特大采空區(qū)上覆巖層地壓與地表塌陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)研究

胡靜云，李庶林，林 峰，彭府華，楊 順，余正方

（1. 長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，長(zhǎng)沙 410012；2. 玉溪大紅山礦業(yè)有限公司，云南 玉溪 653100）

1 引 言

大紅山鐵礦是我國(guó)知名的特大型地下開采礦山，經(jīng)過多年的開采形成了露天井下、淺部深部、多礦段、多采區(qū)同時(shí)開采的現(xiàn)狀，并且3大類別的采礦方法都有應(yīng)用，2013年原礦產(chǎn)量達(dá)到1 360×104t。2006年投產(chǎn)的深部礦體一期400×104t/a的主采區(qū)與中部采區(qū)采用高分段的無底柱分段崩落法開采[1]，經(jīng)過這些年高強(qiáng)度的開采，形成了3個(gè)獨(dú)立的特大采空區(qū)。采空區(qū)上覆巖層是否按時(shí)崩落、崩落高度、地表開裂塌陷范圍等一直是影響礦山安全生產(chǎn)的首要問題，上覆巖層突發(fā)大規(guī)模崩落將對(duì)井下采場(chǎng)產(chǎn)生空氣沖擊波次生地質(zhì)災(zāi)害，地表塌陷將可能導(dǎo)致露天采場(chǎng)產(chǎn)生滾石地壓災(zāi)害，同時(shí)由于礦山地處我國(guó)多雨的西南地區(qū)，地表塌陷可能導(dǎo)致地表與井下發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害。針對(duì)上述地壓地質(zhì)災(zāi)害問題，礦山相繼建立了60通道的全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2－3]、非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、手持式GPS儀與全站儀監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)上覆巖層崩落高度、上覆巖層沉降變形量、地表開裂范圍和地表沉降與水平移動(dòng)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述地壓地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2 上覆巖層地壓與地面塌陷災(zāi)害

2.1 礦山開采簡(jiǎn)介

大紅山鐵礦多個(gè)礦體在空間上的賦存關(guān)系復(fù)雜，如圖1所示，淺部礦體采用露天開采，深部礦體II1礦組采用無底柱分段崩落法，深部III與IV礦體采用分段空?qǐng)鏊煤髲U石充填法開采，I號(hào)鐵銅礦體采用尾砂膠結(jié)充填法開采。

圖1 多礦體空間關(guān)系圖（沿北東方向的正視圖）Fig.1 Spatial relationship of several ore body (front view along north-east direction)

深部礦體 II1礦組為緩傾斜厚大礦體，+400 m以上為一期工程，分為主采區(qū)、中I采區(qū)、中II采區(qū)，南翼采區(qū)與西翼采區(qū)，分段高度×進(jìn)路間距為20 m×20 m，首采分段高為30 m，中段高度為100 m。從2006年投產(chǎn)以來，主采區(qū)與中部采區(qū)形成了規(guī)模巨大的3個(gè)獨(dú)立采空區(qū)，分別為深部主采空區(qū)、中I采空區(qū)與中II采空區(qū)，如圖2所示。深部主采區(qū)開采范圍為+400～+510 m，采出礦石體積約為250×104m3；中I采區(qū)開采范圍為+580～+705 m，采出礦石體積約為60×104m3；中II采區(qū)開采范圍為+500～+620 m，采出礦石體積約為170×104m3。其中主采空區(qū)在平面上的長(zhǎng)與寬方向長(zhǎng)度相當(dāng)，高度方向長(zhǎng)度相對(duì)較小；中I與中II采空區(qū)在平面上為長(zhǎng)條形。主采空區(qū)地表平均標(biāo)高為+1 160 m，上覆巖層厚度約650 m。

2.2 上覆巖層中地壓

為了對(duì)主采空區(qū)上覆巖層進(jìn)行主動(dòng)的控制與處理，礦山在上覆巖層中+1 090 m標(biāo)高主采空區(qū)斜上方施工了一條約470 m長(zhǎng)的卸壓平巷，同時(shí)該平巷也起到了地壓觀測(cè)的作用。在巷道開挖過程中，顯現(xiàn)出不同規(guī)模的裂隙與斷層；平巷施工結(jié)束后于2012年4月9日進(jìn)行了上覆巖層硐室爆破強(qiáng)制崩落，硐室爆破強(qiáng)制崩落后離主采空區(qū)較近的一段平巷發(fā)生了沉降與錯(cuò)斷，如圖3所示，同時(shí)卸壓平巷內(nèi)局部地段發(fā)生冒頂與開裂地壓現(xiàn)象。

圖2 特大采空區(qū)空間關(guān)系圖（沿正北方向的正視圖）Fig.2 Spatial relationship of several extra-large mined-out area (front view along north direction)

圖3 +1 090 m平巷沉降Fig.3 Subsidence of +1090 m tunnel

上覆巖層能否按時(shí)崩落、崩落高度等影響著礦山的安全開采，若上覆巖層不及時(shí)發(fā)生長(zhǎng)期崩落，由于出礦存在幾何形狀與規(guī)模不清的空區(qū)，當(dāng)上覆巖層發(fā)生突發(fā)大規(guī)模崩落時(shí)，將形成強(qiáng)烈的空氣沖擊波，從而對(duì)井下采場(chǎng)形成沖擊。同時(shí)上覆巖層的突發(fā)大規(guī)模崩落將導(dǎo)致地表發(fā)生突發(fā)的開裂與塌陷，可能引發(fā)地表與井下泥石流[4]。

2.3 地表塌陷災(zāi)害

上覆巖層的崩落與移動(dòng)到一定程度后，巖層變形與移動(dòng)將擴(kuò)展到地表。地表開裂經(jīng)歷了從最初的少數(shù)幾條開裂縫、臺(tái)階狀的多條開裂縫、開裂縫閉合、形成塌陷坑到開裂范圍逐漸擴(kuò)大這一過程[5]。目前已經(jīng)形成的臺(tái)階狀的開裂縫如圖4所示，形成的塌陷坑如圖5所示。

受地表巖移影響的重要構(gòu)筑物有露采最終邊坡、排土場(chǎng)與二期廢石提升井等，地表巖移與塌陷將可能造成露天采場(chǎng)最終邊坡開裂失穩(wěn)，形成滾石對(duì)露天采場(chǎng)造成危害，另外由于礦山地處多雨的西南地區(qū)，地表開裂與塌陷將造成排土場(chǎng)發(fā)生泥石流災(zāi)害，對(duì)井下采場(chǎng)與地表形成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

圖4 臺(tái)階狀沉降開裂縫Fig.4 Stepping subsidence cracks

圖5 地表塌陷坑Fig.5 Collapse pit of surface

3 監(jiān)測(cè)方法

3.1 多通道微震監(jiān)測(cè)

2011年3月成功建立了60通道全數(shù)字型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[6]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳輸送與專家遠(yuǎn)程監(jiān)控，傳感器工作頻率范圍為50～5 000 Hz，系統(tǒng)組成圖如圖6所示。傳感器布置在主采空區(qū)上覆巖層、主采區(qū)與中部采區(qū)，其中18通道傳感器布置在上覆巖層中，上覆巖層中傳感器布置及理論定位精度見圖 7，三軸傳感器與單軸傳感器成功地安裝在兩條深度超過100 m的垂直深孔中，可以看出，系統(tǒng)在上覆巖層區(qū)域，理論定位精度在20 m以內(nèi)，具有較好的定位效果[7]。

圖6 60通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖Fig.6 Sixty-channel microseismic monitoring system

圖7 主采空區(qū)上覆巖層傳感器布置優(yōu)化圖Fig.7 Optimization figure of sensor location in overburden

3.2 上覆巖層巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括反光靶板、激光測(cè)試儀、地表數(shù)據(jù)分析站與短信報(bào)警發(fā)送儀等，如圖8所示。非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)自動(dòng)顯示、回歸擬合分析與短信報(bào)警等功能，能將巖體垂直位移轉(zhuǎn)變?yōu)榧す鉁y(cè)試儀可以測(cè)量的位移。在圖中，假設(shè)反光板與水平方向的夾角為a，光束與水平方向的夾角為b，巖體垂直位移量為L(zhǎng)1，激光束長(zhǎng)度變化量為L(zhǎng)2，由于靶板具有一定的傾角，因此，激光束的長(zhǎng)度會(huì)變短，L2與L1的關(guān)系式為

圖8 巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)示意圖Fig.8 Diagram of displacement real-time monitoring

3.3 地表開裂范圍監(jiān)測(cè)

采用手持 GPS儀對(duì)地表開裂位置進(jìn)行每月一次的測(cè)量，手持GPS儀器型號(hào)為E650-RTK，RTK測(cè)量技術(shù)是以載波相位觀測(cè)量為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)差分GPS測(cè)量技術(shù)，是準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)與AROTF算法和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的，它完全可以達(dá)到精度、速度、實(shí)時(shí)、可用等各方面的要求。平面測(cè)量精度為10 mm+1 ppm，高程測(cè)量精度為20 mm+1 ppm。

3.4 地表沉降與水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)

首先在地表選擇沉降觀測(cè)點(diǎn)做好測(cè)量樁，在設(shè)計(jì)巖移范圍外選擇測(cè)量基點(diǎn)，然后采用0.5″的全站儀通過地表導(dǎo)線點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，平面測(cè)量精度為1 mm，高程測(cè)量精度為2 mm。由于地表地形復(fù)雜，植被茂盛，對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)的選擇具有很大的限制作用。綜合地表目前開裂沉降現(xiàn)狀、地表地形等條件，在最先開裂沉降區(qū)域及具有代表性的區(qū)域初步各確立了一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，共計(jì)兩個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，沉降觀測(cè)點(diǎn)在地表的位置分布如圖12所示。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

大紅山鐵礦采用崩落法開采深部II1礦組，隨著上覆巖層的崩落、下沉與彎曲變形不斷發(fā)展，巖層移動(dòng)最終會(huì)擴(kuò)展到地表，并引起地表發(fā)生開裂、沉降，最后形成臺(tái)階狀的塌陷坑。從2006年深部II1礦組 400 m以上一期工程采用崩落法開采投產(chǎn)以來，截止到2013年12月，除為保護(hù)露天采場(chǎng)最終邊坡而圈定的西北部保安礦柱外，420 m分段回采已經(jīng)結(jié)束，目前主力回采分段為400 m分段。

截止到2013年12月底，在主采空區(qū)上覆巖層區(qū)域監(jiān)測(cè)到的定位事件如圖9所示。由圖可以看出，定位事件分布在上覆巖層標(biāo)高為+800～+1 140 m范圍內(nèi)，呈開口向下的拋物線形狀，主采空區(qū)上覆巖層斷裂高度約在+1 140 m標(biāo)高，定位事件分布區(qū)域即為高應(yīng)力集中區(qū)。根據(jù)文獻(xiàn)[8－10]，高應(yīng)力集中區(qū)與崩落邊界的距離一般約為50～80 m，因此，推測(cè)采空區(qū)上覆巖層崩落高度約在+1 090～+1 060 m，同時(shí)參照4.3節(jié)中地表開裂范圍與程度這一證據(jù)，說明主采空區(qū)上覆巖層已經(jīng)按時(shí)崩落，開采形成的空區(qū)基本上被上覆巖層崩落巖石充填滿，目前不會(huì)產(chǎn)生突發(fā)大規(guī)模崩落導(dǎo)致井下采場(chǎng)面臨空氣沖擊波危害[11]。

圖9 上覆巖層定位事件空間分布圖Fig.9 Spatial distribution map of microseismic location events in overburden

4.2 上覆巖層巖移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上覆巖層下沉變形量，監(jiān)測(cè)人員將非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置在+1 090 m卸壓平巷中，下沉變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在+1 090 m平巷中，位于推測(cè)自然崩落區(qū)域的側(cè)上方，其相對(duì)采空區(qū)的空間位置如圖10所示。非接觸式巖移實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2012年9月建成投入使用，圖10中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)從2012年9月～2013年12月的累計(jì)下沉變形量如圖11所示，截止到2013年12月，累計(jì)下沉變形量為1 350 mm，累計(jì)下沉變形量趨勢(shì)整體呈S型，從2012年9月～2013年4月下沉變形緩慢，從2013年4月～2013年10月下沉變形速度加快，從2013年10月～2013年12月下沉變形速度略有下降，表明上覆巖層下沉變形量具有階段性加快與趨緩的變化規(guī)律。

圖10 沉降變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間布置圖Fig.10 Location of displacement observation point

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉變形量趨勢(shì)圖Fig.11 Trend chart of the total settlement of observation point

4.3 地表開裂范圍監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2011年8月最先在圖12中地表測(cè)點(diǎn)1處勘查到開裂縫，開裂縫位置位于采空區(qū)的東北部。通過采用手持式 GPS儀對(duì)地表開裂縫位置進(jìn)行定期的測(cè)量，得到了每個(gè)時(shí)期地表開裂范圍圖，截止到2013年12月，地表開裂范圍如圖12所示。由圖可以看出，地表開裂范圍位于以巖移角為 75°劃定的地表巖移范圍內(nèi)，離露天采場(chǎng)最終邊坡與二期廢石提升井還有一定距離，對(duì)露天采場(chǎng)最終邊坡和二期廢石提升井的穩(wěn)定性目前暫不構(gòu)成影響。

4.4 地表沉降與水平移動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

地表測(cè)點(diǎn)1于2011年8月首次觀測(cè)到地表沉降與水平移動(dòng)，截止2013年12月，累計(jì)沉降量與水平移動(dòng)量分別為1 779與948 mm，如圖13所示，沉降與水平移動(dòng)具有較強(qiáng)的一致性，整體變化趨勢(shì)具有階段性的快速增加與趨緩的特點(diǎn)，并且因2012年4月9日上覆巖層硐室爆破強(qiáng)制崩落作用效果的影響，測(cè)點(diǎn)1沉降與水平移動(dòng)在2012年4月～6月間幾乎沒有發(fā)展，表明上覆巖層強(qiáng)制崩落后對(duì)空區(qū)形成了較好的充填作用，延緩了地表變形量的發(fā)展。目前測(cè)點(diǎn)1沉降與水平移動(dòng)處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中。

圖12 地表開裂范圍圖Fig.12 Range of cracks in surface

地表測(cè)點(diǎn)2于2012年6月首次觀測(cè)到地表沉降與水平移動(dòng)，截止到2013年12月，累計(jì)沉降量與水平移動(dòng)量為823與311 mm，如圖13所示，沉降與水平移動(dòng)也具有較強(qiáng)的一致性，整體變化趨勢(shì)具有階段性的快速增加與趨緩的特點(diǎn)。目前測(cè)點(diǎn)2沉降與水平移動(dòng)處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中。

圖13 測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降與水平移動(dòng)變化趨勢(shì)圖Fig.13 Trend chart of the total vertical and horizontal displacements of observation points in surface

5 結(jié) 論

（1）主采空區(qū)上覆巖層斷裂約在+1 140 m標(biāo)高處，自然崩落高度約在+1 090～+1 060 m，說明主采空區(qū)上覆巖層已經(jīng)按時(shí)崩落，開采形成的空區(qū)基本上被上覆巖層崩落巖石充填滿，目前不會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性大規(guī)模崩落，從而導(dǎo)致井下采場(chǎng)面臨空氣沖擊波危害。

（2）截止2013年12月，位于+1 090 m平巷的觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉變形量為1 350 mm，累計(jì)下沉變形量趨勢(shì)整體呈S型，表明上覆巖層下沉變形量具有階段性加快與趨緩的變化規(guī)律。

（3）地表開裂范圍位于以巖移角為 75°劃定的地表巖移范圍內(nèi)，離露天采場(chǎng)最終邊坡與二期廢石提升井還有一定距離，對(duì)露天采場(chǎng)最終邊坡和二期廢石提升井的穩(wěn)定性目前暫不構(gòu)成影響。

（4）截止2013年12月，地表測(cè)點(diǎn)最大累計(jì)沉降與水平移動(dòng)量為1 779與948 mm，地表測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降與水平移動(dòng)具有較強(qiáng)的一致性，整體變化趨勢(shì)具有階段性的快速增加與趨緩的特點(diǎn)，目前沉降與水平移動(dòng)處于平穩(wěn)緩慢增加的狀態(tài)中。

（5）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，目前主采空區(qū)上覆巖層處于穩(wěn)定可控的變形移動(dòng)狀態(tài)，但隨著大紅山鐵礦深部 II1礦組 400 m水平以下的二期工程將于2015年投產(chǎn)，上覆巖層與地表的變形移動(dòng)將繼續(xù)發(fā)展，將嚴(yán)重影響露天采場(chǎng)最終邊坡與二期廢石提升井的穩(wěn)定性，露天采場(chǎng)最終邊坡可能發(fā)生滾石地壓災(zāi)害，地表可能發(fā)生泥石流地質(zhì)災(zāi)害，因此，應(yīng)加強(qiáng)上覆巖層與地表的變形移動(dòng)范圍的監(jiān)測(cè)，掌握上覆巖層變形移動(dòng)規(guī)律，避免地表地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

[1]陳發(fā)興, 張志雄. 大參數(shù)無底柱分段崩落法在大紅山鐵礦的運(yùn)用[J]. 有色金屬設(shè)計(jì), 2009, 36(3): 19－21.CHEN Fa-xing, ZHANG Zhi-xiong. Application of big parameter of no-pillar sublevel caving in Dahongshan iron mine[J]. Nonferrous Metals Design, 2009, 36(3): 19－21.

[2]胡靜云, 林峰, 彭府華, 等. 香爐山鎢礦殘采區(qū)地壓災(zāi)害微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 2010, 21(4): 109－115.HU Jing-yun, LIN Feng, PENG Fu-hua, et al. Research on application of microseismic monitoring technology on ground pressure hazard of residual are in Xianglushan tungsten mine[J]. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2010, 21(4): 109－115.

[3]徐煒, 藺朝暉, 李金恩, 等. 大紅山鐵礦地壓微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的探討[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2012, 9(9): 146－147.XU Wei, LIN Zhao-hui, LI Ji-nen, et al. Discussion on microseismic monitoring technology of underground pressure in Dahongshan iron mine[J]. Modern Mining,2012, 9(9): 146－147.

[4]李世愚, 和泰名, 尹祥礎(chǔ), 等. 巖石斷裂力學(xué)導(dǎo)論[M].合肥: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2010.

[5]H.克拉茨. 采動(dòng)損害及其防護(hù)[M]. 馬偉明, 王金莊,王紹林, 譯. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1984.

[6]李庶林, 尹賢剛, 鄭文達(dá), 等. 凡口鉛鋅礦多通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005,24(12): 2048－2053.LI Shu-lin, YIN Xian-gang, ZHENG Wen-da, et al.Research of multi-channel microseismic monitoring system and its application to Fankou lead-zinc mine[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005, 24(12): 2048－2053.

[7]林峰, 李庶林, 薛云亮, 等. 基于不同初值的微震源定位方法[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(5): 996－1002.LIN Feng, LI Shu-lin, XUE Yun-lian, et al. Microseismic sources location methods based on different initial values[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(5): 996－1002.

[8]CAI M, KAISER P K, MARTIN C D. Quantification of rock mass damage in underground excavations from microseismic event monitoring[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2001, 38: 1135－1145.

[9]BERTONCINI CRYSTAL A, HINDERS MARK K.Fuzzy classification of roof fall predictors in microseismic monitoring[J]. Measurement, 2010, 43(10):1690－1701.

[10]HARAK C R. Acoustic emission for monitoring component and structures in a severe fatigue noise environment[J]. Materials Evaluation, 1977, 35(5): 59.

[11]GIBOWICZ SLAWOMIR JERZY, KIJKO ANDRZEJ.礦山地震學(xué)引論[M]. 修濟(jì)剛, 徐平, 楊心平, 譯. 北京:地震出版社, 1998.