采矿塌陷区次生灾害判别及稳定性评估

常 剑 鄢 磊 王 倩 孙丽军 许利生

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室）

矿产资源是特定地质环境条件下形成的不可再生的宝贵资源，关系到国民经济和社会的持续发展。随着地下资源的大规模开采，不断对地表产生扰动和破坏，甚至诱发地表沉陷等地质灾害，严重威胁到采矿安全和当地经济发展［1｝。

近年来随着科学技术的发展，众多新技术手段被广泛应用于地表沉陷的监测和分析中，取得了较好的结果。如基于SBAS-InSAR 技术［2-5｝通过Sentinle-1A 数据源采用小基线集技术，并行时序预测，改进了传统孔径雷达差分干涉失相干等问题，实现累计形变计算和异常变形区域的识别［6｝。无人机遥感技术在遥感技术的基础上发挥无人机技术优势，以更高效经济的监测手段获得较大规模沉陷区的近地监测的高精度结果［7-9｝，有利于进一步提取特征和分析评估。

1 工程背景

某铁矿山采用崩落采矿法开采，区域地表平坦，最高标高+44 m。目前，该区域出现约60 000 m2的沉陷区，沉陷区最低标高-53 m，最大沉陷处位于塌陷区北部，深度为97 m。应对区域沉陷，矿山方采取积极治理措施，利用废石等固体废弃物对部分沉陷区域进行回填，已回填区域位于沉陷区西部，回填区域标高约+20 m，如图1所示。区域发生大面积塌陷后，无法确定该区域内崩落带是否存在未塌陷区、拱形空区结构及沉陷后的稳定性等，威胁着进一步治理作业的安全，因此，有必要对该区域开展评估和稳定性研究。

2 塌陷区稳定性评估

2.1 拱形空区和未塌陷区预测

2.1.1 采出矿量分析

根据采出矿石量、塌陷区及崩落带空间体积，通过块体计算法对比，实现沉陷区崩落带拱形空区的预测，从而实现崩落带是否存在拱形空区初步判断。

根据矿山历年开采资料显示，该区域内共采出原矿量（赤铁矿）5 929 500 t。赤铁矿平均密度3.16 t/m3，岩石密度2.72 t/m3；回采率为78%，贫化率为22%；通过计算可知，采出原矿3.06 t/m3，则采出原矿体积为1 937 700 m3。

2.1.2 塌陷空间分析

基于块体模型的空间概念，即在一定范围内将一定的空间范围采用空间块体进行划分；采用次级块体划分以保证获得较为准确的空间拟合。每个块体对应一个质心，通过属性定义块体属性，以地表模型等作为约束条件，从而获得约束条件下的块体模型。通过计算块体模型即可获得约束区域内的矿岩量和体积。

矿山于2007 年投产，根据生产前后塌陷区所在区域地形，采用3Dmine 软件，分别建立塌陷区2007年原始地形及和塌陷区2020 年7 月地表现状DTM 模型，通过块体模型计算2007 年至2020 年7 月间沉陷体积。

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2.1.3 采出矿石量与沉陷空间平衡计算分析

通过计算结果可知，塌陷形成的空间为1 801 000 m³，矿山采出原矿量为1 937 700 m3，塌陷形成的空间为采出原矿体积的92.95%。由于矿山已在塌陷区内部分区域回填了废石，2020年7月实测塌陷区为回填了部分废石所形成的现状，同时考虑崩落带岩体松散系数，可确定崩落带内未形成较大拱形空区和未塌陷区，地表塌陷区亦随采场降深渐进扩展。在开采结束后，塌陷区趋于稳定。然而，在此降塌陷过程中形成明显地表塌陷，塌陷区是否会发生小规模二次沉陷仍无法确定。在工程实践中，采用回填的方法对地表塌陷进行处理，以保障该区域安全。

2.2 未回填塌陷区稳定性分析

显式快速拉格朗日有限差分分析法FLAC 由美国ITASCA 公司推出，广泛应用于岩土工程领域。与采用隐式有限元求解、矩阵分解法不同，该方法通过显式时程函数求解代数方程，因此，FLAC 在非线性大变形计算中更具有计算优势。该方法不需要重新构建刚度矩阵，因此不会过度消耗计算机内存容量用于存储时步刚度矩阵结果，具有较高的计算效率［11｝。因此，本文采用FLAC3D6.0对地表塌陷区沉降变形进行计算分析。

2.2.1 计算模型建立

对塌陷区进行简化建模后，建立三维网格模型，模型尺寸为200 m×200 m×370 m。将整个模型划分为5组：岩石移动散体、塌陷区基底和围岩部分（围岩自上而下划分为3组，分别为闪长岩组、砂岩组、灰岩组），如图2所示。

设置边界条件：①模型前后和左右边界施加水平约束，边界水平初始位移为零；②模型底部边界施加垂直约束，垂直初始位移为零；③模型顶部为自由边界。

2 2.2 力学参数选取

根据矿山地质报告及设计资料，用于计算的矿岩及岩移散体的力学参数见表1。

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2.2.3 计算结果分析

从图3模型位移云图中可以看出，模型最大位移沉陷位于岩移区，沉陷量为0.60～0.63 m，地表塌陷区的底部平台及与岩移区交接带的最大位移为0.5 m；处于-300 m 的岩移区底部沉降为0.05 m，基本稳定。随着岩体向深部延伸，位移形变量逐渐减少，最终趋于0。图4为模型剖面最大主应力云图，可以看出，模型均处于压应力状态，岩体随着深度增加，压应力逐渐增大。地表塌陷区域及附近岩移区处于整个水平区域的最大应力状态，说明地表模型仍有一定沉降变形。

从图5模型的塑性区分布图中可以看出，深色部分为塑性区，将模型中塑性区位置回归至实际矿山地表中，发现地表塌陷区及岩移区均处于塑性破坏状态，Z轴方向，从+20 m至地表塌陷区底部平台处于塑性破坏状态。

2.3 回填后塌陷区稳定性分析

回填体力学参数选取，见表2。通过数值模拟计算，回填治理后塌陷区位移、应力及塑性区计算结果如图6～图8所示。

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由图6 中可以看出，最大位移沉降为岩移区，沉降量为1.20～1.25 m，地表塌陷区的底部平台及与岩移区接触带的最大位移为1.0 m；-300 m 的散体底部沉降为0.1 m，基本趋于稳定状态。随岩体向深部延伸，位移变形逐渐减小，最终趋于0。

从图7 可以看出，岩体处于压应力状态，随着矿岩深度递增，矿岩应力逐渐增大。位于同一水平矿岩压应力状态相似，地表塌陷区域及附近岩移区为整个水平区域的最大应力状态，说明地表岩体仍有一定的沉降变形。塌陷区域回填废石后的应力比未回填时增大，这一结果与工程实际一致，同时验证了位移云图中，回填后的地表塌陷区位移沉降比未回填的沉降量增大这一特征。

从图8 可以看出，深色部分为塑性区，将模型中塑性区位置回归至实际矿山地表中，发现地表塌陷区及岩移区均处于塑性破坏状态，沿Z轴方向，从+20 m 至地表塌陷区底部平台及深部岩体处于塑性破坏区，回填后的塑性区域较未回填的塑性区显著增大。

采用废石回填后，由于回填体有较大的体积和荷载，会对趋于稳定的崩落带产生挤压，导致塌陷区底部平台产生一定沉降，沉降量为1.0～1.2 m，是未回填时沉降量的2 倍。-300 m 处岩移区底部沉降量为0.1 m，稳定性较未回填时变差；模型内部应力数值和塑性区分布较未回填时有所增大。

3 结 论

利用3Dmine软件分别建立了塌陷区原始地表及塌陷区现状块体模型，通过块体模型计算，得出塌陷区空间为1 801 000 m³，与采出矿石量相当，初步确定了崩落带内未形成较大拱形空区和未塌陷空区。

在塌陷区内，塌陷所形成的边坡陡峭，坡顶处存在可见张拉裂纹，说明塌陷区边坡仍存在一定的岩移和沉降，应加强监测及时防范。

塌陷区回填治理后，受回填体荷载作用塌陷区沉降量较高，可达1.0～1.2 m，建议开展监测观察，加强管护，对回填后的自然沉降及时采取相应措施。