小汪溝鐵礦地表塌陷坑出露規(guī)律與動(dòng)態(tài)綠化

摘要：崩落采礦法在鐵礦石地下開采中廣泛應(yīng)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(dòng)態(tài)綠化，是低碳開采中需要首先解決的共性難題。針對(duì)這一問題，統(tǒng)計(jì)分析地表塌陷坑的出露規(guī)律，根據(jù)塌陷坑間距計(jì)算公式，沿回采工作面的推進(jìn)方向推算塌陷坑出露部位，即為卡車回填廢石路線時(shí)須避開的危險(xiǎn)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(diǎn)，用卡車運(yùn)送露天采場(chǎng)剝離的廢石，沿兩個(gè)相互垂直的方向安全回填塌陷坑。在塌陷坑回填到預(yù)定高度后，對(duì)非采動(dòng)活躍區(qū)的充填體進(jìn)行覆土動(dòng)態(tài)綠化，同時(shí)對(duì)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(qū)綠化面積達(dá)87 %，有效維持了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，大幅降低了碳匯損失。

關(guān)鍵詞：地下開采；地表塌陷；塌陷坑回填；動(dòng)態(tài)綠化；碳匯損失

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

文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)，在國內(nèi)外鐵礦石地下開采中得到廣泛應(yīng)用［1-2］。然而，在應(yīng)用崩落采礦法開采過程中，地下采空區(qū)引發(fā)地表塌陷［3-5］，導(dǎo)致地表植被破壞，從而造成碳匯損失。礦山面對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的要求［6-8］，探究降低崩落采礦法碳排放方法勢(shì)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(fā)塌陷區(qū)動(dòng)態(tài)綠化技術(shù)，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(gè)塌陷坑［10］。針對(duì)小汪溝鐵礦地下開采引發(fā)地表出露的數(shù)十個(gè)塌陷坑，跟蹤監(jiān)測(cè)塌陷坑出露的整個(gè)過程，揭露塌陷坑出露規(guī)律，據(jù)此解決塌陷區(qū)地表安全路徑的布置等問題；同時(shí)，利用礦內(nèi)與礦外廢石安全回填地表塌陷坑，在塌陷坑回填到設(shè)定高度后，對(duì)非采動(dòng)活躍區(qū)的地表裂縫用碎石與黏土充填，并對(duì)充填體進(jìn)行覆土動(dòng)態(tài)綠化，以此恢復(fù)地表植被，有效維持了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，大幅降低了地表碳匯損失。

1 地表塌陷坑出露規(guī)律

小汪溝鐵礦為鞍山式沉積變質(zhì)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(wěn)固—穩(wěn)固的低品位緩傾斜中厚—厚礦體，采用分區(qū)崩落采礦法開采，沿礦體延伸方向劃分為上、中、下3個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)的采空區(qū)均可獨(dú)立冒透地表，3個(gè)分區(qū)同時(shí)安全開采［11］。當(dāng)分區(qū)采空區(qū)累積寬度達(dá)到上覆巖體大冒落跨度時(shí)，采空區(qū)便會(huì)冒透地表［12］。

在采空區(qū)冒透地表的瞬間，冒落區(qū)四周圍巖發(fā)生側(cè)向崩落與片落，崩落與片落的散體堆積在塌陷區(qū)內(nèi)，坑壁圍巖的強(qiáng)度與坑底散體的側(cè)向支撐力共同維持塌陷坑的穩(wěn)定性。當(dāng)坑底散體下移時(shí)，邊壁巖體因失去平衡將繼續(xù)片落或滑移，邊壁隨之進(jìn)一步外擴(kuò)，直至達(dá)到新的平衡。由于塌陷坑邊界外擴(kuò)速度比地下回采工作面外擴(kuò)速度慢，最終導(dǎo)致在新增采空區(qū)形成的新冒落拱再次發(fā)生大冒落，進(jìn)而在地表形成新的塌陷坑。應(yīng)用崩落采礦法的礦山在大面積開采時(shí)，通常會(huì)在地表先后形成多個(gè)塌陷坑。

小汪溝鐵礦地表塌陷坑分布狀態(tài)如圖1所示。上位與中位采區(qū)從300 m分段至180 m分段，先后出露了13個(gè)塌陷坑；下位采區(qū)從60 m分段開采至0 m分段時(shí)，出露3個(gè)塌陷坑。出露的塌陷坑規(guī)則分布，除K13塌陷坑由開采獨(dú)立小礦體形成外，其余塌陷坑均為開采主礦體的連續(xù)采空區(qū)形成的，且沿回采工作面的推進(jìn)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(xù)開采的塌陷坑間距計(jì)算公式［13］為：

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

按式（1）計(jì)算出塌陷坑間距，沿地下回采工作面的推進(jìn)方向，推測(cè)出下一個(gè)塌陷坑將出露的部位，該部位即為陷落的嚴(yán)防部位。在選擇塌陷坑回填路徑時(shí)，須嚴(yán)格避開這一部位，以保障回填廢石卡車運(yùn)輸?shù)缆钒踩?/p>

2 地表塌陷坑安全回填技術(shù)

在塌陷坑形成過程中，崩落或片落的散體對(duì)塌陷坑邊壁的側(cè)向支撐力隨散體深度增大而增大，當(dāng)散體深度達(dá)到一定值時(shí)，其側(cè)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(jìn)一步擴(kuò)展，此時(shí)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(qū)邊壁的支撐條件，是控制地表塌陷坑邊界進(jìn)一步外擴(kuò)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(jié)子露天采場(chǎng)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(shí)，回填時(shí)間對(duì)塌陷范圍控制影響巨大。地表初始塌陷坑形成時(shí)，受下部礦體開采與塌陷區(qū)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(qū)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(dǎo)致塌陷范圍增大了27.5 %。因此，為控制塌陷范圍不再進(jìn)一步擴(kuò)大，需要及時(shí)充填塌陷坑，一般在大冒落后1～2天，邊壁圍巖相對(duì)穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行回填作業(yè)?；靥顝?qiáng)度越大越好，只有當(dāng)回填速度不小于臨界散體柱下降速度時(shí)，才能有效保持塌陷坑邊壁的穩(wěn)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(tái)卡車運(yùn)送巖石，小汪溝鐵礦3臺(tái)卡車，共8臺(tái)卡車同時(shí)運(yùn)巖回填，充填量達(dá)1.3萬m3/d，使得塌陷區(qū)邊界從開始回填之日起未再發(fā)生明顯外擴(kuò)。

塌陷坑邊緣充填地點(diǎn)，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(shí)不會(huì)發(fā)生突然的大幅度下降而造成邊壁失穩(wěn)的位置，以避免在塌陷坑邊緣卸放廢石時(shí)遭受邊壁片落或滑落危害。此外，還需具備兩個(gè)方向的充填條件，且這兩個(gè)方向首選為相互垂直（見圖2），使充填散體流動(dòng)坡面互為支撐，以保障散體流動(dòng)坡面的穩(wěn)定性。

為 保障塌陷區(qū)邊界不外擴(kuò)，小汪溝鐵礦回填廢石高度要求不小于被保護(hù)區(qū)的地表高度。采取回填措施后，小汪溝鐵礦地表塌陷區(qū)面積遠(yuǎn)小于地下采空區(qū)面積。冒落之前的采空區(qū)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(cè)得，實(shí)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(shù)，對(duì)控制地表巖移范圍有效。

3 地表巖移區(qū)動(dòng)態(tài)綠化技術(shù)

在地下采動(dòng)巖移中，根據(jù)地表破壞程度，將采動(dòng)巖移區(qū)分為塌陷區(qū)、錯(cuò)動(dòng)區(qū)、斷裂區(qū)、裂縫區(qū)與裂紋區(qū)等5區(qū)。其中，塌陷區(qū)是采動(dòng)巖移的主體，對(duì)地表破壞程度最大，其他4區(qū)巖體雖被不同程度的裂隙切割，但每區(qū)內(nèi)的巖體基本仍保持整體性。5區(qū)內(nèi)的巖體均呈動(dòng)態(tài)變化，其破壞形式存在逐級(jí)包含關(guān)系，如裂縫區(qū)包含裂紋，斷裂區(qū)包含裂縫區(qū)與裂紋區(qū)，錯(cuò)動(dòng)區(qū)包含斷裂區(qū)、裂縫區(qū)與裂紋區(qū)等。在地下采礦影響范圍內(nèi)，5區(qū)范圍從低級(jí)（裂紋區(qū)）向高級(jí)（塌陷區(qū)）依次轉(zhuǎn)化。針對(duì)采動(dòng)巖移區(qū)各區(qū)特點(diǎn)，分別采取如下動(dòng)態(tài)綠化技術(shù)：

1）塌陷區(qū)綠化。在塌陷坑回填到預(yù)定高度，下坡方向廢石充填體高出地表后，對(duì)非采動(dòng)活躍區(qū)充填廢石堆體的上表面與坡面覆土后撒草籽，春夏季節(jié)生長出綠草，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)綠化。

2）錯(cuò)動(dòng)區(qū)治理。錯(cuò)動(dòng)區(qū)不改變地表巖層次序，且往往不會(huì)破壞植被，只是錯(cuò)動(dòng)線破壞了土壤的保水能力。對(duì)此，采用碎石與黏土及時(shí)充填錯(cuò)動(dòng)線，恢復(fù)地表土層的水土保持能力，保護(hù)地表植被不受破壞。

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

4）裂縫區(qū)治理。在裂縫區(qū)內(nèi)，巖體的節(jié)理裂隙可能局部得到擴(kuò)張，但巖體整體性不被破壞，地表巖層次序不發(fā)生變化，一般土地的平整度也不發(fā)生變化。因此，裂縫區(qū)裂縫對(duì)地表植被的破壞較小。由于裂縫的可閉合特性，在不受采動(dòng)影響或采動(dòng)影響逐漸減弱的部位，通過降雨裂縫可自然泥合；在受采動(dòng)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(qū)治理。裂紋區(qū)基本上不破壞地表土地的用途，但會(huì)對(duì)地表建筑物的強(qiáng)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(fēng)等充填泥土自然泥合。

小汪溝鐵礦應(yīng)用動(dòng)態(tài)綠化技術(shù)后，塌陷區(qū)綠化面積占比達(dá)87 %，錯(cuò)動(dòng)區(qū)、斷裂區(qū)、裂縫區(qū)與裂紋區(qū)的植被基本沒被破壞，有效維持了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境（見圖4）。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用崩落采礦法大面積開采鐵礦石時(shí)，沿地下回采工作面推進(jìn)方向在地表規(guī)律出露多個(gè)塌陷坑。根據(jù)塌陷坑間距計(jì)算公式推算出下一塌陷坑出露的位置，選擇回填路徑時(shí)必須避開該位置，并從先出露塌陷坑一側(cè)向后出露塌陷坑一側(cè)回填，可保障運(yùn)輸線路安全。

2）小汪溝鐵礦的生產(chǎn)實(shí)踐表明，利用礦山廢石向塌陷區(qū)回填廢石，陷落角控制在76°，大幅縮小了地表塌陷與錯(cuò)動(dòng)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(dòng)活躍區(qū)塌陷區(qū)內(nèi)5區(qū)的動(dòng)態(tài)綠化技術(shù)，可有效降低地表碳匯損失，維持礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

［參 考 文 獻(xiàn)］

［1］丁航行，任鳳玉．大結(jié)構(gòu)參數(shù)無底柱分段崩落法的發(fā)展及設(shè)備需求［J］．中國礦業(yè)，2012，21（10）：109-111，116．

［2］任鳳玉，丁航行，任思潼，等．傾斜礦體分區(qū)崩落采礦法高效開采技術(shù)及應(yīng)用［J］．黃金，2020，41（9）：66-71．

［3］王運(yùn)敏，陸玉根，孫國權(quán)．崩落法深部開采巖移及地表塌陷規(guī)律分析研究［J］．金屬礦山，2015（6）：6-9．

［4］徐曲，王玉平，曹華兵，等．緩傾斜厚大礦體崩落法開采對(duì)臨近構(gòu)筑物的影響［J］．安全與環(huán)境工程，2021，28（4）：35-40．

［5］VILLEGAS T T，NORDLUND E E，DAHNER-LINDQVIST C C.Hangingwall surface subsidence at the Kiirunavaara Mine，Sweden［J］.Engineering Geology，2011，121（1/2）：18-27.

［6］中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)．降低鐵礦石對(duì)外依存度，中國積極推進(jìn)資源保障“基石計(jì)劃”［J］．現(xiàn)代礦業(yè)，2022，38（4）：248．

［7］王鑫．中國爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和［J］．生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2020（12）：9-12．

［8］張松波．我國金屬礦山碳排放現(xiàn)狀及降碳路徑探討［J］．冶金經(jīng)濟(jì)與管理，2022（4）：8-11．

［9］李海英，任鳳玉，丁航行．雙碳背景下鐵礦崩落法低碳高效開采理論模型構(gòu)建［J］．化工礦物與加工，2023，52（5）：18-23．

［10］宋釗剛，胡靜云．崩落法開采地表塌陷坑沉降變形監(jiān)測(cè)研究［J］．采礦技術(shù)，2021，21（1）：84-88．

［11］李海英，任思潼，丁航行，等．崩落法分區(qū)交界礦體連續(xù)開采技術(shù)［J］．金屬礦山，2019（9）：41-44．

［12］李海英，任鳳玉，趙云峰，等．金屬礦空區(qū)冒落誘發(fā)地表塌陷范圍的計(jì)算模型探討［J］．礦冶工程，2020，40（5）：5-8．

［13］劉娜．小汪溝鐵礦分區(qū)崩落法開采巖移控制技術(shù)研究［D］．沈陽：東北大學(xué)，2019．

［14］李海英，任鳳玉，陳曉云，等．深部開采陷落范圍的預(yù)測(cè)與控制方法［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，33（11）：1 624-1 627．

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(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0801600）

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