小汪溝鐵礦地表塌陷坑出露規律與動態綠化

摘要：崩落采礦法在鐵礦石地下開采中廣泛應用，但開采引起的地表塌陷破壞植被，是造成碳匯損失的主要原因，如何安全地控制地表塌陷范圍與動態綠化，是低碳開采中需要首先解決的共性難題。針對這一問題，統計分析地表塌陷坑的出露規律，根據塌陷坑間距計算公式，沿回采工作面的推進方向推算塌陷坑出露部位，即為卡車回填廢石路線時須避開的危險部位；在塌陷坑周邊選擇兩處方向垂直、邊壁下部被散體較好覆蓋的位置，作為廢石回填地點，用卡車運送露天采場剝離的廢石，沿兩個相互垂直的方向安全回填塌陷坑。在塌陷坑回填到預定高度后，對非采動活躍區的充填體進行覆土動態綠化，同時對地表裂縫用碎石與黏土充填。采取這些措施后，小汪溝鐵礦塌陷區綠化面積達87 %，有效維持了礦區生態環境，大幅降低了碳匯損失。

關鍵詞：地下開采；地表塌陷；塌陷坑回填；動態綠化；碳匯損失

中圖分類號：TD327 文章編號：1001-1277（2024）07-0102-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20240717

引 言

崩落采礦法因開采工藝簡單、安全高效等特點，在國內外鐵礦石地下開采中得到廣泛應用［1-2］。然而，在應用崩落采礦法開采過程中，地下采空區引發地表塌陷［3-5］，導致地表植被破壞，從而造成碳匯損失。礦山面對實現“雙碳”目標的要求［6-8］，探究降低崩落采礦法碳排放方法勢在必行。地表因塌陷巖移破壞造成的碳匯損失，是崩落采礦法碳排放核算中的重要組成部分［9］。為此，研究地表塌陷坑控制方法，開發塌陷區動態綠化技術，降低碳匯損失，是減小崩落采礦法碳排放量的重要措施之一。在金屬礦山地下開采過程中，地表往往出露多個塌陷坑［10］。針對小汪溝鐵礦地下開采引發地表出露的數十個塌陷坑，跟蹤監測塌陷坑出露的整個過程，揭露塌陷坑出露規律，據此解決塌陷區地表安全路徑的布置等問題；同時，利用礦內與礦外廢石安全回填地表塌陷坑，在塌陷坑回填到設定高度后，對非采動活躍區的地表裂縫用碎石與黏土充填，并對充填體進行覆土動態綠化，以此恢復地表植被，有效維持了礦區生態環境，大幅降低了地表碳匯損失。

1 地表塌陷坑出露規律

小汪溝鐵礦為鞍山式沉積變質磁鐵礦床，礦體呈似層狀，傾角一般20°～40°，厚度20～90 m，礦石平均品位28.94 %，屬于礦巖中等穩固—穩固的低品位緩傾斜中厚—厚礦體，采用分區崩落采礦法開采，沿礦體延伸方向劃分為上、中、下3個分區，每個分區的采空區均可獨立冒透地表，3個分區同時安全開采［11］。當分區采空區累積寬度達到上覆巖體大冒落跨度時，采空區便會冒透地表［12］。

在采空區冒透地表的瞬間，冒落區四周圍巖發生側向崩落與片落，崩落與片落的散體堆積在塌陷區內，坑壁圍巖的強度與坑底散體的側向支撐力共同維持塌陷坑的穩定性。當坑底散體下移時，邊壁巖體因失去平衡將繼續片落或滑移，邊壁隨之進一步外擴，直至達到新的平衡。由于塌陷坑邊界外擴速度比地下回采工作面外擴速度慢，最終導致在新增采空區形成的新冒落拱再次發生大冒落，進而在地表形成新的塌陷坑。應用崩落采礦法的礦山在大面積開采時，通常會在地表先后形成多個塌陷坑。

小汪溝鐵礦地表塌陷坑分布狀態如圖1所示。上位與中位采區從300 m分段至180 m分段，先后出露了13個塌陷坑；下位采區從60 m分段開采至0 m分段時，出露3個塌陷坑。出露的塌陷坑規則分布，除K13塌陷坑由開采獨立小礦體形成外，其余塌陷坑均為開采主礦體的連續采空區形成的，且沿回采工作面的推進方向依次出露。

塌陷坑間距主要取決于所在部位巖體的臨界大冒落跨度，以塌陷坑中心位置巖體的臨界大冒落跨度為自變量，主礦體連續開采的塌陷坑間距計算公式［13］為：

式中：D為塌陷坑間距（m）；Lc為采空區大冒落跨度（m）；ΔL為與采空區跨度的分段增量有關的補償量，ΔL=0～5 m；σc為采空區頂板圍巖的抗壓強度（MPa）；d為承壓拱頂部圍巖承受水平壓力的等價厚度，與巖體結構有關，一般d=1.0～2.0 m；H為采空區底板埋深（m）；hf為地表弱化層厚度（m）；ρ為采空區上覆巖體平均密度（t/m3）。

按式（1）計算出塌陷坑間距，沿地下回采工作面的推進方向，推測出下一個塌陷坑將出露的部位，該部位即為陷落的嚴防部位。在選擇塌陷坑回填路徑時，須嚴格避開這一部位，以保障回填廢石卡車運輸道路安全。

2 地表塌陷坑安全回填技術

在塌陷坑形成過程中，崩落或片落的散體對塌陷坑邊壁的側向支撐力隨散體深度增大而增大，當散體深度達到一定值時，其側向支撐力可完全限制圍巖的碎脹空間，由此控制塌陷坑邊壁的進一步擴展，此時從表層到該位置起支撐作用的散體層，稱為臨界散體柱［14］。維持與增加臨界散體柱的位置高度，保持與改善塌陷區邊壁的支撐條件，是控制地表塌陷坑邊界進一步外擴的重要途徑。為盡可能地控制地表巖移范圍，向塌陷坑回填廢石是簡單易行的有效方法，因此需保證足夠的廢石。小汪溝鐵礦利用腰節子露天采場剝離的廢石，以及地表磁滑輪甩棄的井下出坑廢石回填塌陷坑，但廢石量仍不足，于是同相鄰的金昌鐵礦合作，解決了回填廢石的來源問題。

在采用廢石回填塌陷坑時，回填時間對塌陷范圍控制影響巨大。地表初始塌陷坑形成時，受下部礦體開采與塌陷區散體的雙重影響，臨界散體柱下降速度較快。例如：小汪溝鐵礦下位采區的初始塌陷坑坑口長110 m、寬55 m、深35 m，體積約9.07萬m 由于各種原因推遲11天才開始回填廢石，導致塌陷范圍增大了27.5 %。因此，為控制塌陷范圍不再進一步擴大，需要及時充填塌陷坑，一般在大冒落后1～2天，邊壁圍巖相對穩定時進行回填作業?；靥顝姸仍酱笤胶茫挥挟敾靥钏俣炔恍∮谂R界散體柱下降速度時，才能有效保持塌陷坑邊壁的穩定性。小汪溝鐵礦從第12天開始回填塌陷坑，其中，金昌鐵礦每班5臺卡車運送巖石，小汪溝鐵礦3臺卡車，共8臺卡車同時運巖回填，充填量達1.3萬m3/d，使得塌陷區邊界從開始回填之日起未再發生明顯外擴。

塌陷坑邊緣充填地點，則需要選擇在坑底有良好的散體堆積，且堆積散體在下放礦下移時不會發生突然的大幅度下降而造成邊壁失穩的位置，以避免在塌陷坑邊緣卸放廢石時遭受邊壁片落或滑落危害。此外，還需具備兩個方向的充填條件，且這兩個方向首選為相互垂直（見圖2），使充填散體流動坡面互為支撐，以保障散體流動坡面的穩定性。

為 保障塌陷區邊界不外擴，小汪溝鐵礦回填廢石高度要求不小于被保護區的地表高度。采取回填措施后，小汪溝鐵礦地表塌陷區面積遠小于地下采空區面積。冒落之前的采空區頂部邊界與塌陷坑邊界的連線與水平面之間的夾角稱之為陷落角。由剖面圖測得，實際陷落角67°～79°，平均值為76°（見圖3）。

小汪溝鐵礦最大采深約390 m，按陷落角76°估算，塌陷面積不足地下回采面積的12 %，且采深越大，塌陷面積占比越小。深部傾斜礦體地表回填塌陷坑技術，對控制地表巖移范圍有效。

3 地表巖移區動態綠化技術

在地下采動巖移中，根據地表破壞程度，將采動巖移區分為塌陷區、錯動區、斷裂區、裂縫區與裂紋區等5區。其中，塌陷區是采動巖移的主體，對地表破壞程度最大，其他4區巖體雖被不同程度的裂隙切割，但每區內的巖體基本仍保持整體性。5區內的巖體均呈動態變化，其破壞形式存在逐級包含關系，如裂縫區包含裂紋，斷裂區包含裂縫區與裂紋區，錯動區包含斷裂區、裂縫區與裂紋區等。在地下采礦影響范圍內，5區范圍從低級（裂紋區）向高級（塌陷區）依次轉化。針對采動巖移區各區特點，分別采取如下動態綠化技術：

1）塌陷區綠化。在塌陷坑回填到預定高度，下坡方向廢石充填體高出地表后，對非采動活躍區充填廢石堆體的上表面與坡面覆土后撒草籽，春夏季節生長出綠草，實現了動態綠化。

2）錯動區治理。錯動區不改變地表巖層次序，且往往不會破壞植被，只是錯動線破壞了土壤的保水能力。對此，采用碎石與黏土及時充填錯動線，恢復地表土層的水土保持能力，保護地表植被不受破壞。

3）斷裂區治理。斷裂區內的被斷裂體，一般均與母體保持固體連接關系。因此，被斷裂線切割的巖體仍保持整體性，且斷裂區內的地表巖層次序不發生變化，一般地貌也不發生明顯變化。采用黏土充填或泥合斷裂線，即可恢復地表土層的水土保持能力。

4）裂縫區治理。在裂縫區內，巖體的節理裂隙可能局部得到擴張，但巖體整體性不被破壞，地表巖層次序不發生變化，一般土地的平整度也不發生變化。因此，裂縫區裂縫對地表植被的破壞較小。由于裂縫的可閉合特性，在不受采動影響或采動影響逐漸減弱的部位，通過降雨裂縫可自然泥合；在受采動影響明顯部位，則可采用人工覆土或泥縫的方法，維系地表土層的基本用途。

5）裂紋區治理。裂紋區基本上不破壞地表土地的用途，但會對地表建筑物的強度造成或多或少的破壞。地表裂紋的治理，主要依靠降雨與刮風等充填泥土自然泥合。

小汪溝鐵礦應用動態綠化技術后，塌陷區綠化面積占比達87 %，錯動區、斷裂區、裂縫區與裂紋區的植被基本沒被破壞，有效維持了礦區生態環境（見圖4）。

4 結 論

1）應用崩落采礦法大面積開采鐵礦石時，沿地下回采工作面推進方向在地表規律出露多個塌陷坑。根據塌陷坑間距計算公式推算出下一塌陷坑出露的位置，選擇回填路徑時必須避開該位置，并從先出露塌陷坑一側向后出露塌陷坑一側回填，可保障運輸線路安全。

2）小汪溝鐵礦的生產實踐表明，利用礦山廢石向塌陷區回填廢石，陷落角控制在76°，大幅縮小了地表塌陷與錯動等巖移破壞范圍。

3）地下開采引起的地表塌陷是造成碳匯損失的主要因素，提出的非采動活躍區塌陷區內5區的動態綠化技術，可有效降低地表碳匯損失，維持礦區生態環境。

［參 考 文 獻］

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Surface subsidence pit exposure patterns and dynamic greening in Xiaowanggou Iron Mine

Zhao Yunfeng

Abstract：The caving mining method is widely used in underground iron ore mining，but the resulting surface subsidence damages vegetation，leading to significant carbon sink losses.Safely controlling the extent of surface subsidence and implementing dynamic greening are common challenges that need to be addressed for low-carbon mining.To tackle this issue，the exposure patterns of surface subsidence pits are statistically analyzed.Using the calculation formula for the distance between subsidence pits，the exposure locations of the pits along the advancing direction of the mining working face are predicted，identifying dangerous areas to avoid during truck backfill of waste rock.Two perpendicular directions around the subsidence pits are selected，where the lower edges are well-covered by loose materials，as backfill sites for waste rock.Trucks transport waste rock from the open-pit stripping operation and safely backfill the subsi-dence pits in these two perpendicular directions.After the subsidence pits are backfilled to the predetermined height，dynamic greening with soil covering is performed in non-active mining areas，while surface cracks are filled with gravel and clay.After implementing these measures， the greening area of the subsidence zone in Xiaowanggou Iron Mine reached 87 %，effectively maintaining the ecological environment of the mining area and significantly reducing carbon sink losses.

Keywords：underground mining;surface subsidence;subsidence pit backfill;dynamic greening;carbon sink loss

收稿日期：2024-03-01; 修回日期：2024-05-07

基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFC0801600）

作者簡介：趙云峰（1970—），男，工程師，從事金屬礦開采技術研究及管理工作；E-mail：zhaoyunf@163.com