塌陷空区治理及稳定性分析

吉学文，解联库，于世波

（1.云南驰宏锌锗股份有限公司，云南 曲靖655011；2.北京矿冶研究总院，北京100160）

地下开采形成的空区对于地下采矿和地表建筑物及地表坡体的稳定产生极大的影响［1－2］，对于生命、财产安全至关重要。不同的诱导原因和诱导机制，将对地表边坡产生不同程度的影响和不同程度的后果［5－7］，以地下空区对于地表边坡引起的边坡稳定问题最为复杂。

毛坪铅锌矿是一座开采历史悠久的矿山，地下存留有不规则的未充填采空区，随着采矿活动的不断进行，地下采空区发生了垮塌，导致矿区地表边坡出现多处塌陷及裂缝，危及了地表的安全，影响了井下矿石的顺利回采。为保证矿山地表安全稳定，实现毛坪铅锌矿深部矿体的安全开采，开展塌陷空区的治理工作十分必要。

1 地表塌陷成因分析及其治理

1.1 塌陷区现状

根据勘察报告及地质调查，毛坪铅锌矿河东区工业场地东侧山体地质灾害破坏主要为采空区垮塌诱发的地面塌陷、危岩体及变形裂缝。

1）地面塌陷。据现场实际调查，矿区内共分布两处塌陷T1和T2。

T1塌陷坑：位于东侧山坡的冲沟中部，距工业场地平面直线距离约250m。地表塌陷坑呈近椭圆形，长约30m，宽约15m，深约17.5m，坑底直径约5m。上缘向沟源侵蚀呈倒“V”字型，下缘已被塌滑物质所掩埋。

T2塌陷（大明槽塌陷）：位于东侧山坡的斜坡地带，距工业场地平面直线距离约120m，发育在斜坡较陡的部位。走向近南北向，垮塌范围长约80m，宽约30m，山坡上部塌陷深度15m左右，下部深度5～6m。上缘已形成高陡坎，并在周边形成多条倾倒式拉张裂缝。

2）危岩区（W1）。位于T2塌陷坑东侧，其危岩体主要分布于塌陷形成的陡坎处，陡岩呈近南北向，其分布陡岩长约80m，上缘陡坎距后部裂缝（9＃裂缝、10＃裂缝）约10～20m。危岩主要为塌陷后岩体应力松弛，沿岩石的节理、裂隙破裂后形成的块体，危岩体体积约为8000m3，距洛泽河河床高度约150m，属中小型高位危岩。

3）变形裂缝。据实地调查，采空区垮塌后形成地表塌陷后，在地表形成8条较大裂缝及多处小裂缝，多数裂缝走向大致为南北走向，宽度一般2～20cm，局部宽度可达50cm，裂缝延伸长100～200m，可见深度0.5～2.0m。局部地段分布有北东～南西向裂缝及北西～南东向裂缝；裂缝宽度一般0.5～100cm不等，延伸长2～50m不等，可见深度0.1～2m。其中在塌陷区附近裂缝的宽度及延伸较大，为下沉塌陷裂缝，在塌陷区北西侧裂缝宽度及延伸较小，多为拉张裂缝。

4）采空区。井下采空区主要分布在910m、896m、846m、814m及796m等中段Ⅰ＃、Ⅱ＃、Ⅲ＃矿带区域内，采空区分布、大小、形态不一，长宽高在3～30m。

1.2 塌陷成因分析

毛坪铅锌矿河东地表山坡出现塌陷坑，山体开裂变形，块石滚落下坠，矿山塌陷灾害变形破坏成因极为复杂，其根本原因是井下846m中段以上古采空区和民采空区大量存在并垮塌而引起的。其他主要影响因素有以下方面。

1）采矿活动形成的采空区打破了岩体原有应力平衡，长时期采矿对岩体应力平衡造成多次扰动，弱化了岩体力学参数，降低了岩体强度。

2）受地质构造影响在塌陷坑东部发育一背斜及多条小断层，岩体倾角陡且节理裂隙较发育，使上部岩体易产生倾倒变形、底部岩体沿软弱面产生剪切破坏。

3）地表水沿裂缝及节理渗入岩体，增大了岩体本身重量及岩体静水压力，降低了岩体软弱结构面的强度，不利于地表山坡体的稳定。

1.3 塌陷空区治理措施

井下空区治理的基本思路为：空区治理方法以充填法为主、局部封闭，对体积较大的采空区进行充填处理，以小部分分散或孤立的小空区进行人工封闭。

空区治理分二个阶段进行。第一阶段在井下对采空区进行充填及封闭处理，充填过程遵循由西往东、由下而上的优先顺序原则；第二阶段以地表塌陷坑对采空区进行高、低压注浆加固，固结充填体，并清理地表危岩。

1.3.1 井下空区充填技术措施

Ⅰ＃矿带空区与地表连通、体积大，可能引发大规模的井下空区灾害和地表地质灾害。910m水平以上空区治理没有可利用的井巷工程，同时，Ⅰ号矿带空区治理必须综合考虑残矿资源回收的的采矿环境改造。因此，设计选择“废石＋全尾砂”联合充填法治理空区。

Ⅱ＃、Ⅲ＃矿带空区处于910m水平以下，空区规模小、埋藏较深，具有废石干式充填治理空区的基本井巷工程条件，且空区对安全开采和地表的影响非常有限。因此，设计选择废石干式充填法治理空区。

1.3.2 塌陷坑注浆加固

1）采空区中心硐巷道封堵。对中心硐中段956m水平中的巷道跟下面水平中段有联通的地段，或者从采空区中流出的黄砂等松散体进行清理，并采用C25砼挡墙进行封堵，使采空区形成一个相对封闭的场所，其目的主要是防止注浆固结加固采空区松散体时，浆液从采空区中渗漏到巷道中或下面水平巷道内，避免不必要的浪费。

2）低压注浆。采用人工插管到塌陷坑内松散体的缝隙中，用水泥尾砂浆低压注浆加固塌陷坑内的松散体，使塌陷坑内的散落体胶结成整体。

3）空洞充填。通过溜槽等方式采用C15混凝土充填到塌陷坑空区内。

4）注浆孔钻探及高压注浆。当充填至塌陷坑坑顶0.5m时，按0.2∶1坡度放坡，预留钻探平台，先四周后中间施作注浆孔，采用分段钻进，分段注浆；注浆孔钻探至下部坍塌松散体下黄砂层内，控制注浆孔底部标高为956.00m。

5）检查效果。钻探检查孔，检查注浆效果，发现问题，补充注浆。

6）封顶。顶部0.5m施工黏土防渗层并进行混凝土封顶。

通过以上六步处理，达到使塌陷坑内塌陷体及塌陷洞内填充物胶结成整体，并且封堵周边裂缝及裂隙，防止地表水下渗，形成整体的加固带。

2 工程地质力学模型

为了全面、客观反映毛坪铅锌矿河东区空区群治理前后的稳定性，建立的三维工程地质力学模型的尺寸长×宽为550m×275m，上部边界为实际地表，模型主要包括了Ⅰ＃矿带以及由于地下空区群的存在、民采等引起的地表主要裂缝区域，充分利用3DMine、MIDAS、FLAC3D等软件在建模、网格划分和计算方面的优势，最终完成模拟计算和稳定性分析。模型共划分为280973个单元，48697个节点，模型底部边界为垂直方向约束，4个侧面为水平方向约束，上部边界为自由边界。

屈服准则采用莫尔－库仑模型，上部空区进行开完后运算一定步数后采用弹塑性材料进行回填，实现模拟空区治理的模拟；下部浮槽矿体910～846m中段高度60m，分四个分段开采，开采后进行弹塑性充填体材料回填模拟。模型网格及矿体网格划分见图1。

综合该矿主要围岩的物理力学性质室内试验，同时考虑试件的尺寸效应、围岩所处环境、开采扰动对围岩体的损伤等多方面的影响，对试验结果进行合理的处理。确定的毛坪铅锌矿数值计算所采用的岩体物理力学参数见表1。

图1 工程地质力学模型

表1 工程岩体物理力学参数表

3 塌陷空区稳定性分析

毛坪铅锌矿前期在未治理情况下，由于Ⅰ＃矿带大规模空区存在，整个Ⅰ＃矿带所处的山体呈现出地表部分区域塌陷、多条地裂缝存在等工程地质灾害初期表现特征，如果不及时采取有效治理措施，可能会形成巨大的安全隐患。

对于工程活动可能引起的地质体变形特征及灾害发展规律进行准确预测，对于提出合理有效的防护措施和指导后期相关工程的设计和施工具有重要的意义。

3.1 塌陷空区治理前稳定性分析

空区长时间暴露后，空区的顶板及两帮会在自重应力及构造应力的作用下，顶板老顶冒顶、折断，两帮围岩片帮、跨落，突出变现为大明槽塌陷坑的形成。当空区群地压活动日趋剧烈，波及到地表时极有可能导致地表出现大面积的滑坡等地质灾害。

通过图2（a）可以看出，受空区地压活动的影响，大明槽塌陷坑陡坡斜上方处发生大范围的变形，陡坡斜上方岩体向大明槽塌陷坑方向明显位移，大明槽塌陷坑四周围岩受拉剪破坏影响，出现滑移、倾倒破坏，最终会导致大明槽塌陷坑进一步扩展及河东区地表出现更多地裂缝，甚至出现滑坡等大的地质灾害。通过图2（a）还可以看出，整个坡体的位移分布规律与目前坡体已经产生的地裂缝的分布较吻合。

图2 空区治理前地表坡体变形破坏特征图

通过图2（b）可以看出，在空区剧烈地压活动下，大明槽塌陷坑部位作为支承坡体的陡帮部位，其塌陷使整个坡体处于一个不稳定状态，由于剧烈的地压活动和坡体支承体的塌陷，整个地表坡体出现大面积的拉剪破坏，剪切破坏分布于整个坡体，而拉破坏则呈现间隔性的出现，这种间隔性的出现表现在实际条件下为地裂缝的发生和发展。

空区地压活动及大明槽塌陷坑造成坡体内应力的调整，滑体内出现拉剪塑性破坏，坡体损伤严重，裂隙等结构面极度发育，受到降雨、爆破、地震等外来因素的影响，滑坡发生的概率将会进一步的提高。

通过对地表变形及破坏特征的分析，为保证整个山体的稳定性及深部Ⅰ＃矿带残留矿体安全开采，必须对空区进行相应处理。

3.2 塌陷空区治理后稳定性分析

为防止空区存在造成可能发生的地质灾害，矿山进行了河东区早期空区的综合整治，主要是对已存在的大明槽塌陷坑进行回填配合低压、高压注浆处理空区。

通过图3（a）可以看出，由于早期空区的地压活动，地表变形快速增长，在大明槽塌陷坑斜上方的坡体发生了较大的位移，最大变形量达到了154.5mm，地表现场在这些部位出现多条地裂缝。矿山对空区进行了治理后，地表的大部分区域由原来的拉剪破坏状态重新恢复到弹性工作状态（图3（b）），Ⅰ＃矿带的地压活动明显减弱，矿带附近的围岩体的地压显现不明显，在无外界扰动的条件下，整个空区附近的地质体处于一个相对稳定状态。

通过图4可以看出，塌陷坑陡帮处的位移逐渐收敛，变形最终趋向稳定，地压活动明显减缓，整治工作有效抑制了地压的发生和发展，最终空区及周边可能受波及的区域都处于一个稳定状态，说明矿山对空区区域的整治措施是科学有效的。

图3 空区治理后地表坡体变形破坏特征图

3.3 现场监测分析

针对前期的空区存在引起的地质灾害的分析，采用智能全站仪对治理后的空区周边关键位置布置了多个地表变形监测点进行了全天候的观测，具体如图5所示。根据布置的位于大明槽塌陷坑上部16＃监测点及其下部6＃监测点的监测结果可以看出（图6），在治理措施采取后的一段时间，地表变形受到充填体和注浆加固体的作用变形逐渐趋于稳定，说明采取的空区治理措施是合理的。

2012年9月7日，昭通市彝良县发生里氏5.7级地震，地震对整个彝良县造成了巨大的经济损失和人员伤亡，但毛坪铅锌矿在空区进行治理后，在本次地震中井下井上无一发生由于空区、滑坡等造成的人员伤亡和经济损失，再次验证了空区治理的合理性和必要性。

图4 地表监测点变形量－时步曲线图

图5 地表监测点变形监测曲线

4 结 论

本文针对毛坪铅锌矿空区的治理实践及对空区治理前后的稳定性分析，得出以下结论。

1）针对以古采和民采为主且出现部分垮塌并对地表产生一定影响的空区，空区治理方法以充填法为主、局部封闭的方法是行之有效的。

2）空区在未经治理时，地压活动日趋强烈，影响波及到地表，塌陷空区稳定性无法得到保证；空区治理后，地压活动日趋稳定，Ⅰ＃矿带附近的围岩体及地表坡体稳定性得到有效控制。

3）在空区治理已稳定的基础上，还需选择合理的回采方法，维护塌陷空区的稳定，保护下部Ⅰ＃矿带的安全开采。

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