崩落法開采地表塌陷坑沉降變形監(jiān)測研究

宋釗剛，胡靜云

(1.臨滄礦業(yè)有限公司， 云南 昆明 650300；2.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

大紅山鐵礦采用無底柱分段崩落法回采的礦體有II-1主礦體、中部礦體等，因礦體厚度、傾角與尺寸的不同，對地表塌陷沉降變形起主導(dǎo)與控制作用的是II-1主礦體。崩落法開采允許地表塌陷，但是地表巖石移動圈不能影響各類構(gòu)筑物的安全與正常使用。在大紅山鐵礦工程案例中，地表塌陷沉降變形與兩類工程（構(gòu)筑物）關(guān)系緊密，并且對礦山的正常生產(chǎn)運行起到了關(guān)鍵制約作用：一是地采與露采存在一定時期的聯(lián)合開采階段，地采區(qū)域與露采區(qū)域相隔較近，地采導(dǎo)致的上覆巖層移動與地表塌陷可能會影響露采最終邊坡的穩(wěn)定性，對露采的安全生產(chǎn)造成破壞；二是由于地表地形的限制，露采剝離廢石的排廢場選址困難，曾經(jīng)一度剝離的廢石甚至無排廢場可排，嚴(yán)重阻礙了礦山的正常生產(chǎn)運營。

前期調(diào)查與初步研究表明，II-1主礦體崩落法開采導(dǎo)致的地表塌陷沉降形成的巨大塌陷坑可以作為一個非常經(jīng)濟(jì)、理想的排廢場，但是必須要對地表塌陷沉降的變形規(guī)律與趨勢有比較深入與準(zhǔn)確的研究、上覆巖層內(nèi)沒有較大規(guī)模的隱伏空區(qū)，地表塌陷沉降是漸進(jìn)而不是突變的，排廢人員與設(shè)備才敢放心地在塌陷區(qū)周邊甚至里面進(jìn)行排廢作業(yè)。基于以上工程技術(shù)難題與研究目的，礦山開展了大量的理論研究與監(jiān)（觀）測數(shù)據(jù)分析工作，為地表塌陷坑作為排廢場提供技術(shù)保障。

1 監(jiān)（觀）測方法

圖1為地表平面關(guān)系圖，F(xiàn)2控礦斷層天然地把露采礦體與地采礦體隔離開來，構(gòu)造應(yīng)力中第一主應(yīng)力近似為南北方向。圖2為37#勘探線剖面圖。

1.1 鉆孔探測

依據(jù)崩落法開采上覆巖層從下往上依次為崩落帶、裂隙帶與彎曲帶的三帶分布的理論，采用從地表往下施工垂直大孔徑深孔的辦法，當(dāng)鉆孔施工遇到裂隙帶外邊界時，會出現(xiàn)卡鉆、繼續(xù)鉆進(jìn)困難或出現(xiàn)冒熱氣等現(xiàn)象，據(jù)此來判斷裂隙帶邊界。探測鉆孔的具體信息見表1與圖3。

1.2 地表三維沉降變形量RTK測量

在地表發(fā)生了開裂之后，礦山定期采用了GPS儀對固定的地表變形監(jiān)測點進(jìn)行了測量，儀器型號為E650-RTK，其平面測量精度為10 mm，高程測量精度為20 mm，誤差均為1×10-6，測量周期為1個月。

2014年5 月至2015年9月共施工建設(shè)了49個地表沉降變形觀測點，測點主要沿勘探線、垂直深部Ⅱ1鐵礦體走向的測線布置，測點網(wǎng)度為（100～200）m×50 m，主要分布在開采至+400 m時地表設(shè)計巖移范圍內(nèi)，見圖1。

圖1 露地聯(lián)采的空間關(guān)系俯視圖（圖中紅、藍(lán)、黑分別表示開采至400 m、200 m、0 m的75°巖移范圍）

圖2 A37#勘探線剖面

表1 探測鉆孔參數(shù)

1.3 無人機(jī)高清航拍

1.4 礦區(qū)地表形變衛(wèi)星遙感InSAR監(jiān)測

2017年9 月9 日至2019年5月26日期間，礦山委托昆明理工大學(xué)對地觀測數(shù)據(jù)云南應(yīng)用研究中心，采用我國首顆分辨率達(dá)到1 m的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）高分三號衛(wèi)星對大紅山鐵礦塌陷區(qū)為主的礦區(qū)范圍進(jìn)行了變形監(jiān)測。其工作原理是地形、地貌以及表面的微小變化可利用衛(wèi)星雷達(dá)發(fā)射微波，然后接受目標(biāo)反射的回波進(jìn)行分析。該衛(wèi)星的工作頻段為C波（5.405 GHz），衛(wèi)星軌道高度693 km，重訪周期為12 d，幅寬為20 km×20 km，分辨率能達(dá)到5 m×5 m，變形監(jiān)測精度為5 cm以內(nèi)。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 崩落采區(qū)上覆巖層裂隙帶演化過程

將各個時期鉆孔探測的結(jié)果與+850 m、+920 m巷道的地壓觀測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得到了 2010年1月、2010年9月與2011年12月3個時期上覆巖層裂隙帶外邊界的高度與范圍，見圖4所示。近兩年，裂隙帶持續(xù)地往上擴(kuò)展，從+850 m漸進(jìn)地擴(kuò)展到+1000 m，且與II-1主礦體崩落法采區(qū)的擴(kuò)大是相吻合的。

圖3 上覆巖層觀測巷道與探測鉆孔位置（A38’勘探線剖面）

圖4 巷道與鉆孔探測的裂隙帶擴(kuò)展過程

2.2 隱伏空區(qū)的推測與驗算

塌陷坑屬于突發(fā)的地表沉降變形，這是具有危險的地表沉降變形表現(xiàn)形式。而漸進(jìn)的開裂沉降是緩慢的地表沉降變形表現(xiàn)形式。產(chǎn)生這兩種不同類型的地表沉降變形表現(xiàn)形式，主要取決于上覆巖層內(nèi)是否形成了較大體積的空區(qū)、或者是上覆巖層因自身地質(zhì)條件原因預(yù)先存在溶洞或空區(qū)。上述隱伏空區(qū)的存在，是導(dǎo)致地表產(chǎn)生突發(fā)塌陷坑的唯一原因。

緩慢漸變的地表沉降變形是有利于上覆巖層與地表釋放集聚的沖擊能，而突發(fā)塌陷坑的地表沉降變形是非常有害的，它是突然、集中地釋放上覆巖層與地表集聚的彈性能，是塌陷區(qū)廢石回填工程中最應(yīng)注意的安全風(fēng)險。

以2017年12月份這個時間節(jié)點來推測與驗算上覆巖層中是否存在隱伏空區(qū)。有2個假設(shè)條件：一是上覆巖層自然崩落形成的是一個以最大分段暴露面積為底的不規(guī)則圓錐體，頂點為冒落高度；二是上覆巖層自然崩落的松散巖體在填充上述不規(guī)則圓錐體外，還需要填充崩落法采區(qū)開采形成的空區(qū)。在上述兩個假設(shè)條件下，推導(dǎo)出上覆巖層自然崩落的松散系數(shù)，評價松散系數(shù)的合理性，從而判斷上覆巖層是否有存在較大體積空區(qū)的可能性。

截止到2017年12月份，冒落高度為+1100 m標(biāo)高，主采空區(qū)暴露面積最大的分段為440分段，440分段、460分段、480分段的暴露面積依次為：9.76 萬 m2、6.88 萬 m2、4.5 萬 m2。

則上覆巖層自然崩落的松散系數(shù)的計算公式為：

式中，V1為上覆巖層自然崩落的實體體積；V2為主采空區(qū)不考慮上覆巖層自然崩落的體積；λ為巖體自然崩落的松散系數(shù)。

在兩組實驗對象入組后,于次日在空腹?fàn)顟B(tài)下抽取其外周靜脈血(3毫升)和動脈血(2毫升),采取ELISA法(酶聯(lián)吸附法)測定其IL—6、TNF—α水平,采取散射免疫比濁法測定其Hs—CRP水平,采取免疫發(fā)光法測定其BNP水平。本次實驗所用IL—6、TNF—α試劑盒為北京伯樂生命科學(xué)發(fā)展有限公司生產(chǎn),IMMAGE全自動特定蛋白分析儀和AU5800全自動生化分析儀為貝克曼庫爾特公司生產(chǎn)。

截止到2017年12月，V2為254萬m3。所以計算得出λ=1.14。

堅硬致密巖體爆破后的松散系數(shù)一般為 1.5～2.5，而巖體自然崩落的塊度一定會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于爆破后的塊度，所以其松散系數(shù)會稍微小些，巖石自然崩落的擴(kuò)容系數(shù)一般為1.15～1.3，比上述計算得到的松散系數(shù)要大。因此，通過上述分析，上覆巖層實際崩落后擴(kuò)大的體積要比采礦形成的空區(qū)體積大，上述定量計算說明上覆巖層內(nèi)存在較大體積空區(qū)的可能性非常小。

2.3 地表塌陷坑的觀測

據(jù)現(xiàn)場勘察、無人機(jī)高空懸停高清拍照等手段的調(diào)查，地表突發(fā)塌陷坑的數(shù)量為8個，最先發(fā)生的時間是2013年4月，最近的是2018年7月，塌陷坑面積最大的是2015年11月發(fā)生的，面積約為8000 m2，無人機(jī)拍攝的塌陷坑的整體照片見圖5與圖6，各塌陷坑的具體信息見表2。

地表塌陷區(qū)內(nèi)，突發(fā)塌陷坑的數(shù)量較少，其總面積約為1.334萬m2，占整個地表塌陷開裂區(qū)面積的2.9%，其他區(qū)域的沉降變形是漸進(jìn)的，所以地表塌陷變形區(qū)整體還是屬于漸進(jìn)型的。

圖5 地表整體開裂沉降照片（2017年12月15日）

圖6 地表沉降開裂圈內(nèi)突發(fā)塌陷坑分布航拍照片

表2 突發(fā)塌陷坑詳細(xì)參數(shù)

2.4 衛(wèi)星遙感InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2017年9 月9 日至2019年5月26日遙感衛(wèi)星InSAR監(jiān)測獲得的礦區(qū)地表形變分析色度圖如圖7所示，重點關(guān)注的監(jiān)測區(qū)域是排土場區(qū)域、露天采場區(qū)域以及地下采場區(qū)域。其中G1為地下開采引起的地面沉降區(qū)域，其沉降情況相對嚴(yán)重，地表仍然在持續(xù)沉降，沉降量達(dá)120 mm。G3、F1、F2與F3為排土場的沉降區(qū)域，沉降量約為50 mm，而露天采場沉降量約為10 mm，地表其他區(qū)域變形情況不是很明顯，相對穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）2010年至 2011年近 2年的時期內(nèi)，上覆巖層裂隙帶外邊界的高度與范圍持續(xù)往上擴(kuò)展，從+850 m漸進(jìn)地擴(kuò)展到+1000 m，且與II-1主礦體崩落法采區(qū)的擴(kuò)大是相吻合的。

圖7 遙感衛(wèi)星InSAR監(jiān)測地表形變分布

（2）從2010年4月首次在地表發(fā)現(xiàn)開裂至今，地表沉降開裂圈內(nèi)的高程方向的最大沉降量約為10 m，平均沉降速度為1.11 m/a、99 mm/月或3.3 mm/d。

（3）從上覆巖層自然崩落擴(kuò)容系數(shù)的角度推算，在現(xiàn)有上覆巖層與地表崩落與開裂范圍內(nèi)，只要巖體的擴(kuò)容系數(shù)為1.14左右，就可以滿足擴(kuò)容后的松散巖塊的總體積大于等于采空區(qū)體積加上產(chǎn)生崩落開裂區(qū)域的體積，巖體自然崩落的擴(kuò)容系數(shù)一般為1.15至1.3，說明上覆巖層內(nèi)存在較大體積空區(qū)的可能性非常小。

（4）從近 9年的統(tǒng)計觀測數(shù)據(jù)來講，地表發(fā)生突發(fā)性、跳躍性的塌陷坑的概率低于 3%，所占面積僅大概為2.9%，總體上不會發(fā)生突發(fā)性、跳躍性的地表變形沉降，大于97%區(qū)域的開裂、沉降是漸進(jìn)的，即首先觀察到可見的開裂縫，然后經(jīng)過約幾周的發(fā)展，開裂縫兩邊的巖體發(fā)生錯動，再經(jīng)過幾個月的發(fā)展，開裂縫張開度及其兩邊巖體的錯動距離不斷增大，在這整個過程中時間上是平穩(wěn)漸進(jìn)的，而不是突發(fā)與跳躍的，這種變形規(guī)律對行駛在塌陷區(qū)進(jìn)行廢石排放的車輛與人員來說，基本上沒有安全危害。

（5）近兩年的地表塌陷坑廢石回填治理工程的實踐也證明，地表塌陷坑的沉降變形漸進(jìn)可控，工程是安全可靠的。

（6）為了盡可能地避免局部孤立的地表區(qū)域發(fā)生突發(fā)性、跳躍性沉降變形，而形成突發(fā)塌陷坑給運輸車輛與人員帶來安全風(fēng)險，建議在車輛運輸主道路上建立永久性、實時在線的變形監(jiān)測點，測量技術(shù)手段可以選擇在線GPS儀或全自動全站儀。