塌陷空區(qū)治理及穩(wěn)定性分析

吉學文，解聯(lián)庫，于世波

（1.云南馳宏鋅鍺股份有限公司，云南 曲靖655011；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

地下開采形成的空區(qū)對于地下采礦和地表建筑物及地表坡體的穩(wěn)定產生極大的影響［1－2］，對于生命、財產安全至關重要。不同的誘導原因和誘導機制，將對地表邊坡產生不同程度的影響和不同程度的后果［5－7］，以地下空區(qū)對于地表邊坡引起的邊坡穩(wěn)定問題最為復雜。

毛坪鉛鋅礦是一座開采歷史悠久的礦山，地下存留有不規(guī)則的未充填采空區(qū)，隨著采礦活動的不斷進行，地下采空區(qū)發(fā)生了垮塌，導致礦區(qū)地表邊坡出現(xiàn)多處塌陷及裂縫，危及了地表的安全，影響了井下礦石的順利回采。為保證礦山地表安全穩(wěn)定，實現(xiàn)毛坪鉛鋅礦深部礦體的安全開采，開展塌陷空區(qū)的治理工作十分必要。

1 地表塌陷成因分析及其治理

1.1 塌陷區(qū)現(xiàn)狀

根據勘察報告及地質調查，毛坪鉛鋅礦河東區(qū)工業(yè)場地東側山體地質災害破壞主要為采空區(qū)垮塌誘發(fā)的地面塌陷、危巖體及變形裂縫。

1）地面塌陷。據現(xiàn)場實際調查，礦區(qū)內共分布兩處塌陷T1和T2。

T1塌陷坑：位于東側山坡的沖溝中部，距工業(yè)場地平面直線距離約250m。地表塌陷坑呈近橢圓形，長約30m，寬約15m，深約17.5m，坑底直徑約5m。上緣向溝源侵蝕呈倒“V”字型，下緣已被塌滑物質所掩埋。

T2塌陷（大明槽塌陷）：位于東側山坡的斜坡地帶，距工業(yè)場地平面直線距離約120m，發(fā)育在斜坡較陡的部位。走向近南北向，垮塌范圍長約80m，寬約30m，山坡上部塌陷深度15m左右，下部深度5～6m。上緣已形成高陡坎，并在周邊形成多條傾倒式拉張裂縫。

2）危巖區(qū)（W1）。位于T2塌陷坑東側，其危巖體主要分布于塌陷形成的陡坎處，陡巖呈近南北向，其分布陡巖長約80m，上緣陡坎距后部裂縫（9＃裂縫、10＃裂縫）約10～20m。危巖主要為塌陷后巖體應力松弛，沿巖石的節(jié)理、裂隙破裂后形成的塊體，危巖體體積約為8000m3，距洛澤河河床高度約150m，屬中小型高位危巖。

3）變形裂縫。據實地調查，采空區(qū)垮塌后形成地表塌陷后，在地表形成8條較大裂縫及多處小裂縫，多數裂縫走向大致為南北走向，寬度一般2～20cm，局部寬度可達50cm，裂縫延伸長100～200m，可見深度0.5～2.0m。局部地段分布有北東～南西向裂縫及北西～南東向裂縫；裂縫寬度一般0.5～100cm不等，延伸長2～50m不等，可見深度0.1～2m。其中在塌陷區(qū)附近裂縫的寬度及延伸較大，為下沉塌陷裂縫，在塌陷區(qū)北西側裂縫寬度及延伸較小，多為拉張裂縫。

4）采空區(qū)。井下采空區(qū)主要分布在910m、896m、846m、814m及796m等中段Ⅰ＃、Ⅱ＃、Ⅲ＃礦帶區(qū)域內，采空區(qū)分布、大小、形態(tài)不一，長寬高在3～30m。

1.2 塌陷成因分析

毛坪鉛鋅礦河東地表山坡出現(xiàn)塌陷坑，山體開裂變形，塊石滾落下墜，礦山塌陷災害變形破壞成因極為復雜，其根本原因是井下846m中段以上古采空區(qū)和民采空區(qū)大量存在并垮塌而引起的。其他主要影響因素有以下方面。

1）采礦活動形成的采空區(qū)打破了巖體原有應力平衡，長時期采礦對巖體應力平衡造成多次擾動，弱化了巖體力學參數，降低了巖體強度。

2）受地質構造影響在塌陷坑東部發(fā)育一背斜及多條小斷層，巖體傾角陡且節(jié)理裂隙較發(fā)育，使上部巖體易產生傾倒變形、底部巖體沿軟弱面產生剪切破壞。

3）地表水沿裂縫及節(jié)理滲入巖體，增大了巖體本身重量及巖體靜水壓力，降低了巖體軟弱結構面的強度，不利于地表山坡體的穩(wěn)定。

1.3 塌陷空區(qū)治理措施

井下空區(qū)治理的基本思路為：空區(qū)治理方法以充填法為主、局部封閉，對體積較大的采空區(qū)進行充填處理，以小部分分散或孤立的小空區(qū)進行人工封閉。

空區(qū)治理分二個階段進行。第一階段在井下對采空區(qū)進行充填及封閉處理，充填過程遵循由西往東、由下而上的優(yōu)先順序原則；第二階段以地表塌陷坑對采空區(qū)進行高、低壓注漿加固，固結充填體，并清理地表危巖。

1.3.1 井下空區(qū)充填技術措施

Ⅰ＃礦帶空區(qū)與地表連通、體積大，可能引發(fā)大規(guī)模的井下空區(qū)災害和地表地質災害。910m水平以上空區(qū)治理沒有可利用的井巷工程，同時，Ⅰ號礦帶空區(qū)治理必須綜合考慮殘礦資源回收的的采礦環(huán)境改造。因此，設計選擇“廢石＋全尾砂”聯(lián)合充填法治理空區(qū)。

Ⅱ＃、Ⅲ＃礦帶空區(qū)處于910m水平以下，空區(qū)規(guī)模小、埋藏較深，具有廢石干式充填治理空區(qū)的基本井巷工程條件，且空區(qū)對安全開采和地表的影響非常有限。因此，設計選擇廢石干式充填法治理空區(qū)。

1.3.2 塌陷坑注漿加固

1）采空區(qū)中心硐巷道封堵。對中心硐中段956m水平中的巷道跟下面水平中段有聯(lián)通的地段，或者從采空區(qū)中流出的黃砂等松散體進行清理，并采用C25砼擋墻進行封堵，使采空區(qū)形成一個相對封閉的場所，其目的主要是防止注漿固結加固采空區(qū)松散體時，漿液從采空區(qū)中滲漏到巷道中或下面水平巷道內，避免不必要的浪費。

2）低壓注漿。采用人工插管到塌陷坑內松散體的縫隙中，用水泥尾砂漿低壓注漿加固塌陷坑內的松散體，使塌陷坑內的散落體膠結成整體。

3）空洞充填。通過溜槽等方式采用C15混凝土充填到塌陷坑空區(qū)內。

4）注漿孔鉆探及高壓注漿。當充填至塌陷坑坑頂0.5m時，按0.2∶1坡度放坡，預留鉆探平臺，先四周后中間施作注漿孔，采用分段鉆進，分段注漿；注漿孔鉆探至下部坍塌松散體下黃砂層內，控制注漿孔底部標高為956.00m。

5）檢查效果。鉆探檢查孔，檢查注漿效果，發(fā)現(xiàn)問題，補充注漿。

6）封頂。頂部0.5m施工黏土防滲層并進行混凝土封頂。

通過以上六步處理，達到使塌陷坑內塌陷體及塌陷洞內填充物膠結成整體，并且封堵周邊裂縫及裂隙，防止地表水下滲，形成整體的加固帶。

2 工程地質力學模型

為了全面、客觀反映毛坪鉛鋅礦河東區(qū)空區(qū)群治理前后的穩(wěn)定性，建立的三維工程地質力學模型的尺寸長×寬為550m×275m，上部邊界為實際地表，模型主要包括了Ⅰ＃礦帶以及由于地下空區(qū)群的存在、民采等引起的地表主要裂縫區(qū)域，充分利用3DMine、MIDAS、FLAC3D等軟件在建模、網格劃分和計算方面的優(yōu)勢，最終完成模擬計算和穩(wěn)定性分析。模型共劃分為280973個單元，48697個節(jié)點，模型底部邊界為垂直方向約束，4個側面為水平方向約束，上部邊界為自由邊界。

屈服準則采用莫爾－庫侖模型，上部空區(qū)進行開完后運算一定步數后采用彈塑性材料進行回填，實現(xiàn)模擬空區(qū)治理的模擬；下部浮槽礦體910～846m中段高度60m，分四個分段開采，開采后進行彈塑性充填體材料回填模擬。模型網格及礦體網格劃分見圖1。

綜合該礦主要圍巖的物理力學性質室內試驗，同時考慮試件的尺寸效應、圍巖所處環(huán)境、開采擾動對圍巖體的損傷等多方面的影響，對試驗結果進行合理的處理。確定的毛坪鉛鋅礦數值計算所采用的巖體物理力學參數見表1。

圖1 工程地質力學模型

表1 工程巖體物理力學參數表

3 塌陷空區(qū)穩(wěn)定性分析

毛坪鉛鋅礦前期在未治理情況下，由于Ⅰ＃礦帶大規(guī)模空區(qū)存在，整個Ⅰ＃礦帶所處的山體呈現(xiàn)出地表部分區(qū)域塌陷、多條地裂縫存在等工程地質災害初期表現(xiàn)特征，如果不及時采取有效治理措施，可能會形成巨大的安全隱患。

對于工程活動可能引起的地質體變形特征及災害發(fā)展規(guī)律進行準確預測，對于提出合理有效的防護措施和指導后期相關工程的設計和施工具有重要的意義。

3.1 塌陷空區(qū)治理前穩(wěn)定性分析

空區(qū)長時間暴露后，空區(qū)的頂板及兩幫會在自重應力及構造應力的作用下，頂板老頂冒頂、折斷，兩幫圍巖片幫、跨落，突出變現(xiàn)為大明槽塌陷坑的形成。當空區(qū)群地壓活動日趨劇烈，波及到地表時極有可能導致地表出現(xiàn)大面積的滑坡等地質災害。

通過圖2（a）可以看出，受空區(qū)地壓活動的影響，大明槽塌陷坑陡坡斜上方處發(fā)生大范圍的變形，陡坡斜上方巖體向大明槽塌陷坑方向明顯位移，大明槽塌陷坑四周圍巖受拉剪破壞影響，出現(xiàn)滑移、傾倒破壞，最終會導致大明槽塌陷坑進一步擴展及河東區(qū)地表出現(xiàn)更多地裂縫，甚至出現(xiàn)滑坡等大的地質災害。通過圖2（a）還可以看出，整個坡體的位移分布規(guī)律與目前坡體已經產生的地裂縫的分布較吻合。

圖2 空區(qū)治理前地表坡體變形破壞特征圖

通過圖2（b）可以看出，在空區(qū)劇烈地壓活動下，大明槽塌陷坑部位作為支承坡體的陡幫部位，其塌陷使整個坡體處于一個不穩(wěn)定狀態(tài)，由于劇烈的地壓活動和坡體支承體的塌陷，整個地表坡體出現(xiàn)大面積的拉剪破壞，剪切破壞分布于整個坡體，而拉破壞則呈現(xiàn)間隔性的出現(xiàn)，這種間隔性的出現(xiàn)表現(xiàn)在實際條件下為地裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

空區(qū)地壓活動及大明槽塌陷坑造成坡體內應力的調整，滑體內出現(xiàn)拉剪塑性破壞，坡體損傷嚴重，裂隙等結構面極度發(fā)育，受到降雨、爆破、地震等外來因素的影響，滑坡發(fā)生的概率將會進一步的提高。

通過對地表變形及破壞特征的分析，為保證整個山體的穩(wěn)定性及深部Ⅰ＃礦帶殘留礦體安全開采，必須對空區(qū)進行相應處理。

3.2 塌陷空區(qū)治理后穩(wěn)定性分析

為防止空區(qū)存在造成可能發(fā)生的地質災害，礦山進行了河東區(qū)早期空區(qū)的綜合整治，主要是對已存在的大明槽塌陷坑進行回填配合低壓、高壓注漿處理空區(qū)。

通過圖3（a）可以看出，由于早期空區(qū)的地壓活動，地表變形快速增長，在大明槽塌陷坑斜上方的坡體發(fā)生了較大的位移，最大變形量達到了154.5mm，地表現(xiàn)場在這些部位出現(xiàn)多條地裂縫。礦山對空區(qū)進行了治理后，地表的大部分區(qū)域由原來的拉剪破壞狀態(tài)重新恢復到彈性工作狀態(tài)（圖3（b）），Ⅰ＃礦帶的地壓活動明顯減弱，礦帶附近的圍巖體的地壓顯現(xiàn)不明顯，在無外界擾動的條件下，整個空區(qū)附近的地質體處于一個相對穩(wěn)定狀態(tài)。

通過圖4可以看出，塌陷坑陡幫處的位移逐漸收斂，變形最終趨向穩(wěn)定，地壓活動明顯減緩，整治工作有效抑制了地壓的發(fā)生和發(fā)展，最終空區(qū)及周邊可能受波及的區(qū)域都處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，說明礦山對空區(qū)區(qū)域的整治措施是科學有效的。

圖3 空區(qū)治理后地表坡體變形破壞特征圖

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測分析

針對前期的空區(qū)存在引起的地質災害的分析，采用智能全站儀對治理后的空區(qū)周邊關鍵位置布置了多個地表變形監(jiān)測點進行了全天候的觀測，具體如圖5所示。根據布置的位于大明槽塌陷坑上部16＃監(jiān)測點及其下部6＃監(jiān)測點的監(jiān)測結果可以看出（圖6），在治理措施采取后的一段時間，地表變形受到充填體和注漿加固體的作用變形逐漸趨于穩(wěn)定，說明采取的空區(qū)治理措施是合理的。

2012年9月7日，昭通市彝良縣發(fā)生里氏5.7級地震，地震對整個彝良縣造成了巨大的經濟損失和人員傷亡，但毛坪鉛鋅礦在空區(qū)進行治理后，在本次地震中井下井上無一發(fā)生由于空區(qū)、滑坡等造成的人員傷亡和經濟損失，再次驗證了空區(qū)治理的合理性和必要性。

圖4 地表監(jiān)測點變形量－時步曲線圖

圖5 地表監(jiān)測點變形監(jiān)測曲線

4 結 論

本文針對毛坪鉛鋅礦空區(qū)的治理實踐及對空區(qū)治理前后的穩(wěn)定性分析，得出以下結論。

1）針對以古采和民采為主且出現(xiàn)部分垮塌并對地表產生一定影響的空區(qū)，空區(qū)治理方法以充填法為主、局部封閉的方法是行之有效的。

2）空區(qū)在未經治理時，地壓活動日趨強烈，影響波及到地表，塌陷空區(qū)穩(wěn)定性無法得到保證；空區(qū)治理后，地壓活動日趨穩(wěn)定，Ⅰ＃礦帶附近的圍巖體及地表坡體穩(wěn)定性得到有效控制。

3）在空區(qū)治理已穩(wěn)定的基礎上，還需選擇合理的回采方法，維護塌陷空區(qū)的穩(wěn)定，保護下部Ⅰ＃礦帶的安全開采。

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