大紅山鐵礦地表塌陷區綜合治理方案研究

包繼鋒　周富誠

(玉溪大紅山礦業有限公司)

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大紅山鐵礦地表塌陷區綜合治理方案研究

包繼鋒周富誠

(玉溪大紅山礦業有限公司)

摘要隨著大紅山鐵礦開采深度的不斷下降，無底柱分段崩落法開采后形成的地表塌陷區范圍逐步擴大。為解決塌陷區帶來的一系列不良影響和問題，在前期充分研究掌握礦山塌陷坑及巖移發展規律的基礎上，通過系統研究，最終采用廢石回填方式治理塌陷區，提出了單臺階堆排廢石回填技術方案，并進行地表生態恢復，方案科學合理、可操作性強，為其他礦山塌陷區治理工程提供了借鑒。

關鍵詞崩落法地表塌陷區廢石回填綜合治理

大紅山鐵礦位于云南省戛灑鎮，礦床由5個礦組共71個礦體組成，探明總儲量約4.5億t。2006年起，礦山開始進行大規模開采，現已建成井下-露天聯合開采、鐵銅合采、規模達1 400萬t/a(井下850萬t，露天550萬t)特大型金屬礦山，形成多礦段、多區段、多方法的立體聯合開采局面。隨著井下開采深度的不斷下降以及主采區無底柱分段崩落法引起的地表巖石移動范圍的不斷擴大，坑露聯采的順利銜接、塌陷區科學治理等問題逐漸成為礦山開采所面臨的難題。為實現礦山高效安全開采，同時減少復雜開采局面下的環境破壞，近年來通過產學研合作的方式，同國內知名科研院所對露天-地下時空同步開采關鍵技術問題進行一系列的科學研究，采用現場調查、相似模擬試驗、數值模擬等方法，形成了多礦體露天-地下時空同步高效綠色開采技術，并對大紅山鐵礦地表塌陷區治理工作提出了研究思路和具體方案。

1礦山開采方式

大紅山鐵礦共劃分八大采區，其中井下淺部到深部由7個不同的采區組成，根據各個采區不同的礦體賦存及開采技術條件，采用崩落法、空場法、充填法三大采礦方法。其中，規模最大的深部Ⅱ1礦組主體部分為緩傾斜厚大礦體，礦體埋深多為600 m 左右，采用大參數無底柱分段崩落法開采，采場進路間距及分段高度為20 m×20 m、20 m×30 m；露天采場采用緩幫剝離陡幫開采的山坡露天開采方式。淺部熔巖鐵礦與深部礦體的剖面位置關系見圖1。

圖1　A32線剖面

2地表塌陷區情況及危害

通過多年的開采，主采空區不斷擴大，巖層活動頻繁。出于安全考慮，2012年4月大紅山鐵礦開展了井下400萬t/a主采區空區強制落頂爆破，處理空區面積4 000 m2，通過井下地壓微震監測圖形、數據反映大爆破后地壓活動趨于平穩。目前，主采空區已形成面積為30.2萬m2的地表裂隙帶，塌陷區面積達22.9萬m2，隨著井下開采深度的不斷下降，地表裂隙帶將進一步擴大至78.1萬m2，圖2、圖3即為Ⅱ1礦組主采區開采情況與地表塌陷區位置及范圍復合圖。塌陷區位于主采空區正上方，且塌陷區面積已比主采空區大了約2倍，且地表裂隙帶仍在進一步擴大，塌陷區范圍內的地表已出現0.3～10 m的沉降，范圍內的林地、果園等均已沉降。塌陷坑的存在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，威脅人員生命，始終是一嚴重的安全隱患伴隨著礦山的全生命周期，并將對礦山的閉坑造成不小影響。為此，大紅山鐵礦開展相關研究，提出適合崩落法塌陷坑治理技術及方案措施，消除安全隱患。

3塌陷區綜合治理

3.1技術研究工作

塌陷區治理是一個系統工程，塌陷區的發展變化與地下開采及巖石結構特性有著十分密切的聯系。大紅山鐵礦針對性地開展了崩落法區段空區狀況及覆蓋層分布特征調查分析，并對該區段垮塌貫通地表后上覆巖體穩定性進行分析和評判，根據Ⅱ1礦組主采區崩礦量及出礦量，按月計算主采空區的覆蓋層厚度，目前主采區已開采至400萬t/a一期采礦工程的400 m分段，開采面積達12.3萬m2，對應的地表塌陷區的范圍則進一步擴大[1]。與此同時，為掌握塌陷區的發展變化對井下乃至地表周邊區域的影響情況，大紅山鐵礦針對井下工程布局及巖石結構、構造等因素，制訂了一套完善的地壓微震監測系統，主要監測區域包括中Ⅰ采區、中Ⅱ采區、主采區、南翼采區等各大采區，通過各采區巖石變形及應力變化實時數據的收集和分析，并與塌陷區變化情況、地下開采現狀等相結合，開展了地表塌陷區井下開采安全危害分析及控制技術研究、塌陷區對露天等周邊開采區段的影響分析及控制技術研究等，獲得了大量關于塌陷區上覆巖層及地表周邊動態變化的發展規律及變化數據[2]。

圖2　地表裂縫及井下空區形態現狀

圖3　Ⅱ縱剖面及地表裂縫變化

一般而言，外部干擾對塌陷區的影響也是不可忽視的一個方面。大紅山鐵礦地處紅河谷地段上游，年降雨量較大，另外塌陷區處在山坡上，匯水效果明顯，大紅山鐵礦著重開展了塌陷坑內回填體移動特性及雨水對回填體影響分析研究，分析其在多雨時節發生井下泥石流及大量涌水的可能性等，并提出防范措施，確保井下開采安全；與此同時，目前仍然大規模開采的采區有Ⅱ1礦組深部主采區、深部Ⅰ#銅礦帶、Ⅲ#～Ⅳ#礦、南翼采區、西翼采區、西上采區、分采采區等，處在多區段、多礦塊時空同步開采的復雜局面中[3]，通過井下開采延深及塌陷坑回填對巖移影響分析、多區段開采擾動對回填體特性影響分析、塌陷區不同回填高度及堆存方式對巖移影響分析等研究工作，圈定礦區地表動態塌陷區及安全界限，掌握崩落區巖層移動動態特性，并劃定地表塌陷區影響范圍。

通過上述分析研究得出的數據和塌陷區變化規律，結合大紅山鐵礦的實際情況，制訂出一套完善的塌陷區綜合治理方案，即主要采用井下掘進廢石、露天采場剝離廢石等進行回填治理[4]。針對塌陷區廢石回填治理工作，大紅山鐵礦開展了頂板崩落及回填廢石混合條件下的上覆巖層安全結構、崩落法塌陷區段上覆巖層流動特性、塌陷坑廢石回填安全技術、地質災害預防及監控技術等研究工作，并制訂了單臺階堆排廢石回填塌陷坑工藝，以實現塌陷區安全治理[5]。

3.2具體治理方案

沿著塌陷區東北部1 250 m等高線向下部區域推進治理，坡頂線平行于橫勘探線，治理初期并未進入塌陷區范圍內，后期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，該裂縫集中出現區域為井下480 m空區的正上方，為塌陷區最早出現裂縫區域，目前裂縫寬度達2～3 m，治理作業相對危險。推土機在坡頂線位置傾倒的廢石自然下落形成不規則坡底線，坡底線一部分位于塌陷區早期出現的集中裂縫區域(圖4)。第一步治理塌陷區面積為12.5萬m2，排放回填料體積265萬m3。第一步回填治理結束后形成的堆排臺階見圖5。

圖4　塌陷區第一步治理后的規劃

圖5　塌陷區第一步治理后的堆排臺階

在完成第一步治理工作后，沿著已形成的坡頂線繼續向塌陷區內部推進(圖6)，當坡頂線完全越過塌陷區集中裂縫出現區域時停止，此時自然形成的坡底線已覆蓋井下480 m空區正上方大部分區域，治理范圍約占目前已形成塌陷區的一半，第二步方案實施后治理塌陷區面積10.4萬m2，排放回填料體積377萬m3。第二步回填治理結束后，形成的堆排臺階見圖7。

塌陷坑是動態變化的，自身存在著緩慢平穩下沉的趨勢，依據25 mm/月的下沉速率可推算未來一年內塌陷坑下沉高度為0.3 m，上覆回填體表面也會出現0.3 m的小幅下沉。考慮塌陷坑動態變化，可計算出塌陷坑每年下沉量約9萬m3，即每年還可增補回填量9萬m3。

圖6　塌陷區第二步治理結束后的規劃

4預期成果

(1)通過塌陷區治理，提高了

圖7　塌陷區第二步治理后的堆排臺階

地表的移動角和陷落角，回填治理產生的散體充填壓坡效應可使巖石移動角增加 2°～3°，井下開采引起的地表移動范圍將縮小30～45 m，減輕對地表環境的破壞，同時減少井下相應采區的壓礦量。

(2)塌陷區治理所采用的回填物料可選擇井下掘進及露天采場剝離的廢石，方案初期可回填265萬m3，后期回填377萬m3，遠景動態回填量較大，可減少新增排廢用地，降低廢石堆排成本。

(3)在采用廢石回填治理塌陷坑后，可在表層繼續回填耕植土或采用微生物修復技術改良土壤，即可種植適合的草木植物，大大提高地表的生態環境，防止出現揚沙等惡劣氣象。

5結語

(1)塌陷區是大紅山鐵礦生產經營活動中的重要安全隱患，塌陷區治理對防止井下泥石流、消除對地表人畜安全的威脅、避免突發的地表大規模下沉開裂造成的人身傷害及財產損失等具有重要意義。

(2)根據大紅山鐵礦井下開采情況，一期開采結束后，地表移動范圍將達到810 654 m2，此時地表東北部1 280 m標高附近有民房位于該移動范圍內，礦山必須盡早開展農戶搬遷工作。

(3)礦山地表塌陷區是一個動態發展區域，礦山在回填治理過程中，應加強地表位移監測，合理安排地表回填車輛的行車路線；大風、暴雨等惡劣天氣情況以及夜間禁止開展塌陷區回填治理工作。

(4)按照國家規定對塌陷區進行綜合治理是礦山地質環境恢復治理工作的重要組成部分，是大紅山鐵礦必須開展且宜盡早開展的一項重要工作，當前著手開展塌陷區治理工作，在資金籌措、施工組織、施工難度及回填物料來源等方面都比閉坑時更有優勢。根據國內外類似塌陷區治理經驗，塌陷區經過回填治理后，不僅能改善地表環境，而且對井下開采也能起到一定的安全保障作用，建議礦山盡早開展塌陷區治理工作。

參考文獻

[1]李春雷,蔡美峰,李曉璐,等.無底柱分段崩落法開采沉陷預測研究[J].中國礦業，2006(12):45-47.

[2]蔡美峰.金屬礦山采礦設計優化與地壓控制—理論與實踐[M].北京：科學出版社，2001.

[3]解世俊.金屬礦產地下開采[M].北京:冶金工業出版社，2008.

[4]馬俊，許夢國，王平，等.無底柱分段崩落法塌陷區回填移動規律研究[J].金屬礦山，2011(8):37-40.

[5]馬俊.金山店鐵礦塌陷區回填體移動規律與回填措施研究[D].武漢：武漢科技大學，2012.

Research on the Comprehensive Treatment Scheme of Surface Subsidence in Dahongshan Iron Mine

Bao JifengZhou Fucheng

(Yuxi Dahongshan Mining Co.,Ltd.)

AbstractWith the falling of the mining depth of Dahongshan iron mine, the surface subsidence scope formed by non-pillar sublevel caving mining method is expanded gradually. In order to solve the adverse effects and problems caused by subsidence areas, based on researching the development regularities of the mine subsidence areas and rock movement, the waste rocks backfilling method is adopted to deal with the subsidence areas by systematically analysis, the waste rocks backfilling technical scheme by single step stacked is proposed, and the surface ecological environment is restored. On the whole, the scheme proposed in this paper has the characteristics of scientific, reasonable and operability. Besides that, it also has reference for the other mine subsidence areas treatment engineering.

KeywordsCaving method, Surface subsidence area, Waste rocks backfilling, Comprehensive treatment

(收稿日期2015-12-21)

包繼鋒(1964—)，男，副總經理，高級工程師，653405 云南省玉溪市新平縣戛灑鎮。