宋钊刚，胡静云

(1.临沧矿业有限公司， 云南 昆明 650300；2.长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

大红山铁矿采用无底柱分段崩落法回采的矿体有II-1主矿体、中部矿体等，因矿体厚度、倾角与尺寸的不同，对地表塌陷沉降变形起主导与控制作用的是II-1主矿体。崩落法开采允许地表塌陷，但是地表岩石移动圈不能影响各类构筑物的安全与正常使用。在大红山铁矿工程案例中，地表塌陷沉降变形与两类工程（构筑物）关系紧密，并且对矿山的正常生产运行起到了关键制约作用：一是地采与露采存在一定时期的联合开采阶段，地采区域与露采区域相隔较近，地采导致的上覆岩层移动与地表塌陷可能会影响露采最终边坡的稳定性，对露采的安全生产造成破坏；二是由于地表地形的限制，露采剥离废石的排废场选址困难，曾经一度剥离的废石甚至无排废场可排，严重阻碍了矿山的正常生产运营。

前期调查与初步研究表明，II-1主矿体崩落法开采导致的地表塌陷沉降形成的巨大塌陷坑可以作为一个非常经济、理想的排废场，但是必须要对地表塌陷沉降的变形规律与趋势有比较深入与准确的研究、上覆岩层内没有较大规模的隐伏空区，地表塌陷沉降是渐进而不是突变的，排废人员与设备才敢放心地在塌陷区周边甚至里面进行排废作业。基于以上工程技术难题与研究目的，矿山开展了大量的理论研究与监（观）测数据分析工作，为地表塌陷坑作为排废场提供技术保障。

1 监（观）测方法

图1为地表平面关系图，F2控矿断层天然地把露采矿体与地采矿体隔离开来，构造应力中第一主应力近似为南北方向。图2为37#勘探线剖面图。

1.1 钻孔探测

依据崩落法开采上覆岩层从下往上依次为崩落带、裂隙带与弯曲带的三带分布的理论，采用从地表往下施工垂直大孔径深孔的办法，当钻孔施工遇到裂隙带外边界时，会出现卡钻、继续钻进困难或出现冒热气等现象，据此来判断裂隙带边界。探测钻孔的具体信息见表1与图3。

1.2 地表三维沉降变形量RTK测量

在地表发生了开裂之后，矿山定期采用了GPS仪对固定的地表变形监测点进行了测量，仪器型号为E650-RTK，其平面测量精度为10 mm，高程测量精度为20 mm，误差均为1×10-6，测量周期为1个月。

2014年5 月至2015年9月共施工建设了49个地表沉降变形观测点，测点主要沿勘探线、垂直深部Ⅱ1铁矿体走向的测线布置，测点网度为（100～200）m×50 m，主要分布在开采至+400 m时地表设计岩移范围内，见图1。

图1 露地联采的空间关系俯视图（图中红、蓝、黑分别表示开采至400 m、200 m、0 m的75°岩移范围）

图2 A37#勘探线剖面

表1 探测钻孔参数

1.3 无人机高清航拍

1.4 矿区地表形变卫星遥感InSAR监测

2017年9 月9 日至2019年5月26日期间，矿山委托昆明理工大学对地观测数据云南应用研究中心，采用我国首颗分辨率达到1 m的C频段多极化合成孔径雷达（SAR）高分三号卫星对大红山铁矿塌陷区为主的矿区范围进行了变形监测。其工作原理是地形、地貌以及表面的微小变化可利用卫星雷达发射微波，然后接受目标反射的回波进行分析。该卫星的工作频段为C波（5.405 GHz），卫星轨道高度693 km，重访周期为12 d，幅宽为20 km×20 km，分辨率能达到5 m×5 m，变形监测精度为5 cm以内。

2 监测数据分析

2.1 崩落采区上覆岩层裂隙带演化过程

将各个时期钻孔探测的结果与+850 m、+920 m巷道的地压观测结果进行综合分析，得到了 2010年1月、2010年9月与2011年12月3个时期上覆岩层裂隙带外边界的高度与范围，见图4所示。近两年，裂隙带持续地往上扩展，从+850 m渐进地扩展到+1000 m，且与II-1主矿体崩落法采区的扩大是相吻合的。

图3 上覆岩层观测巷道与探测钻孔位置（A38’勘探线剖面）

图4 巷道与钻孔探测的裂隙带扩展过程

2.2 隐伏空区的推测与验算

塌陷坑属于突发的地表沉降变形，这是具有危险的地表沉降变形表现形式。而渐进的开裂沉降是缓慢的地表沉降变形表现形式。产生这两种不同类型的地表沉降变形表现形式，主要取决于上覆岩层内是否形成了较大体积的空区、或者是上覆岩层因自身地质条件原因预先存在溶洞或空区。上述隐伏空区的存在，是导致地表产生突发塌陷坑的唯一原因。

缓慢渐变的地表沉降变形是有利于上覆岩层与地表释放集聚的冲击能，而突发塌陷坑的地表沉降变形是非常有害的，它是突然、集中地释放上覆岩层与地表集聚的弹性能，是塌陷区废石回填工程中最应注意的安全风险。

以2017年12月份这个时间节点来推测与验算上覆岩层中是否存在隐伏空区。有2个假设条件：一是上覆岩层自然崩落形成的是一个以最大分段暴露面积为底的不规则圆锥体，顶点为冒落高度；二是上覆岩层自然崩落的松散岩体在填充上述不规则圆锥体外，还需要填充崩落法采区开采形成的空区。在上述两个假设条件下，推导出上覆岩层自然崩落的松散系数，评价松散系数的合理性，从而判断上覆岩层是否有存在较大体积空区的可能性。

截止到2017年12月份，冒落高度为+1100 m标高，主采空区暴露面积最大的分段为440分段，440分段、460分段、480分段的暴露面积依次为：9.76 万 m2、6.88 万 m2、4.5 万 m2。

则上覆岩层自然崩落的松散系数的计算公式为：

式中，V1为上覆岩层自然崩落的实体体积；V2为主采空区不考虑上覆岩层自然崩落的体积；λ为岩体自然崩落的松散系数。

在两组实验对象入组后,于次日在空腹状态下抽取其外周静脉血(3毫升)和动脉血(2毫升),采取ELISA法(酶联吸附法)测定其IL—6、TNF—α水平,采取散射免疫比浊法测定其Hs—CRP水平,采取免疫发光法测定其BNP水平。本次实验所用IL—6、TNF—α试剂盒为北京伯乐生命科学发展有限公司生产,IMMAGE全自动特定蛋白分析仪和AU5800全自动生化分析仪为贝克曼库尔特公司生产。

截止到2017年12月，V2为254万m3。所以计算得出λ=1.14。

坚硬致密岩体爆破后的松散系数一般为 1.5～2.5，而岩体自然崩落的块度一定会远远大于爆破后的块度，所以其松散系数会稍微小些，岩石自然崩落的扩容系数一般为1.15～1.3，比上述计算得到的松散系数要大。因此，通过上述分析，上覆岩层实际崩落后扩大的体积要比采矿形成的空区体积大，上述定量计算说明上覆岩层内存在较大体积空区的可能性非常小。

2.3 地表塌陷坑的观测

据现场勘察、无人机高空悬停高清拍照等手段的调查，地表突发塌陷坑的数量为8个，最先发生的时间是2013年4月，最近的是2018年7月，塌陷坑面积最大的是2015年11月发生的，面积约为8000 m2，无人机拍摄的塌陷坑的整体照片见图5与图6，各塌陷坑的具体信息见表2。

地表塌陷区内，突发塌陷坑的数量较少，其总面积约为1.334万m2，占整个地表塌陷开裂区面积的2.9%，其他区域的沉降变形是渐进的，所以地表塌陷变形区整体还是属于渐进型的。

图5 地表整体开裂沉降照片（2017年12月15日）

图6 地表沉降开裂圈内突发塌陷坑分布航拍照片

表2 突发塌陷坑详细参数

2.4 卫星遥感InSAR监测数据分析

2017年9 月9 日至2019年5月26日遥感卫星InSAR监测获得的矿区地表形变分析色度图如图7所示，重点关注的监测区域是排土场区域、露天采场区域以及地下采场区域。其中G1为地下开采引起的地面沉降区域，其沉降情况相对严重，地表仍然在持续沉降，沉降量达120 mm。G3、F1、F2与F3为排土场的沉降区域，沉降量约为50 mm，而露天采场沉降量约为10 mm，地表其他区域变形情况不是很明显，相对稳定。

3 结论

（1）2010年至 2011年近 2年的时期内，上覆岩层裂隙带外边界的高度与范围持续往上扩展，从+850 m渐进地扩展到+1000 m，且与II-1主矿体崩落法采区的扩大是相吻合的。

图7 遥感卫星InSAR监测地表形变分布

（2）从2010年4月首次在地表发现开裂至今，地表沉降开裂圈内的高程方向的最大沉降量约为10 m，平均沉降速度为1.11 m/a、99 mm/月或3.3 mm/d。

（3）从上覆岩层自然崩落扩容系数的角度推算，在现有上覆岩层与地表崩落与开裂范围内，只要岩体的扩容系数为1.14左右，就可以满足扩容后的松散岩块的总体积大于等于采空区体积加上产生崩落开裂区域的体积，岩体自然崩落的扩容系数一般为1.15至1.3，说明上覆岩层内存在较大体积空区的可能性非常小。

（4）从近 9年的统计观测数据来讲，地表发生突发性、跳跃性的塌陷坑的概率低于 3%，所占面积仅大概为2.9%，总体上不会发生突发性、跳跃性的地表变形沉降，大于97%区域的开裂、沉降是渐进的，即首先观察到可见的开裂缝，然后经过约几周的发展，开裂缝两边的岩体发生错动，再经过几个月的发展，开裂缝张开度及其两边岩体的错动距离不断增大，在这整个过程中时间上是平稳渐进的，而不是突发与跳跃的，这种变形规律对行驶在塌陷区进行废石排放的车辆与人员来说，基本上没有安全危害。

（5）近两年的地表塌陷坑废石回填治理工程的实践也证明，地表塌陷坑的沉降变形渐进可控，工程是安全可靠的。

（6）为了尽可能地避免局部孤立的地表区域发生突发性、跳跃性沉降变形，而形成突发塌陷坑给运输车辆与人员带来安全风险，建议在车辆运输主道路上建立永久性、实时在线的变形监测点，测量技术手段可以选择在线GPS仪或全自动全站仪。