梅金華

(湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

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典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)研究：以冷水江錫礦山地區(qū)為例

梅金華

(湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

摘要：以冷水江錫礦山地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ)，結(jié)合采空塌陷區(qū)的分布特征，布置了地表形變、巖層內(nèi)部、地表和建筑物裂縫的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)設(shè)施，通過各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)備的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行了有效優(yōu)化，提出了同類礦山監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)的總體思路，為同類礦山開展礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：金屬礦山；地面塌陷；監(jiān)測(cè)技術(shù)；錫礦山地區(qū)；冷水江

美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)做了很多有關(guān)礦山地面塌陷監(jiān)測(cè)工作，特別是單體礦山已經(jīng)達(dá)到真正實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的階段，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地面位移、地裂縫、地下位移、地下水位等監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)技術(shù)采用常規(guī)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)觀測(cè)、GPS和衛(wèi)星遙感等結(jié)合。我國(guó)目前礦區(qū)地面塌陷的監(jiān)測(cè)主要以地面調(diào)查或常規(guī)的水準(zhǔn)儀、全站儀等手段為主，受外界因素影響極大，精度不高，監(jiān)測(cè)手段單一，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可比性和共享性受到限制。

錫礦山是世界著名的“銻都”，開采歷史悠久，大面積采空導(dǎo)致地表出現(xiàn)大范圍沉陷、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。主要采空區(qū)包括：寶大興采空區(qū)，總面積1.6km2；南冶煉廠采空塌陷區(qū)，地表下沉面積已擴(kuò)展到59.92萬m2；株木山采空塌陷區(qū)，不均勻沉降區(qū)長(zhǎng)約500m，寬約300m，面積1.21萬m2，地表最大下沉值271mm。為總結(jié)典型金屬礦山地面塌陷的監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，國(guó)土資源部于2009年在冷水江錫礦山銻礦區(qū)建立了全國(guó)第一個(gè)監(jiān)測(cè)示范區(qū)，通過“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的方式，總結(jié)錫礦山銻礦區(qū)多年來開展地面塌陷監(jiān)測(cè)取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，開展理論研究和監(jiān)測(cè)技術(shù)方法總結(jié)，提出一套成熟的金屬礦山地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，為類似條件下礦山地形變監(jiān)測(cè)提供示范或借鑒模式。

1研究區(qū)地質(zhì)概況

監(jiān)測(cè)示范區(qū)位于錫礦山銻礦北礦閉坑礦山的寶大興塌陷區(qū)內(nèi)，面積為0.53km2，地表范圍北起錫礦山礦務(wù)局一中，南至建安公司、工人文化宮一帶，東西寬150～400m，南北長(zhǎng)1600m。

區(qū)內(nèi)主要出露石炭系和泥盆系兩套地層，各銻礦層主要賦存于泥盆系佘田橋組砂巖段、灰?guī)r段及棋梓橋組上部灰?guī)r中。其中佘田橋組灰?guī)r段中之礦體分布最廣，規(guī)模最大，礦體形態(tài)簡(jiǎn)單，受地層層位及構(gòu)造破碎帶控制，呈層狀或似層狀產(chǎn)出。研究區(qū)處于多種構(gòu)造體系復(fù)合部位，褶皺、斷裂發(fā)育，其中北東向斷裂為主要控礦構(gòu)造，并破壞了褶皺的完整性。礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖體，僅在礦區(qū)東部見有一煌斑巖脈，走向30°～35°，寬3～15m，脈中見捕虜體，沿走向、傾向均有分支現(xiàn)象。區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件復(fù)雜，主要含水層為石炭系壺天群，巖溶發(fā)育，富水性強(qiáng)；其次為石炭系梓門橋組中上部，巖溶發(fā)育中等，富水性中等。主要隔水層為石炭系測(cè)水組上部至梓門橋組下部、測(cè)水組下部至石磴子組上部、劉家塘段、泥塘里段至兔子塘段、長(zhǎng)龍界段至佘田橋組頁巖段。

2研究區(qū)采空區(qū)分布及地面塌陷情況

采空區(qū)分布特征與礦體的分布特征具有一致性，采空礦場(chǎng)的大小與礦體大小基本一致，開采范圍內(nèi)千瘡百孔，采空區(qū)上下重疊，縱橫交錯(cuò)(圖1)。地下老窿采空區(qū)星羅棋布，地表塌陷成片成帶出現(xiàn)。在老窿測(cè)量中均可見到一些較大的采空礦場(chǎng)中頂部、腰部、底部有巷道相連。采空礦場(chǎng)的最大容積為15000m3，在采空礦場(chǎng)的左、右、上、下隨時(shí)可見到同樣的采空礦場(chǎng)，標(biāo)高有相同的，有錯(cuò)開的。

3研究區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

3.1地表變形監(jiān)測(cè)布置及數(shù)據(jù)分析

3.1.1地表監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置

監(jiān)測(cè)采用GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀等儀器。2009～2010年，在0.53km2研究區(qū)內(nèi)共布設(shè)監(jiān)測(cè)樁123個(gè)，由基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成?；鶞?zhǔn)點(diǎn)采用已有的3個(gè)國(guó)家級(jí)基準(zhǔn)點(diǎn)，其中礦區(qū)內(nèi)1個(gè)，礦區(qū)外2個(gè)；在未受開采影響的區(qū)域布設(shè)全站儀工作基點(diǎn)10個(gè)；其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)110個(gè)。根據(jù)2009～2010年前幾期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合地面塌陷形成機(jī)制特點(diǎn)，將五窿道附近如紅軍舊址，陶塘街和礦山小學(xué)等建筑物密集區(qū)劃分為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)地區(qū)，加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他劃為普通監(jiān)測(cè)區(qū)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿礦體走向和傾向方向布置觀測(cè)線，見圖1。

圖1　研究區(qū)地表變形和巖層內(nèi)部移動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署圖

3.1.2地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以2009年第一期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，從橫、縱坐標(biāo)X、Y方向位移量來統(tǒng)計(jì)分析2010～2014年期間的地表水平位移和累計(jì)沉降量，顯示研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域基本穩(wěn)定，局部地區(qū)仍發(fā)生了較大沉降，但不同地段沉降量的大小有著較大的差別，區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移變形最大的為(GB04)4.2cm。沉降變形形成了以紅軍舊址、礦山小學(xué)為中心的兩個(gè)明顯的沉降區(qū)，礦山小學(xué)沉降量最大，累計(jì)沉降量為5.8cm，平均累計(jì)沉降量為1.5cm。其外圍橢圓形地段的沉降量在20～30mm之間，主要分布在紅軍舊址和礦山小學(xué)周邊，20～30mm的沉降區(qū)明顯加大。小于20mm的沉降量主要分布在礦山鄉(xiāng)政府、礦山中學(xué)等地?？傮w上監(jiān)測(cè)區(qū)沉降量平穩(wěn)，沉降速率呈降低趨勢(shì)，年平均沉降量為1.2cm左右，沉降面積變化不大。地面沉降量平面等值線見圖2。

圖2　研究區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)下沉量等值線圖

3.2巖層內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)布置及數(shù)據(jù)分析

3.2.1巖層內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)設(shè)備采用鉆孔測(cè)斜儀、TDR和多點(diǎn)位移計(jì)，觀測(cè)深度以觀測(cè)到礦體直接頂板為宜，觀測(cè)層位分別為佘田橋組中段和上段，錫礦山組長(zhǎng)龍界段，錫礦山組兔子塘段。在不穩(wěn)定區(qū)域及相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域布置了7處巖層內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)孔(圖1)。6個(gè)監(jiān)測(cè)孔安裝了鉆孔測(cè)斜儀，用于監(jiān)測(cè)開采引起的巖層內(nèi)部水平位移變形，采用人工測(cè)量，觀測(cè)間距為0.5m；2個(gè)監(jiān)測(cè)孔同時(shí)裝了TDR，用來與鉆孔傾斜儀對(duì)比監(jiān)測(cè)；1個(gè)孔安裝了多點(diǎn)位移計(jì)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)巖層內(nèi)部垂直位移，4個(gè)探頭分別監(jiān)測(cè)埋深8m、15m、31m和40m。

3.2.2巖層內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)紅軍駐地舊址孔(ZK2)。ZK2鉆孔傾斜儀采集到的測(cè)斜數(shù)據(jù)中可以分析出在10～15m處，測(cè)斜管向南方向受很大的作用力，導(dǎo)致其偏移近10.5mm；東西向基本穩(wěn)定。從同軸電纜TDR數(shù)據(jù)可以分析出鉆孔變形不是由于剪切或拉伸力引起。

2)陶唐街1號(hào)孔(ZK5)。從測(cè)斜數(shù)據(jù)南北向曲線中可以看出，在10～12m處測(cè)斜管向南方向受很大的作用力，導(dǎo)致其偏移近10 mm。東西方向在中2012年數(shù)據(jù)有向東移動(dòng)的趨勢(shì)，主要發(fā)生在6～7m處和36～37m處，累計(jì)最大位移量為9mm，10～12m處也為數(shù)據(jù)不穩(wěn)定區(qū)。測(cè)孔的6.7m處以上為填土，6.7m以下37m處以上為硅質(zhì)灰?guī)r，以下為礦洞頂板，礦洞已用不規(guī)則碎石填埋，地層變化與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致。同軸電纜TDR數(shù)據(jù)可以分析出，在12～13m處，同軸電纜有明顯的變形，這與測(cè)斜數(shù)據(jù)南北向變化有很好的一致性，在14～15m處也有形變發(fā)生。

3)紅軍駐地舊址監(jiān)測(cè)孔(ZK7)。對(duì)埋深8m巖體多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)據(jù)采用時(shí)間序列法分析，反映出了時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)于巖體沉降量有著顯著的相關(guān)關(guān)聯(lián)性，排除季節(jié)性波動(dòng)后，隨觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)，埋深8m的巖體沉降逐漸加重，沉降速率趨于平穩(wěn)化。根據(jù)變量自相關(guān)和互相關(guān)分析(圖3)，圖中上下2條直線代表可信區(qū)間，當(dāng)滯后數(shù)Lag值分別等于2，3，5，10，13時(shí)，沉降量的自相關(guān)關(guān)系系數(shù)超出可信區(qū)間，表現(xiàn)為高度的自相關(guān)；而當(dāng)Lag值等于其它數(shù)值時(shí)，沉降量的自相關(guān)關(guān)系則很差。研究區(qū)的沉降量與時(shí)間的互相關(guān)CCF值平穩(wěn)，分布于置信區(qū)間內(nèi)，也反映出沉降量與時(shí)間是成很緊密的互關(guān)系，沉降量隨監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)平穩(wěn)的變化，與時(shí)間成顯著的相關(guān)關(guān)系。

圖3　自相關(guān)(ACF)和互相關(guān)(CCF)圖

3.3地表裂縫監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

采用在研究區(qū)以南的肖家?guī)X安裝1套地裂縫拉桿位移監(jiān)測(cè)儀，及傳感器、接收發(fā)射系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、多點(diǎn)同測(cè)及實(shí)時(shí)傳輸。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析(圖4)，肖家?guī)X的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未監(jiān)測(cè)到較大的位移變化，監(jiān)測(cè)到的最大位移變化為2號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓縮變形1.3mm，且是較突然的尖鋒現(xiàn)象，其余時(shí)間段變形和緩。這與近年來肖家?guī)X附近礦山相繼閉坑停采對(duì)地面擾動(dòng)減小有關(guān)。

圖4　肖家?guī)X巖體裂縫1、2、3、4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)拉桿位移監(jiān)測(cè)曲線

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，地表、巖層內(nèi)部和地表裂縫位移監(jiān)測(cè)結(jié)果一致性較好：監(jiān)測(cè)區(qū)變形整體呈現(xiàn)出沉陷盆地一翼(研究區(qū)位于錫礦山老礦山背斜東翼)的特征，整體水平移動(dòng)朝向呈SE30°方向移動(dòng)。如紅軍駐地舊址監(jiān)測(cè)孔(ZK2)深部測(cè)斜曲線2012年南偏10.5mm、東西向基本穩(wěn)定，而ZK2附近地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)GB10、GB11、GB12相應(yīng)的水平位移量X方向分別為7mm、3mm及6mm，Y方向分別為-15mm、-14mm及-17mm；陶唐街1號(hào)監(jiān)測(cè)孔(ZK5)測(cè)斜曲線南偏10 mm、東移9mm，其附近陶唐街地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)J48、GB05相應(yīng)的水平位移量X方向分別為10mm和14mm，Y方向分別為-9mm和-12mm，而陶唐街地表建筑物東西走向裂縫位移監(jiān)測(cè)到的最大位移變化為3.65mm、呈拉張趨勢(shì)。地表塌陷的直接原因來源于富礦巖層應(yīng)力釋放，監(jiān)測(cè)變形明顯的區(qū)域?yàn)轫敯屙搸r段，走向和傾向上不同的水平位移變化特征，反映了巖層力學(xué)參數(shù)的不同。

4地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

4.1監(jiān)測(cè)儀器的選取

監(jiān)測(cè)儀器選取遵循原則：儀器靈敏度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靠性；傳統(tǒng)儀器與遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合，大范圍監(jiān)測(cè)與小范圍監(jiān)測(cè)相結(jié)合；多類型儀器，形成組合監(jiān)測(cè)方法。

4.2監(jiān)測(cè)儀器性能及適宜性對(duì)比分析

根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測(cè)儀器運(yùn)行情況，對(duì)各種監(jiān)測(cè)儀器的適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)、初期投入、運(yùn)行費(fèi)用及自動(dòng)化程度進(jìn)行了對(duì)比分析總結(jié)，供同類型礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器的選用及優(yōu)化組合。

表1　監(jiān)測(cè)儀器對(duì)比分析表

4.3地表變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化

通過多次的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合研究區(qū)的工程地質(zhì)條件、礦體頂板特征和采空區(qū)分布，將地表變形重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)和普通監(jiān)測(cè)區(qū)，優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)。把監(jiān)測(cè)重點(diǎn)集中在礦體埋藏較淺，礦體頂板厚度較小，采深/采厚小于30m，巖性主要以破損程度較大的頁巖的地區(qū)，對(duì)地面變形較明顯的地段根據(jù)采空區(qū)資料加密監(jiān)測(cè)樁密度，由原來的觀測(cè)間距50～100m增加到30～50m。對(duì)變形不明顯的地段觀測(cè)間距調(diào)整為100～200m。共布設(shè)了7條觀測(cè)線，其中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)6條觀測(cè)線，普通監(jiān)測(cè)區(qū)1條觀測(cè)線。

4.4監(jiān)測(cè)頻率優(yōu)化和確定

觀測(cè)頻率取決于地面塌陷的變化特征：趨勢(shì)特征、周期特征與平穩(wěn)隨機(jī)變量的特征。

以淺部地層(8m)變形監(jiān)測(cè)頻率優(yōu)化為例進(jìn)行監(jiān)測(cè)頻率優(yōu)化研究，對(duì)淺部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次差分平穩(wěn)化時(shí)間序列、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)譜周期、譜密度、平穩(wěn)化殘差頻率、平穩(wěn)化殘差自相關(guān)頻率等多種處理后，可以判別出來，周期和譜密度均分映出單一的時(shí)間序列周期，為塌陷不斷加重的態(tài)勢(shì)；數(shù)據(jù)方差驗(yàn)證了前期數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，后期當(dāng)頻數(shù)大于或等于2時(shí)，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)定性，方差趨于0。

運(yùn)用ARMA模型對(duì)地面塌陷數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，利用該模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，圖5可看出模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合，且殘差A(yù)FC和PAFC均很低，趨于0，說明模型模擬結(jié)果可靠。

將模型進(jìn)行線性概化分析，根據(jù)圖7和圖8概

圖5　模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比關(guān)系

圖6　模擬值殘差相關(guān)性分布圖

圖7　模擬線性概化

圖8　模擬殘差相關(guān)性分布圖

化結(jié)果可看出：每條直線的數(shù)據(jù)值接近于相同，反映各自的特征，可用單點(diǎn)值來代替，也就是說該曲線可用最少接近于4個(gè)點(diǎn)來反映變化趨勢(shì)。故基于一年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的觀測(cè)趨勢(shì)可用4個(gè)值來演化，監(jiān)測(cè)頻率最少應(yīng)為4次/a。同理，深部地層(40m)變形監(jiān)測(cè)頻率也可以優(yōu)化為4次/a。

5結(jié)論

礦山地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究是基于查明礦區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、礦體頂板特征及采空區(qū)分布特征而開展的一項(xiàng)地表、地下立體空間性的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，目的是及時(shí)掌握礦山地質(zhì)環(huán)境在時(shí)間和空間上的變化。地表形變監(jiān)測(cè)主要采用GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)的頻率不低于4次/a，一般監(jiān)測(cè)區(qū)的頻率可以1a/次。巖體內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)可以采用TDR、固式鉆孔測(cè)斜儀與多點(diǎn)位移計(jì)相結(jié)合的方式共同開展，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互相對(duì)比，可獲得相對(duì)準(zhǔn)確的位移變化值，且多點(diǎn)位移計(jì)能較好排除干擾，能累計(jì)位移變化量。監(jiān)測(cè)頻率為不低于4次/a。建議其他礦區(qū)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件適當(dāng)調(diào)整監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)線的密度及監(jiān)測(cè)頻率。

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收稿日期：2016-02-10

基金項(xiàng)目：湖南省國(guó)土資源廳項(xiàng)目“典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測(cè)技術(shù)研究”資助(編號(hào)：2012-18)

作者簡(jiǎn)介：梅金華(1972-)，女，湖南常德人，本科學(xué)歷，研究方向?yàn)榈V山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)。

中圖分類號(hào)：X141

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)07-0092-05

Research into monitoring technology of typical metal mine’s ground subsidence：take Lengshuijiang tin mining area as an example

MEI Jin-hua

(Hunan Province Geological Environmental Monitoring Station，Changsha 410007，China)

Abstract:Based on geological environmental conditions of Lengshuijiang tin mining area，combined with the distribution characteristics of mining subsidence area，the monitoring points and monitoring facilities for surface deformation，strata inside，surface and building cracks are arranged.Through the analysis of the monitoring data，the applicable scope，advantages and disadvantages of the existing monitoring equipment in the study area are compared and analyzed，and the monitoring network and monitoring frequency are optimized，then the general idea of the layout of the same kind of mine monitoring network is put forward，and the reference basis for the development of geological environmental monitoring in the same kind of mine is provided.

Key words：metal mine；ground subsidence；monitoring technology；tin mining area;Lengshuijiang