張 鵬 林曉飛 張傳信

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心；4.安徽工業(yè)大學建筑工程學院)

地表沉降監(jiān)測是通過合理科學地布置觀測點，運用高精度的測量儀器，按一定的時間周期和一定的測量順序，測定地面高程，并對數(shù)據(jù)進行分析、歸納，得出高程隨時間變化規(guī)律、趨勢和突變的一項科研工作。

造成地表沉降的原因很多，地下開采(水、氣、油、礦物)會引起地面下沉；在膨脹土、冰凍土層地區(qū)地面高程會隨土中含水量的變化而變化；受地殼運動的影響地面高程也會發(fā)生變化。

巖層和地表移動的觀測工作是了解和掌握地表移動規(guī)律的基本途徑。監(jiān)測的目的主要有以下幾個方面。

(1)確定地表移動范圍、巖層移動角。

(2)掌握地表移動盆地內(nèi)主斷面或某一方向的各種移動、變形值大小及分布規(guī)律。

(3)了解開采對地表巖移在時間上的影響，如地表發(fā)生巖移時間、發(fā)生危險變形時間及地表移動的總持續(xù)時間。

(4)驗證采用某些減弱、阻止地表沉降措施的效果。

(5)通過實地調(diào)查和儀器觀測，及時掌握采空區(qū)圍巖及上覆蓋層與地表的移動變化征兆，為地表建、構筑物的保護提供依據(jù)。

目前，地表沉降監(jiān)測的各種技術、規(guī)范和標準均為了查明和研究地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件和對開采地下資源引發(fā)的地面沉降而編制。針對礦山企業(yè)并沒有直接適用于實際操作的規(guī)范文件。因此，本項目針對吳莊鐵礦的地表較為復雜的情況，對如何開展沉降監(jiān)測作出較為深入的研究，提出較為合理可行的方案，為其他類似礦山的地表沉降監(jiān)測提供參考。

1 沉降監(jiān)測項目概況

吳莊鐵礦位于徐州北35 km，緊靠津浦鐵路沿線，西臨微山湖。區(qū)內(nèi)交通方便，采煤電力工業(yè)發(fā)展較快，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達，其前身為徐州利國鐵礦，該礦成立于1949年10月，是個開采歷史悠久的老礦山。

吳莊鐵礦從2002年礦山開采以來，并沒有進行地表沉降的監(jiān)測，前期礦山井下涌水很大，涌水量在1 200 m3/h左右，2008年經(jīng)過帷幕注漿，采礦方法改用充填法采礦等措施后，井下涌水逐步穩(wěn)定在300 m3/h左右。為了能夠了解礦區(qū)開采對地表沉降的影響，及時掌握礦區(qū)地表的移動范圍，同時補充完善安全避險六大系統(tǒng)中對于地壓監(jiān)測的要求，需要對地表沉降進行監(jiān)測。

2 地表沉降監(jiān)測的環(huán)境分析

2.1 礦山開采環(huán)境

吳莊鐵礦位于江蘇省徐州市北38 km,座落在銅山縣利國鎮(zhèn)內(nèi)。由于礦體埋藏較深，開采方式為地下開采。礦區(qū)內(nèi)含水層主要為奧陶系寨山至晁所組、石炭系太原組碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，礦井涌水量可達38 400 m3/d。礦山一期開采深度范圍-280～480 m，采用下盤豎井開拓，設計規(guī)模為鐵原礦50萬t/a，主井下設破碎系統(tǒng)，用底卸式單箕斗提升礦石。副井為雙層雙車單向罐籠帶平衡錘提升。主副井布置在礦體西側，間距50 m。全井共設計了4個開采中段，深度分別為-330、-380、-430、-480 m，設計服務年限30 a。

初步設計采用分段礦房法開采(6+4)～(4+2)線南部礦體，為了保護地表，圍巖不允許崩落。設計采用條帶法回采，即礦塊劃分為礦房和礦柱，回采礦房，留規(guī)則的間柱和底柱，用以支撐采空區(qū)的圍巖，防止圍巖崩落，從而不使地表陷落。

2008年后，礦山更改采礦方法為分段空場嗣后充填采礦方法，礦山建立了地表充填站和井下充填管路。充填至今回采率得到了提高，對于井下涌水的封堵也取得了良好的效果。目前礦山已經(jīng)開采至-480 m水平，沉降區(qū)見圖1。

圖1 采礦對地表的影響范圍

2.2 礦區(qū)地表環(huán)境

吳莊鐵礦地表平坦，地表標高在+35 m左右，礦體北側為吳莊。礦區(qū)地表水不發(fā)育，但灌溉渠道縱橫交錯，稻田廣布，農(nóng)田灌溉對地下水有明顯的影響。礦體的正上方為耕地，地表不允許塌陷。

3 研究內(nèi)容、需要解決的問題及措施

3.1 監(jiān)測項目

影響地表沉降的因素有很多，表示沉降的參數(shù)也比較多。地表沉降監(jiān)測定的監(jiān)測線點中，需要計算出下沉值w、傾斜值i、曲率k、水平移動u、水平變形e和下沉速率v，見表1。

表1 地表移動監(jiān)測變量

為計算以上地表移動參數(shù)，需要監(jiān)測的項目有各個控制點和工作點的起始高程、采動后高程，起始間距、采動后間距。

3.2 監(jiān)測點(線)布置遇到的問題

一般監(jiān)測線設置遵循以下原則。

(1)盡量將監(jiān)測點布置成直線的形式。

(2)監(jiān)測線遵循地形及開采情況而定，沿走向和傾向各設置1條，并且相互垂直。走向監(jiān)測線應當依據(jù)最大下沉角θ求得的主斷面位置確定。

(3)監(jiān)測點設置在預計的移動盆地主斷面上，或者通過最大移動和變形的斷面上。

(4)監(jiān)測線長度應在兩端或者至少一端超出采動影響范圍，以便確定采動影響邊界。

(5)監(jiān)測點盡量布置在不受采動影響的地方，每條觀測線兩端設置不少于3個控制點，控制點間距一般為50 m[1]。

(6)監(jiān)測點一般等間距布置，間距隨著采深的增加而加大。采深超過300 m時，間距增大到50 m。本礦區(qū)地表大部分為平坦的農(nóng)田，南面有灌溉用引水渠，水渠常年有水，最寬處超過20 m；北端為居民區(qū)，不允許塌陷和移動；西側有鄉(xiāng)道。根據(jù)徐州氣象資料，本礦區(qū)最大凍土深度為24 cm。這么復雜的條件給監(jiān)測點的設置帶來了挑戰(zhàn)。

監(jiān)測線的布置既要考慮到充分體現(xiàn)地表可能的最大形變區(qū)，又要兼顧監(jiān)測點便于保存和測量。

監(jiān)測點標石的埋設在本次監(jiān)測方案中也存在問題，由于地表為村莊、水渠和水田，標石的埋設存在以下問題。

(1)農(nóng)田耕種深度為0.6 m，標石的埋設不應影響耕種，同時還需要抵御耕作對測量精度的影響。

(2)村莊道路為水泥和瀝青硬化路面，標石的埋設要考慮地層沉降傳至標石。

(3)控制點距離礦區(qū)較遠，控制點處的標石要注意保護。

(4)地表有1條水渠，監(jiān)測點需要跨過水渠，應當合理設置此處的監(jiān)測距離，同時滿足測量精度的要求。

3.3 監(jiān)測點布置

根據(jù)礦體的賦存狀況和回采的情況，監(jiān)控區(qū)域為2個，K0與K4勘探線之間的4號礦體和K4與K8勘探線之間的3號礦體。其中4號礦體為主要監(jiān)測區(qū)域。

設計沿4號礦體南北走向布置1條監(jiān)測線V1，沿東西走向布置1條監(jiān)測線H1，見圖2。

圖2 監(jiān)測線布置

V1監(jiān)測線沿地表南北鄉(xiāng)道Y276布置，南北長約600 m。根據(jù)4號礦體的平面位置，預測的最大沉降點在y=34 000位置，為此增加1條南北線V2?？紤]到地表農(nóng)田情況，V2監(jiān)測線沿地表田埂中的土路布置。

東西監(jiān)測線H1沿東西布置，長約800 m。監(jiān)測線H2沿東西布置，此線在地表可以沿地表小路布設。

其中，南北向的V1線和V2線均穿過了礦區(qū)南側的水渠。本次設計要求監(jiān)測點間距要求30～50 m(工作測點間距根據(jù)平均采深H0來決定，本礦區(qū)內(nèi)各個區(qū)域的取值不再說明)，控制點間距為30 m，把2個監(jiān)測點設置在水渠兩岸，避開在水渠中設點。

東西向的監(jiān)測線跨越了多個田塊，為了減少租用村民的用地，這條線盡量布置在田埂上，東端布置在一片林地里。

通過實地考察，上述布置最大程度地減少了測量帶來的先天缺陷，同時還能保證礦區(qū)地表監(jiān)測符合規(guī)范要求。

3.4 監(jiān)測點埋設

中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《地面沉降監(jiān)測技術要求》(DD 2006-02)[2]中規(guī)定了10種標石及其埋設尺寸。根據(jù)不同地貌特征標石的類型和大小不一，見圖3。但本區(qū)內(nèi)標石是在農(nóng)田、水渠、村莊和樹林上，根據(jù)當?shù)氐母髑闆r，標石埋設在地下且不能受到耕種的影響，同時還要考慮當?shù)氐膬鐾燎闆r。根據(jù)上述條件，本案設計了一種水泥標石見圖4。

圖3 不同類型的標石舉例(單位：cm)

圖4 標石埋設

觀測線上的控制點和工作點均需要埋設混凝土標石，坑深不小于0.6 m。應當注意埋點位置在不易被破壞又便于觀測的地方。標頭應標記觀測點記號，標石埋設后需要穩(wěn)定7 d后才可進行觀測。

3.5 監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測工作的基本內(nèi)容是用儀器定期測定觀測點的位移量。首先要進行連接測量，即測定觀測點的初始平面坐標和高程[3]。觀測全面測量包含以下內(nèi)容。

(1)觀測站各點的水準測量。

(2)觀測站內(nèi)各測點之間距離測量。

(3)各測點偏離觀測線方向的距離測量。

(4)地表原有建筑物、構筑物破壞情況的拍照(素描)、編錄。

受制于地表村莊和耕地的影響，布置的監(jiān)測線并非為直線，因此觀測點偏離觀測線方向的距離實際無法測量，此項本次設計不再要求必須測量。本研究不再論述測量的周期及技術要求。

3.6 監(jiān)測結果分析

根據(jù)每次觀測所求的移動變形值可作出移動變形曲線，并可求出相應的移動參數(shù)，求出最大下沉角，采空區(qū)上側和下側方向移動角、極限移動角、裂隙角的方法，見圖5。監(jiān)測一定的周期后，形成文字報告和附圖。

圖5 觀測結果分析

吳莊鐵礦2019年2月20日完成了地表巖移監(jiān)測基礎量的測量，在2019年分別在5月20日、8月20日和12月20日開展了3次測量。測得的變形量繪制圖表如圖6～圖9。

圖6 V1線ΔZ變形量

通過圖7～圖9的初步分析，2019年礦山的地表巖移仍處于初始階段，3個月內(nèi)的波動幅度絕大多數(shù)在±5 mm內(nèi)[4]，考慮當?shù)厮募镜乇韮鐾恋那闆r變化和測量精度的因素，可以判斷出礦山地表巖移活動并未開始。礦山始終采用膠結充填法開采也是礦山巖移活動不活躍的因素之一。

圖7 V2線ΔZ變形量

圖8 H1線ΔZ變形量

圖9 H2線ΔZ變形量

4 結 語

(1)礦床開采往往造成巖體大規(guī)模移動與地表的破壞。這不僅危及地下工程和地面建筑物，而且也給環(huán)境保護帶來嚴重的問題。所以在新建礦山時應考慮地表下沉的控制方法。目前，地層控制最有效的方法是膠結充填和留保安礦柱。但上述方法并非在任何開采條件下都是可行的。因此，在生產(chǎn)中必須預測和圈定地表移動范圍，將建筑物、構筑物均布置在巖層移動范圍之外，而且為了合理利用土地和礦產(chǎn)資源，需要預先評價巖體和地表的破壞程度[5]。

(2)目前并沒有完整計算巖移范圍的方法，地表監(jiān)測作為一種可靠、可行的手段顯得尤為重要。通過地表監(jiān)測，可以提供地面初始下沉與開采深度、時間的關系，地表塌陷規(guī)律，巖體移動參數(shù)，地表移動隨開采深度變化的特性，地表下沉與覆蓋巖層厚度及上下盤圍巖強度的關系等。

(3)吳莊鐵礦監(jiān)測方案研究針對礦山的地表沉降監(jiān)測及復雜情況下監(jiān)測線、監(jiān)測點和標石的具體問題提出了較好的解決方案，其監(jiān)測結果也為礦山安全合理地開采、為井巷工程及地表建筑物的保護提供了有說服力的參考。