塌陷空區(qū)治理及穩(wěn)定性分析

吉學(xué)文，解聯(lián)庫(kù)，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(duì)于地下采礦和地表建筑物及地表坡體的穩(wěn)定產(chǎn)生極大的影響［1－2］，對(duì)于生命、財(cái)產(chǎn)安全至關(guān)重要。不同的誘導(dǎo)原因和誘導(dǎo)機(jī)制，將對(duì)地表邊坡產(chǎn)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(duì)于地表邊坡引起的邊坡穩(wěn)定問(wèn)題最為復(fù)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(dòng)的不斷進(jìn)行，地下采空區(qū)發(fā)生了垮塌，導(dǎo)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(shí)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(jù)勘察報(bào)告及地質(zhì)調(diào)查，毛坪鉛鋅礦河?xùn)|區(qū)工業(yè)場(chǎng)地東側(cè)山體地質(zhì)災(zāi)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，礦區(qū)內(nèi)共分布兩處塌陷T1和T2。

T1塌陷坑：位于東側(cè)山坡的沖溝中部，距工業(yè)場(chǎng)地平面直線距離約250m。地表塌陷坑呈近橢圓形，長(zhǎng)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(zhì)所掩埋。

T2塌陷（大明槽塌陷）：位于東側(cè)山坡的斜坡地帶，距工業(yè)場(chǎng)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(zhǎng)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?xùn)|側(cè)，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(zhǎng)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(yīng)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(jù)實(shí)地調(diào)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(shù)裂縫走向大致為南北走向，寬度一般2～20cm，局部寬度可達(dá)50cm，裂縫延伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(nèi)，采空區(qū)分布、大小、形態(tài)不一，長(zhǎng)寬高在3～30m。

1.2 塌陷成因分析

毛坪鉛鋅礦河?xùn)|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(zāi)害變形破壞成因極為復(fù)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(dòng)形成的采空區(qū)打破了巖體原有應(yīng)力平衡，長(zhǎng)時(shí)期采礦對(duì)巖體應(yīng)力平衡造成多次擾動(dòng)，弱化了巖體力學(xué)參數(shù)，降低了巖體強(qiáng)度。

2）受地質(zhì)構(gòu)造影響在塌陷坑?xùn)|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(chǎn)生傾倒變形、底部巖體沿軟弱面產(chǎn)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(jié)構(gòu)面的強(qiáng)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(duì)體積較大的采空區(qū)進(jìn)行充填處理，以小部分分散或孤立的小空區(qū)進(jìn)行人工封閉。

空區(qū)治理分二個(gè)階段進(jìn)行。第一階段在井下對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填及封閉處理，充填過(guò)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行高、低壓注漿加固，固結(jié)充填體，并清理地表危巖。

1.3.1 井下空區(qū)充填技術(shù)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(zāi)害和地表地質(zhì)災(zāi)害。910m水平以上空區(qū)治理沒(méi)有可利用的井巷工程，同時(shí)，Ⅰ號(hào)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(shè)計(jì)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(duì)安全開采和地表的影響非常有限。因此，設(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)行清理，并采用C25砼擋墻進(jìn)行封堵，使采空區(qū)形成一個(gè)相對(duì)封閉的場(chǎng)所，其目的主要是防止注漿固結(jié)加固采空區(qū)松散體時(shí)，漿液從采空區(qū)中滲漏到巷道中或下面水平巷道內(nèi)，避免不必要的浪費(fèi)。

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

3）空洞充填。通過(guò)溜槽等方式采用C15混凝土充填到塌陷坑空區(qū)內(nèi)。

4）注漿孔鉆探及高壓注漿。當(dāng)充填至塌陷坑坑頂0.5m時(shí)，按0.2∶1坡度放坡，預(yù)留鉆探平臺(tái)，先四周后中間施作注漿孔，采用分段鉆進(jìn)，分段注漿；注漿孔鉆探至下部坍塌松散體下黃砂層內(nèi)，控制注漿孔底部標(biāo)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(wèn)題，補(bǔ)充注漿。

6）封頂。頂部0.5m施工黏土防滲層并進(jìn)行混凝土封頂。

通過(guò)以上六步處理，達(dá)到使塌陷坑內(nèi)塌陷體及塌陷洞內(nèi)填充物膠結(jié)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(zhì)力學(xué)模型

為了全面、客觀反映毛坪鉛鋅礦河?xùn)|區(qū)空區(qū)群治理前后的穩(wěn)定性，建立的三維工程地質(zhì)力學(xué)模型的尺寸長(zhǎng)×寬為550m×275m，上部邊界為實(shí)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(wǎng)格劃分和計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，最終完成模擬計(jì)算和穩(wěn)定性分析。模型共劃分為280973個(gè)單元，48697個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型底部邊界為垂直方向約束，4個(gè)側(cè)面為水平方向約束，上部邊界為自由邊界。

屈服準(zhǔn)則采用莫爾－庫(kù)侖模型，上部空區(qū)進(jìn)行開完后運(yùn)算一定步數(shù)后采用彈塑性材料進(jìn)行回填，實(shí)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(gè)分段開采，開采后進(jìn)行彈塑性充填體材料回填模擬。模型網(wǎng)格及礦體網(wǎng)格劃分見圖1。

綜合該礦主要圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)，同時(shí)考慮試件的尺寸效應(yīng)、圍巖所處環(huán)境、開采擾動(dòng)對(duì)圍巖體的損傷等多方面的影響，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行合理的處理。確定的毛坪鉛鋅礦數(shù)值計(jì)算所采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 工程地質(zhì)力學(xué)模型

表1 工程巖體物理力學(xué)參數(shù)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)?？諈^(qū)存在，整個(gè)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(zhì)災(zāi)害初期表現(xiàn)特征，如果不及時(shí)采取有效治理措施，可能會(huì)形成巨大的安全隱患。

對(duì)于工程活動(dòng)可能引起的地質(zhì)體變形特征及災(zāi)害發(fā)展規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)于提出合理有效的防護(hù)措施和指導(dǎo)后期相關(guān)工程的設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間暴露后，空區(qū)的頂板及兩幫會(huì)在自重應(yīng)力及構(gòu)造應(yīng)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(dāng)空區(qū)群地壓活動(dòng)日趨劇烈，波及到地表時(shí)極有可能導(dǎo)致地表出現(xiàn)大面積的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

通過(guò)圖2（a）可以看出，受空區(qū)地壓活動(dòng)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(huì)導(dǎo)致大明槽塌陷坑進(jìn)一步擴(kuò)展及河?xùn)|區(qū)地表出現(xiàn)更多地裂縫，甚至出現(xiàn)滑坡等大的地質(zhì)災(zāi)害。通過(guò)圖2（a）還可以看出，整個(gè)坡體的位移分布規(guī)律與目前坡體已經(jīng)產(chǎn)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(guò)圖2（b）可以看出，在空區(qū)劇烈地壓活動(dòng)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(gè)坡體處于一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，由于劇烈的地壓活動(dòng)和坡體支承體的塌陷，整個(gè)地表坡體出現(xiàn)大面積的拉剪破壞，剪切破壞分布于整個(gè)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(shí)際條件下為地裂縫的發(fā)生和發(fā)展。

空區(qū)地壓活動(dòng)及大明槽塌陷坑造成坡體內(nèi)應(yīng)力的調(diào)整，滑體內(nèi)出現(xiàn)拉剪塑性破壞，坡體損傷嚴(yán)重，裂隙等結(jié)構(gòu)面極度發(fā)育，受到降雨、爆破、地震等外來(lái)因素的影響，滑坡發(fā)生的概率將會(huì)進(jìn)一步的提高。

通過(guò)對(duì)地表變形及破壞特征的分析，為保證整個(gè)山體的穩(wěn)定性及深部Ⅰ＃礦帶殘留礦體安全開采，必須對(duì)空區(qū)進(jìn)行相應(yīng)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(zhì)災(zāi)害，礦山進(jìn)行了河?xùn)|區(qū)早期空區(qū)的綜合整治，主要是對(duì)已存在的大明槽塌陷坑進(jìn)行回填配合低壓、高壓注漿處理空區(qū)。

通過(guò)圖3（a）可以看出，由于早期空區(qū)的地壓活動(dòng)，地表變形快速增長(zhǎng)，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(dá)到了154.5mm，地表現(xiàn)場(chǎng)在這些部位出現(xiàn)多條地裂縫。礦山對(duì)空區(qū)進(jìn)行了治理后，地表的大部分區(qū)域由原來(lái)的拉剪破壞狀態(tài)重新恢復(fù)到彈性工作狀態(tài)（圖3（b）），Ⅰ＃礦帶的地壓活動(dòng)明顯減弱，礦帶附近的圍巖體的地壓顯現(xiàn)不明顯，在無(wú)外界擾動(dòng)的條件下，整個(gè)空區(qū)附近的地質(zhì)體處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)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(dòng)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(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明礦山對(duì)空區(qū)區(qū)域的整治措施是科學(xué)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(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

針對(duì)前期的空區(qū)存在引起的地質(zhì)災(zāi)害的分析，采用智能全站儀對(duì)治理后的空區(qū)周邊關(guān)鍵位置布置了多個(gè)地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了全天候的觀測(cè)，具體如圖5所示。根據(jù)布置的位于大明槽塌陷坑上部16＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其下部6＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出（圖6），在治理措施采取后的一段時(shí)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(shuō)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(jí)地震，地震對(duì)整個(gè)彝良縣造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，但毛坪鉛鋅礦在空區(qū)進(jìn)行治理后，在本次地震中井下井上無(wú)一發(fā)生由于空區(qū)、滑坡等造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，再次驗(yàn)證了空區(qū)治理的合理性和必要性。

圖4 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形量－時(shí)步曲線圖

圖5 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié) 論

本文針對(duì)毛坪鉛鋅礦空區(qū)的治理實(shí)踐及對(duì)空區(qū)治理前后的穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論。

1）針對(duì)以古采和民采為主且出現(xiàn)部分垮塌并對(duì)地表產(chǎn)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(jīng)治理時(shí)，地壓活動(dòng)日趨強(qiáng)烈，影響波及到地表，塌陷空區(qū)穩(wěn)定性無(wú)法得到保證；空區(qū)治理后，地壓活動(dòng)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(chǔ)上，還需選擇合理的回采方法，維護(hù)塌陷空區(qū)的穩(wěn)定，保護(hù)下部Ⅰ＃礦帶的安全開采。

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