m水平、+80 m水平、+40 m水平、0 m水平開挖完畢。自2008年7月開始開展地表沉降監測時起，+120 m水平礦體已開采完畢，因此實際監測只有+80 m水平以后的數據。通過12號監測點累計沉降量監測數據與計算結果對比分析，得到以下結論。

圖5 12號監測點累計沉降量

(1)+120 m水平開采結束時，“構造應力+重力”條件下沉降計算值為-0.19 m，小于“重力”條件下計算值-0.50 m；+80 m水平開采結束后，“構造應力+重力”條件下計算值與監測沉降量保持小幅增加，而“重力”條件下累計沉降量已達-1.00 m；+40 m水平開采結束后，地表沉降進入快速發展期，“構造應力+重力”條件下的沉降速度呈“突發式”增長；0 m水平開采完畢后，“構造應力+重力”、“重力”等條件下計算累計沉降量及監測累計沉降量分別為-2.39 m、-2.7 m和-2.59 m。

(2)從地表最大沉降量上看，僅考慮重力作用的計算值最大，大于實際監測值(-2.59 m)及考慮構造應力作用的計算值(-2.39 m)。這說明擠壓構造應力的存在對開采沉降量具有一定的抑制作用，使得采空區地表最大沉降量變小。“構造應力+重力”條件下的計算結果顯示，12號監測點的累計沉降量接近實際監測值，說明構造應力對采空區的影響不可忽略。

(3)從沉降速度來看，僅考慮重力作用的沉降曲線較為平滑，在分步開挖過程中，每個階段沉降量相對均衡，不會發生大規模突然沉降。實際監測值與考慮構造應力的模擬結果較為接近，呈現“突發式”增長模式。

2.4 地表沉陷范圍比較

根據CSAMT法、沉降監測、數值計算等方法的研究成果，開展當前0 m水平礦體開采結束后的地表沉陷范圍比較分析，如圖6所示。

圖6中，實線1代表通過監測獲得的當前地表沉降范圍，其結果最能反映實際狀況，為其他研究方法的參考依據；線條2為CSAMT法研究成果，其中，虛線為當前沉降范圍，實線為礦體-40 m開采完畢后地表沉陷預測范圍；虛線3為MIDAS/GTS有限元計算得到的當前地表沉降范圍，點虛線為修正后的有限元計算界線。

圖6 地表沉陷范圍比較

(1)CSAMT法研究得到的當前地表沉陷范圍略大于實際監測結果，主要在河床東北側有所延伸，此誤差是布測范圍的廣度與精度造成的。經過現場調查，防洪溝東北側雖然未布置沉降監測點，但發現該區域存在一定的地表沉降，說明CSAMT法勘探效果仍較為良好。

(2)實線2東北側是CSAMT法預測的采空區地表沉陷未來可能延伸部分，也就是-40 m水平礦體開采完畢后的地表最終沉陷范圍，該范圍是基于礦巖體地下空間分布及CSAMT法推測的危險區判定的。

(3)虛線3為MIDAS/GTS計算得到的當前地表沉降范圍，由于模型精度及計算參數的誤差，大于CSAMT法及監測結果，但其分布規律與其較為一致，仍具有一定的參考價值。

(4)結合CSAMT法及監測結果，虛線3為修正后的計算界線，較大限度地保證了沉降區研究范圍的準確度，并將其直接應用于此后馬河沉降災害處治中。

3 沉降處治技術

由于民間采礦的無序進行，流經西石門鐵礦北區與中區的馬河人工渠槽下的保安礦柱遭到嚴重破壞，冒落裂隙帶已發展到地表。雖然馬河屬于季節性河流，但雨季洪水有可能沿沉陷區及沉陷裂縫貫穿采空區，潰入井下影響西石門鐵礦的正常開采。受水平構造應力影響，馬河沉降呈“突發式”沉陷模式發展，地表移動盆地初期發展較為緩慢，而后在某一階段突然加速，大規模沉陷出現時間和強度的不確定性給沉降區治理帶來了一定困難。結合物探、監測及數值計算研究成果，開展地表沉降處治技術研究。

3.1 未來沉降趨勢分析

河床經過2011—2012年大規模沉陷后，目前處于平穩下沉狀態，隨著-40 m水平開拓完畢及大量礦體的采出，未來勢必會再次出現一定規模的下沉。根據地表沉降監測數據，可得河床最大沉降斷面現狀如圖7所示。圖7中河床寬度為100 m，沿岸河堤高度為6 m。代表西石門馬河河床當前沉陷位置線條，其最大下沉點出現在北岸河堤，最大沉降量為-2.59 m，南岸河堤受開采影響較小，沉降量近似為0 m。根據有限元數值模擬結果，可以得到-40 m水平礦體開采完畢后，河床最終沉降位置如圖中所示，最大沉降量為-3.42 m，出現在北岸河堤。

圖7 “補償法”施工剖面

3.2 “補償法”永久治理方案的提出

傳統河床沉陷治理方案一般是在河床沉陷區鋪設一層防水卷材，形成防水層，之后在防水層上鋪設一層防沖刷板。該方案在短時間內對河床沉降具有一定的防治作用，可以消除雨季洪水透過河床裂隙倒灌入井的隱患。但是隨著深部采掘的持續進行，該防滲結構會隨著河床沉陷而產生變形，進而在地面產生凹凸不平的裂隙甚至是破碎帶，進而影響到河堤的穩定性，導致內傾現象的出現。因而在洪峰來臨之前需對河床開裂區域進行大規模治理。同時，也可采用充填法回填采空區，但從經濟角度分析，該方法顯然不是最優選擇。

圖7所示河床最終沉陷界線是弧形下沉曲線。由于北岸河堤最大沉降量為-3.42 m，相對于河床寬度，其弧度較小，因而可將下沉曲線近似成直線，與沿岸河堤及初始界面成近似倒直角三角形狀。因此，在河床沉陷剖面上構造對稱直角三角形的防滲加固結構。該結構隨著河床沉陷而下沉，最終填平礦體開采造成的地表沉陷，實現河床永久治理。由于同高度下圓弧面積略大于三角形面積，經過簡單的面積換算，確定對稱三角形在豎直方向上高度為-3.72 m。未來防滲加固結構高度如圖7所示。

3.3 “補償法”治理措施

基于上述“補償法”治理河床沉陷的初步設想，開展進一步施工設計，實現馬河河床沉陷災害的有效治理。

3.3.1 “補償法”最終結構尺寸設計

作為防滲加固結構中的重要材料，黏土具有松散性，也就是天然原狀土經過開挖、運輸、堆放而松散，造成體積增大的特性。松散土與原狀土的體積之比為最初松散系數K1，其計算公式為

(2)

松散土經回填、壓實后仍比原土體積大，其最后體積與原狀土體積之比為最后松散系數K2，其計算公式為

(3)

其中，V1為原狀土體積；V2為土的最初松散體積；V3為土的最終松散體積。

經過相關規范查詢，對于普通土，K1取值為1.2～1.3，K2取值為1.03～1.04。由此可知，設計的防滲加固主體結構，其最大尺寸即對稱直角三角形頂點高度應大于初步方案里設想的3.72 m。取K1=1.3，K2=1.03，則“補償法”的頂點高度H=3.72×K1K2=4.7 m，位于馬河北岸河堤處。因此，在實際施工設計中，“補償法”防滲加固結構高度比河床最終沉陷高度最大值要大。

3.3.2 防滲加固主體結構設計

地下開采造成地表沉陷，既造成了河床大規模沉降，又使得河床表面出現大面積的裂隙，從而引發雨季倒灌入井的危險。針對馬河河床特點，提出復合型防滲加固方案。河床表面復合型防滲加固設計采用三元結構，自下而上包括剛性防水層、柔性防水層和抗沖刷層。

復合型防滲加固主體結構，一方面依靠抗剪強度高的鋼筋混凝土形成剛性隔水體，抵抗和均化河床不均勻沉降變形，有效阻止隔水層出現大面積碎裂和開縫，為其上部的柔性防水層發揮作用創造條件；另一方面，即使剛性防水層產生裂隙，也可依靠柔性材料(土工布和防水卷材)的延展性，將河水與下部裂隙過水通道有效隔離開來，從而阻止河水沿裂隙灌入井下。復合型防滲加固主體結構如圖8所示。

圖8 復合型防滲加固主體結構

剛性防水層為鋼筋混凝土，其主要作用是在馬河河床沉陷部位形成剛性支承。由于鋼筋混凝土的作用，可使河床不均勻變形減小。另外，柔性防水層鋪設在鋼筋混凝土上，在較小地面沉陷條件下，柔性防水層可免遭破壞，維持和穩定河床的過水斷面。

柔性防水層自下而上依次為防水油毛氈卷材、黏土緩沖層、復合土工膜、黏土緩沖層，其具有較好的抗變形能力，為防滲的主體結構。

抗沖刷層為加鋼筋網細石混凝土板，其主要作用是抵抗洪水季節泥石流和漂石的沖刷，保護下部柔性防水層。

3.4 “補償法”沉降處治效果

采用“補償法”治理河床的施工范圍根據圖6確定。“補償法”防滲加固結構施工效果如圖9所示。作為季節性河流，夏天雨季來臨時，馬河河水主要流經南岸河堤。由于整個防滲加固結構坡度較緩，不會影響到河水的通過。通過實施本方案，可防止洪水對河床表面沖刷破壞。柔性防水層的存在一方面防止河水透過裂隙滲入井內；另一方面，多層土壤層的壓實緩沖能夠有效應對馬河地表可能發生的小范圍沉降。“補償法”采用的超前治理結構能隨著河床的沉降而下沉，直至逐漸填平沉陷坑，最終實現馬河河床沉降的徹底治理，切實保障礦山的安全生產。從經濟角度考慮，沉降治理所采用的材料造價低廉，施工周期較短，技術經濟切實可行。

圖9 施工效果

4 結 論

(1)采用CSAMT法可將研究區域劃分為沉陷區、危險區和低電阻異常區，其中，低電阻異常區為采空區或礦體的表現。

(2)水平擠壓構造應力致使地表形成橢圓形沉陷盆地，其存在增加了地表移動盆地的范圍。

(3)水平擠壓構造應力降低了開采最大沉降量，但使累計沉降量呈現出“突發式”增長模式。

(4)針對河床不均勻沉降，提出河床“補償法”永久治理措施，該方法防滲加固主體結構包括剛性防水層、柔性防水層及抗沖刷層，可隨河床沉陷而下沉，最終填平礦體開采造成的地表不均勻沉陷。

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(責任編輯 石海林)

Research on the Surface Subsidence Regularity and Treatment Technique of Goaf Underlying River

Qi Jiandong1,2Gao Yongtao1Han Haoliang3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.XishimenIronMine,MinmetalsHanxingMiningCo.Ltd.,Wuan056303,China；3.EnergyandSafetyDivision,NationalInstituteofOccupationalSafety,Beijing100029,China)

Taking Xishimen Iron Mine as engineering background,methods such as geophysical prospecting,monitoring and numerical simulation were used to study the surface subsidence regularity of goaf underlying river.The technical measure,compensation method,was proposed to treat the riverbed with differential settlement.The main research conclusions are drawn as follows.The research region can be divided into subsidence area,danger area and low-resistance abnormal area by controlled source audio-frequency magneto-telluric,and low-resistance abnormal area generally represents the goaf or ore body.Horizontal extruding tectonic stress results in the elliptic subsidence basin formed in surface,and its existence increases the ground movement scope of basin.Horizontal extruding tectonic stress reduces the maximal mining subsidence,but makes the accumulative subsidence behave as gusty increase mode.In the permanent treatment measure of "compensation method",the main anti-seepage reinforcement structure consists of rigid waterproofing layer,flexible waterproof layer and anti-scour layer,which can sink with riverbed subsidence and fully fill the surface differential settlement caused by ore body mining.

River,Goaf,Surface subsidence,Treatment measure

2014-11-26

國家自然科學基金項目(編號：51374032)，長江學者和創新團隊發展計劃項目(編號：IRT0950)。

祁建東(1969—)，男，博士研究生。

TD823.83

A

1001-1250(2015)-02-026-06