河流下伏采空区地表沉降规律及处治技术研究

祁建东 高永涛 韩浩亮

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿,河北 武安 056303;3.国家安监总局信息研究院，北京 100029)

河流下伏采空区地表沉降规律及处治技术研究

祁建东1,2高永涛1韩浩亮3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.五矿邯邢矿业有限公司西石门铁矿,河北 武安 056303;3.国家安监总局信息研究院，北京 100029)

以西石门铁矿为工程背景，采用物探、监测、数值计算等方法，开展河流下伏采空区地表沉降规律研究，提出采用“补偿法”的技术措施治理河床不均匀沉降。主要研究结论如下：采用可控源音频大地电磁法可将研究区域划分为沉陷区、危险区和低电阻异常区，其中，低电阻异常区为采空区或矿体的表现；水平挤压构造应力致使地表形成椭圆形沉陷盆地，其存在增加了地表移动盆地的范围；水平挤压构造应力降低了开采最大沉降量，但使累计沉降量呈现出“突发式”增长模式；“补偿法”永久治理措施中，防渗加固主体结构包括刚性防水层、柔性防水层及抗冲刷层，可随河床沉陷而下沉，最终填平矿体开采造成的地表不均匀沉陷。

河流 采空区 地表沉降 处治措施

采空区是所有地下矿山开采的必然伴生物，常常诱发岩爆、冒落矿震、地表沉陷等次生灾害。其中，地表沉陷[1-3]作为一种常见的采空区诱发次生灾害，极易引起地表构筑物发生开裂及破坏，影响其正常使用功能，对矿山安全生产造成重大威胁。因此，开展采空区地表沉降规律及处治技术研究，具有重要的科学研究意义及工程应用价值。

目前，国内外学者针对采空区地表沉降灾害已开展了大量的研究工作。例如，Z.Agioutantls[4]研究了地下开采引起地表损害与沉陷量的相关关系，评价了开采对地表建构筑物的影响，并开发了地表变形预测系统用于地表沉陷的监测。W.Bochenek[5]在应用激光测斜仪及振动传感器对地表进行连续监测的基础上，分析了地表沉陷条件下不同类型建筑物对采矿方法、地质构造等各类环境因素的响应。梁运培[6]将岩层移动的关键层、岩层组合及层间离层归纳到组合岩梁模型中，建立了采场上覆岩层移动的组合岩梁模型，提出了关键层、岩层组合及层间离层的统一判别标准。孙国权[7]利用FLAC3D程序对某金矿采空区稳定性进行了数值模拟分析，提出了留设永久点柱治理采空区的方案。此外，Rao V S[8]、P.Jerzy[9]、贺跃光[10]、方建勤等[11]也作了类似的研究。

然而，目前针对采空区地表沉降灾害的研究，较少涉及河流下伏采空区地表沉降问题，而河水一旦沿沉陷区及裂缝灌入井下，将严重威胁矿山正常开采，并酿成重大安全事故。因此，亟待开展河流下伏采空区地表沉降规律及处治技术研究。本研究以西石门铁矿马河下伏采空区诱发的地表沉降灾害为工程背景，采用物探、监测、数值计算等方法，开展河流下伏采空区地表沉降规律研究，提出采用“补偿法”的技术措施治理河床不均匀沉降。研究方法及处治技术可为类似河流下伏采空区地表沉降灾害的治理提供参考借鉴。

1 工程背景

西石门铁矿是一个年产量达到200万t的大型地下铁矿。矿区位于太行山中段东麓，东接华北平原，地势西北高，东南低，地貌景观由西部的中高山，过渡到低山丘陵，往东直至华北平原，一般海拔370～275 m，地形起伏不大。流经矿区中部和北部的马河属间歇性河流，汇水面积134 km2，洪峰流量1 812.4 m3/s。为保证采矿生产安全，初步设计中在马河底部留有保安矿柱281.4万t，并设计施工了人工河渠。近年来，由于民采、偷采等破坏性活动导致保安矿柱遭到严重破坏，河床下部已形成大量采空区，而采空区冒落已引起地面沉降，使得马河北岸长达200 m左右范围的公路及人工河堤沉陷、断裂开缝。自2008年有监测数据以来，马河沉降区最大沉降值已经超过2 m，形成面积约为33 175 m2的环形窝底状沉降盆地，并有进一步发展的趋势。汛期到来后，河水有可能随时沿沉陷区及裂缝灌入井下，影响西石门铁矿正常生产，极易酿成重大安全事故。因此，亟待开展马河流域采空区地表沉降规律及处治技术研究，保障矿山生产安全。

2 地表沉降规律

2.1 采空区探测

采用可控源音频大地电磁法(CSAMT法)，开展马河下伏采空区探测。CSAMT法是一种利用人工场源激发地下不同岩石产生电导率差异，观测场电位和磁场强度变化的电磁勘探方法。本研究CSAMT法探测采空区，使用的设备为美国ZONGE公司生产的新型GGT-10发射机和GDP-32II型多功能电法接收机系统。CSAMT法现场勘探线共7条(K1～K7)。探测采用多通道排列方式，每条测线上测点共40个(d10～d50)，测点间距为20 m，接收机与发射机间收发距离为5 km。以测线K6作为典型剖面开展地质解析，如图1所示。

图1 测线K6剖面地质解析

根据CSAMT法探测结果，结合相关地质资料，可以判断探区内主要存在3种目标体，即：沉陷区、危险区、低电阻异常区。

(1)沉陷区主要分布在22～33号测点间地表至标高+80 m范围内。该区域内不规则中、高电阻异常体相间出现，分布范围自浅部向下收窄。

(2)危险区主要分布在34～47号测点间地表至标高+80 m范围内。受采空区影响，该区域部分地层结构发生破坏，导致地表及地下水渗入，进而增加了诱发沉陷的可能性。

(3)低电阻异常区主要分布在31～43号测点间标高-60 m～+160 m范围内。该区域电阻率较低，通常为采空区或矿体的表现。

其他测线上，采用CSAMT法获取的沉陷区、危险区及低电阻异常区的分布范围及规律，与测线K6的探测结果较为类似。

2.2 沉降监测

为掌握矿区地表沉陷实际情况，评估其对矿山安全生产的影响，西石门铁矿从2008年7月开始陆续在马河流域采空区上方地表布置大量沉降观测点，监测矿区沉降发展情况。监测区域包括马河河床、河堤公路南岸、河堤公路北岸、排洪沟等地。2008年7月至2012年4月(0 m水平矿体开采终了)沉降监测数据显示，马河流域采空区地表最大沉降量发生在监测点12号，累计沉降量为-2.59 m。图2监测点1号～20号断面累计沉降量图显示：2008年7月至2009年8月期间，各监测点累计沉降量增速缓慢，马河流域沉降处于初始孕育阶段；2009年8月至2012年4月期间，各监测点累计沉降量迅速增加，马河流域沉降处于快速发展阶段，需尽快开展马河流域采空区沉陷治理工作，防止沉降进一步增加及其诱发的次生灾害。另外，图2各监测点累计沉降量大小还说明监测点12号处于整个沉降移动盆地的核心位置。

图2 累计沉降量

2.3 数值计算

根据矿区工程资料及CSAMT法采空区探测结果，采用MIDAS/GTS软件建立计算模型(图3)，开展地表沉降规律数值分析研究。矿体简化为平行六面体，倾角45°，沿走向长160 m，沿倾向长80 m，共5个开采水平(+120 m水平、+80 m水平、+40 m水平、0 m水平、-40 m水平)。每个开采分段单元网格尺寸为5 m×5 m，其他岩土体单元网格尺寸为25 m×25 m。模型整体尺寸为1 200 m×1 200 m×600 m，节点总数为84 066个，单元总数为458 443个。计算本构模型选用摩尔—库仑屈服准则。根据矿区地质调查资料、岩石力学试验数据，考虑尺寸效应及地层结构面的影响，确定矿岩物理力学计算参数见表1。

图3 计算模型

岩土体容 重/(kN/m3)弹性模量/GPa泊松比内聚力/MPa内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa第四系土210120300175230001铁矿石3924024224946灰 岩2715032434448

根据西石门铁矿地应力实测数据，计算时需考虑构造应力的存在，即地应力需满足

(1)

式中，σx、σy分别为x、y方向的水平构造应力，σz为z方向的垂直应力；kx、ky分别为水平构造应力在x、y方向的侧压系数；γ为岩土体容重；h为计算深度。

根据实测地应力数据，本研究反演得到的实际侧压系数为kx=1.2，ky=2.5。

计算模型边界条件设定为：在模型与x、y轴垂直侧面边界上施加滑动约束，即指定模型与x轴垂直两侧面x方向上的位移为0，模型与y轴垂直两侧面y方向上的位移为0；在模型底部施加固定约束，即指定模型底部边界上x、y、z方向位移均为0。

图4为分别考虑“构造应力+重力”作用、“重力”作用时，0 m水平开采终了垂直位移云图。可见2种条件下，垂直位移的分布规律及范围较为类似，地表最大沉降点出现在采空区中心对应的地表点，与12#监测点位置近似对应，而采动造成地表形成近似以采场为中心的椭圆形沉陷盆地。但是，在构造应力及重力作用下，椭圆形沉陷盆地长轴直径约为360 m；而仅考虑重力作用时，椭圆形沉陷盆地长轴直径约为315 m。这表明水平挤压构造应力对开采沉陷具有一定控制作用，增加了地表移动盆地的范围。

图4 0 m水平开采终了垂直位移场

图5为各水平开采终了时，12号监测点累计沉降量监测值与计算值的对比。1、2、3、4分别代表+120 m水平、+80 m水平、+40 m水平、0 m水平开挖完毕。自2008年7月开始开展地表沉降监测时起，+120 m水平矿体已开采完毕，因此实际监测只有+80 m水平以后的数据。通过12号监测点累计沉降量监测数据与计算结果对比分析，得到以下结论。

图5 12号监测点累计沉降量

(1)+120 m水平开采结束时，“构造应力+重力”条件下沉降计算值为-0.19 m，小于“重力”条件下计算值-0.50 m；+80 m水平开采结束后，“构造应力+重力”条件下计算值与监测沉降量保持小幅增加，而“重力”条件下累计沉降量已达-1.00 m；+40 m水平开采结束后，地表沉降进入快速发展期，“构造应力+重力”条件下的沉降速度呈“突发式”增长；0 m水平开采完毕后，“构造应力+重力”、“重力”等条件下计算累计沉降量及监测累计沉降量分别为-2.39 m、-2.7 m和-2.59 m。

(2)从地表最大沉降量上看，仅考虑重力作用的计算值最大，大于实际监测值(-2.59 m)及考虑构造应力作用的计算值(-2.39 m)。这说明挤压构造应力的存在对开采沉降量具有一定的抑制作用，使得采空区地表最大沉降量变小。“构造应力+重力”条件下的计算结果显示，12号监测点的累计沉降量接近实际监测值，说明构造应力对采空区的影响不可忽略。

(3)从沉降速度来看，仅考虑重力作用的沉降曲线较为平滑，在分步开挖过程中，每个阶段沉降量相对均衡，不会发生大规模突然沉降。实际监测值与考虑构造应力的模拟结果较为接近，呈现“突发式”增长模式。

2.4 地表沉陷范围比较

根据CSAMT法、沉降监测、数值计算等方法的研究成果，开展当前0 m水平矿体开采结束后的地表沉陷范围比较分析，如图6所示。

图6中，实线1代表通过监测获得的当前地表沉降范围，其结果最能反映实际状况，为其他研究方法的参考依据；线条2为CSAMT法研究成果，其中，虚线为当前沉降范围，实线为矿体-40 m开采完毕后地表沉陷预测范围；虚线3为MIDAS/GTS有限元计算得到的当前地表沉降范围，点虚线为修正后的有限元计算界线。

图6 地表沉陷范围比较

(1)CSAMT法研究得到的当前地表沉陷范围略大于实际监测结果，主要在河床东北侧有所延伸，此误差是布测范围的广度与精度造成的。经过现场调查，防洪沟东北侧虽然未布置沉降监测点，但发现该区域存在一定的地表沉降，说明CSAMT法勘探效果仍较为良好。

(2)实线2东北侧是CSAMT法预测的采空区地表沉陷未来可能延伸部分，也就是-40 m水平矿体开采完毕后的地表最终沉陷范围，该范围是基于矿岩体地下空间分布及CSAMT法推测的危险区判定的。

(3)虚线3为MIDAS/GTS计算得到的当前地表沉降范围，由于模型精度及计算参数的误差，大于CSAMT法及监测结果，但其分布规律与其较为一致，仍具有一定的参考价值。

(4)结合CSAMT法及监测结果，虚线3为修正后的计算界线，较大限度地保证了沉降区研究范围的准确度，并将其直接应用于此后马河沉降灾害处治中。

3 沉降处治技术

由于民间采矿的无序进行，流经西石门铁矿北区与中区的马河人工渠槽下的保安矿柱遭到严重破坏，冒落裂隙带已发展到地表。虽然马河属于季节性河流，但雨季洪水有可能沿沉陷区及沉陷裂缝贯穿采空区，溃入井下影响西石门铁矿的正常开采。受水平构造应力影响，马河沉降呈“突发式”沉陷模式发展，地表移动盆地初期发展较为缓慢，而后在某一阶段突然加速，大规模沉陷出现时间和强度的不确定性给沉降区治理带来了一定困难。结合物探、监测及数值计算研究成果，开展地表沉降处治技术研究。

3.1 未来沉降趋势分析

河床经过2011—2012年大规模沉陷后，目前处于平稳下沉状态，随着-40 m水平开拓完毕及大量矿体的采出，未来势必会再次出现一定规模的下沉。根据地表沉降监测数据，可得河床最大沉降断面现状如图7所示。图7中河床宽度为100 m，沿岸河堤高度为6 m。代表西石门马河河床当前沉陷位置线条，其最大下沉点出现在北岸河堤，最大沉降量为-2.59 m，南岸河堤受开采影响较小，沉降量近似为0 m。根据有限元数值模拟结果，可以得到-40 m水平矿体开采完毕后，河床最终沉降位置如图中所示，最大沉降量为-3.42 m，出现在北岸河堤。

图7 “补偿法”施工剖面

3.2 “补偿法”永久治理方案的提出

传统河床沉陷治理方案一般是在河床沉陷区铺设一层防水卷材，形成防水层，之后在防水层上铺设一层防冲刷板。该方案在短时间内对河床沉降具有一定的防治作用，可以消除雨季洪水透过河床裂隙倒灌入井的隐患。但是随着深部采掘的持续进行，该防渗结构会随着河床沉陷而产生变形，进而在地面产生凹凸不平的裂隙甚至是破碎带，进而影响到河堤的稳定性，导致内倾现象的出现。因而在洪峰来临之前需对河床开裂区域进行大规模治理。同时，也可采用充填法回填采空区，但从经济角度分析，该方法显然不是最优选择。

图7所示河床最终沉陷界线是弧形下沉曲线。由于北岸河堤最大沉降量为-3.42 m，相对于河床宽度，其弧度较小，因而可将下沉曲线近似成直线，与沿岸河堤及初始界面成近似倒直角三角形状。因此，在河床沉陷剖面上构造对称直角三角形的防渗加固结构。该结构随着河床沉陷而下沉，最终填平矿体开采造成的地表沉陷，实现河床永久治理。由于同高度下圆弧面积略大于三角形面积，经过简单的面积换算，确定对称三角形在竖直方向上高度为-3.72 m。未来防渗加固结构高度如图7所示。

3.3 “补偿法”治理措施

基于上述“补偿法”治理河床沉陷的初步设想，开展进一步施工设计，实现马河河床沉陷灾害的有效治理。

3.3.1 “补偿法”最终结构尺寸设计

作为防渗加固结构中的重要材料，黏土具有松散性，也就是天然原状土经过开挖、运输、堆放而松散，造成体积增大的特性。松散土与原状土的体积之比为最初松散系数K1，其计算公式为

(2)

松散土经回填、压实后仍比原土体积大，其最后体积与原状土体积之比为最后松散系数K2，其计算公式为

(3)

其中，V1为原状土体积；V2为土的最初松散体积；V3为土的最终松散体积。

经过相关规范查询，对于普通土，K1取值为1.2～1.3，K2取值为1.03～1.04。由此可知，设计的防渗加固主体结构，其最大尺寸即对称直角三角形顶点高度应大于初步方案里设想的3.72 m。取K1=1.3，K2=1.03，则“补偿法”的顶点高度H=3.72×K1K2=4.7 m，位于马河北岸河堤处。因此，在实际施工设计中，“补偿法”防渗加固结构高度比河床最终沉陷高度最大值要大。

3.3.2 防渗加固主体结构设计

地下开采造成地表沉陷，既造成了河床大规模沉降，又使得河床表面出现大面积的裂隙，从而引发雨季倒灌入井的危险。针对马河河床特点，提出复合型防渗加固方案。河床表面复合型防渗加固设计采用三元结构，自下而上包括刚性防水层、柔性防水层和抗冲刷层。

复合型防渗加固主体结构，一方面依靠抗剪强度高的钢筋混凝土形成刚性隔水体，抵抗和均化河床不均匀沉降变形，有效阻止隔水层出现大面积碎裂和开缝，为其上部的柔性防水层发挥作用创造条件；另一方面，即使刚性防水层产生裂隙，也可依靠柔性材料(土工布和防水卷材)的延展性，将河水与下部裂隙过水通道有效隔离开来，从而阻止河水沿裂隙灌入井下。复合型防渗加固主体结构如图8所示。

图8 复合型防渗加固主体结构

刚性防水层为钢筋混凝土，其主要作用是在马河河床沉陷部位形成刚性支承。由于钢筋混凝土的作用，可使河床不均匀变形减小。另外，柔性防水层铺设在钢筋混凝土上，在较小地面沉陷条件下，柔性防水层可免遭破坏，维持和稳定河床的过水断面。

柔性防水层自下而上依次为防水油毛毡卷材、黏土缓冲层、复合土工膜、黏土缓冲层，其具有较好的抗变形能力，为防渗的主体结构。

抗冲刷层为加钢筋网细石混凝土板，其主要作用是抵抗洪水季节泥石流和漂石的冲刷，保护下部柔性防水层。

3.4 “补偿法”沉降处治效果

采用“补偿法”治理河床的施工范围根据图6确定。“补偿法”防渗加固结构施工效果如图9所示。作为季节性河流，夏天雨季来临时，马河河水主要流经南岸河堤。由于整个防渗加固结构坡度较缓，不会影响到河水的通过。通过实施本方案，可防止洪水对河床表面冲刷破坏。柔性防水层的存在一方面防止河水透过裂隙渗入井内；另一方面，多层土壤层的压实缓冲能够有效应对马河地表可能发生的小范围沉降。“补偿法”采用的超前治理结构能随着河床的沉降而下沉，直至逐渐填平沉陷坑，最终实现马河河床沉降的彻底治理，切实保障矿山的安全生产。从经济角度考虑，沉降治理所采用的材料造价低廉，施工周期较短，技术经济切实可行。

图9 施工效果

4 结 论

(1)采用CSAMT法可将研究区域划分为沉陷区、危险区和低电阻异常区，其中，低电阻异常区为采空区或矿体的表现。

(2)水平挤压构造应力致使地表形成椭圆形沉陷盆地，其存在增加了地表移动盆地的范围。

(3)水平挤压构造应力降低了开采最大沉降量，但使累计沉降量呈现出“突发式”增长模式。

(4)针对河床不均匀沉降，提出河床“补偿法”永久治理措施，该方法防渗加固主体结构包括刚性防水层、柔性防水层及抗冲刷层，可随河床沉陷而下沉，最终填平矿体开采造成的地表不均匀沉陷。

[1] 李俊平,赵永平,王二军.采空区处理的理论与实践[M].北京:冶金工业出版社,2012. Li Junping,Zhao Yongping,Wang Erjun.Theory and Practice of Goaf Treatment[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2012.

[2] 孙 超,薄景山,刘红帅,等.采矿区地表沉降影响因素研究[J].吉林大学学报:地球科学版,2009,39(3):498-503. Sun Chao,Bo Jingshan,Liu Hongshuai,et al.Study on influencing factors of ground settlement over mined-out area[J].Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2009,39(3):498-503.

[3] 张 巍.河北西石门铁矿采空区地表沉降监测分析与评价[J].矿产勘查,2010,1(4):407-411. Zhang Wei.Monitoring analysis and evaluation of the surface subsidence over mined-out area in Xishimen Iron Mine in Hebei[J].Mineral Exploration,2010,1(4):407-411.

[4] Agioutantis Z,Karmis M.Correlation of subsidence parameters and damage assessment due to underground mining[C]∥Proceedings of the 5th International Symposium on Environmental Issues and Waste Management in Energy and Mineral Production,Ankara:[s.n.],1998:195-201.

[5] Boehenek W,Motyka Z.Reaction of various types of buildings to diversified environmental conditions including mining and geotectonic on the basis of continuous monitoring with the use of laser tilt and vibration sensors[C]∥Proceedings of SPIE - the International Society for Optical Engineering,Bellingham:[s.n.],2000:239-245.

[6] 梁运培,孙东玲.岩层移动的组合岩梁理论及其应用研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(5):654-657. Liang Yunpei,Sun Dongling.Study on the composed rock beam theory of the strata movement and its application[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2002,21(5):654-657.

[7] 孙国权,李 娟,胡杏保.基于FLAC3D程序的采空区稳定性分析[J].金属矿山,2007(2):29-32. Sun Guoquan,Li Juan,Hu Xingbao.FLAC3D-based stability analysis of mined-out area[J].Metal Mine,2007(2):29-32.

[8] Rao V S.Analysis of development of surface subsidence at Indian coal[C]∥Proceedings of International Symposium on Mining Science and Technology,Xuzhou:[s.n.],1996:29-35.

[9] Jerzy P.Influence of mining operation upon the condition of environment in the industrial area of upper Silesia[C]∥Proceedings of Second World Mining Environment Congress,Katowice:[s.n.],1997,1:9-13.

[10] 贺跃光.工程开挖引起的地表移动与变形模型及监测技术研究[D].长沙：中南大学,2003. He Yueguang.Modeling and Monitoring of Ground Surface Movements due to Excavation[D].Changsha:Central South University,2003.

[11] 方建勤,彭振斌,颜荣贵.构造应力型开采地表沉陷规律及其工程处理方法[J].中南大学学报:自然科学版,2004,35(3):506-510. Fang Jianqin,Peng Zhenbin,Yan Ronggui.The law of tectonic stress mining ground surface subsidence and its engineering treatment method[J].Journal of Central South University of Technology:Natural Science,2004,35(3):506-510.

(责任编辑 石海林)

Research on the Surface Subsidence Regularity and Treatment Technique of Goaf Underlying River

Qi Jiandong1,2Gao Yongtao1Han Haoliang3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;2.XishimenIronMine,MinmetalsHanxingMiningCo.Ltd.,Wuan056303,China；3.EnergyandSafetyDivision,NationalInstituteofOccupationalSafety,Beijing100029,China)

Taking Xishimen Iron Mine as engineering background,methods such as geophysical prospecting,monitoring and numerical simulation were used to study the surface subsidence regularity of goaf underlying river.The technical measure,compensation method,was proposed to treat the riverbed with differential settlement.The main research conclusions are drawn as follows.The research region can be divided into subsidence area,danger area and low-resistance abnormal area by controlled source audio-frequency magneto-telluric,and low-resistance abnormal area generally represents the goaf or ore body.Horizontal extruding tectonic stress results in the elliptic subsidence basin formed in surface,and its existence increases the ground movement scope of basin.Horizontal extruding tectonic stress reduces the maximal mining subsidence,but makes the accumulative subsidence behave as gusty increase mode.In the permanent treatment measure of "compensation method",the main anti-seepage reinforcement structure consists of rigid waterproofing layer,flexible waterproof layer and anti-scour layer,which can sink with riverbed subsidence and fully fill the surface differential settlement caused by ore body mining.

River,Goaf,Surface subsidence,Treatment measure

2014-11-26

国家自然科学基金项目(编号：51374032)，长江学者和创新团队发展计划项目(编号：IRT0950)。

祁建东(1969—)，男，博士研究生。

TD823.83

A

1001-1250(2015)-02-026-06