張 哲

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014）

礦產(chǎn)資源是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展所需要的資源中非常重要的一部分，但由于礦山地質(zhì)管理工作的延遲啟動(dòng)和礦山產(chǎn)量的增加，缺乏完善的立法，導(dǎo)致個(gè)人違法亂紀(jì)開采礦山，環(huán)境破壞和污染日益嚴(yán)重，礦山地質(zhì)災(zāi)害日益突出。我國(guó)研究人員分析了采礦活動(dòng)引起的環(huán)境問題，從力學(xué)的角度考察了地面沉降、沉降區(qū)坍塌等各種地質(zhì)問題的形成機(jī)制，及其影響因素。在積極轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的同時(shí)，采取有針對(duì)性的填埋措施，在沉降區(qū)入口設(shè)置攔阻壩。從生態(tài)恢復(fù)工作入手，建立一整套適合礦區(qū)發(fā)展的管理制度。

1 基于多參數(shù)綜合物探的礦山開采區(qū)塌陷隱患探測(cè)

1.1 提取礦山開采區(qū)塌陷特征

地面塌陷隱患主要由地下巖溶和地下開采引起，地面沉降主要以地下熔融地形分布為主，地下開采地面沉降主要沿礦路蔓延?；A(chǔ)規(guī)?？赡懿蝗绲叵聨r溶引起的地面沉降，但地下開采引起的地面沉降往往是由人類直接活動(dòng)引起的，其發(fā)生是突然的。地面塌陷主要是由于礦體開采后形成的，導(dǎo)致采巷上部未支護(hù)或支護(hù)結(jié)構(gòu)老化，上方巖土低于支護(hù)結(jié)構(gòu)或被破壞的剪應(yīng)力大于上部基巖的剪切或抗拉強(qiáng)度，上部基巖和塊體將局部坍塌或彎曲。隨著礦區(qū)的擴(kuò)大，移動(dòng)的巖石和土層會(huì)不斷擴(kuò)大，因此，也會(huì)在一定程度導(dǎo)致開采區(qū)塌陷。上部基巖和土體可形成三個(gè)帶：洞穴勘探區(qū)、裂縫區(qū)和彎曲變形區(qū)。這三個(gè)區(qū)域之間的界線不是很清楚，當(dāng)然也可能無法同時(shí)看到。在塌陷區(qū)外緣區(qū)域，地表向盆地中心傾斜，引起拉伸變形。在拉伸變形嚴(yán)重時(shí)，地表就會(huì)出現(xiàn)拉伸裂紋。

開采地面沉降面積主要是由于礦山某年第一礦體采用地面沉降開采法，以及當(dāng)?shù)卮迕裨诘叵拢ǖ厣希┓欠ㄩ_采所致。由于地面的人工開采活動(dòng)，產(chǎn)生一定范圍的礦區(qū)，表層土層松散。在連續(xù)降雨條件下，土壤充滿水并增加重量，但土壤軟化并導(dǎo)致坍塌。此外，礦山排水形成的水由于侵蝕、運(yùn)輸和水壓等動(dòng)力條件，進(jìn)一步誘發(fā)和加劇地表變形和塌陷。塌陷坑周圍的裂縫初步形成了地表水下滲的通道，因此雨季的雨水?dāng)U散成地表水，漏斗狀發(fā)展成盆狀，對(duì)中土施加水壓。地下水是地面塌陷的“催化劑”，在擴(kuò)大塌陷坑平面面積的同時(shí)，降低了整個(gè)溶洞的強(qiáng)度參數(shù)。

1.2 測(cè)量地面高精度重力

根據(jù)前人理論可知，如果洞穴頂部的巖石和土壤密集地裂成塊狀或碎片，或者如果洞穴處于松散的土層中，則頂部會(huì)坍塌成拱形。對(duì)于破頂?shù)亩囱ɑ蛲炼吹奈蓓敚绻磧?nèi)沒有水流動(dòng)，體積就會(huì)松散膨脹。當(dāng)它坍塌到一定高度時(shí)，洞穴就完全關(guān)閉了。此時(shí)，它被認(rèn)為是一個(gè)洞穴?，F(xiàn)在支持空間并且不再向上擴(kuò)展。在雨季如果巖石結(jié)構(gòu)完整，滲透率低，則對(duì)水體重量的影響可以忽略不計(jì)。選用CV-5重力儀測(cè)量地面高精度重力，采用校準(zhǔn)系數(shù)標(biāo)定法，雙向往復(fù)觀測(cè)法兩次重復(fù)觀測(cè)，臨時(shí)重力基點(diǎn)（編號(hào)C0，值為0）。調(diào)查區(qū)域被設(shè)置為所有區(qū)域的高程起點(diǎn)和重力測(cè)量點(diǎn)。對(duì)工作中使用的設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和一致性測(cè)試，以確保設(shè)備滿足工作需求，并確保測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。在山區(qū)高原地區(qū)，布格重力是一個(gè)大范圍的負(fù)值。山體越高，負(fù)值的異常越大。實(shí)際觀測(cè)是地形改正和布基改正（高度改正和中級(jí)改正）。得到（包括）和正常場(chǎng)校正后的異常場(chǎng)，如下公式1所示。

公式1中：Δyo表示研究中的布格重力參數(shù)；Δyc表示對(duì)實(shí)際觀測(cè)值校正的地形區(qū)域；δyφ表示對(duì)實(shí)際觀測(cè)值的布格校正。通過去除該地區(qū)Bouguet重力異常的雙線性趨勢(shì)面異常，去除上地幔和下地殼產(chǎn)生的重力異常，留下上地殼巖石產(chǎn)生的重力，得到殘余重力，完成地面高精度重力的測(cè)量工作。反映了隱蔽花崗巖體的深層形態(tài)和局部地質(zhì)構(gòu)造中礦層密度變化的影響。

1.3 基于多參數(shù)綜合物探定位隱患位置

面對(duì)復(fù)雜的地區(qū)，特別是黃土覆蓋的地區(qū)，礦區(qū)山體地表凹凸不平，地形復(fù)雜多變，隱患分布不規(guī)則，埋藏深度較深。地震對(duì)巖體的影響有兩個(gè)。一是地震作用直接產(chǎn)生水平地震力，二是地震力的作用降低了結(jié)構(gòu)面的力學(xué)參數(shù)。需要?jiǎng)討B(tài)載荷下結(jié)構(gòu)表面的特殊機(jī)械參數(shù)。弱化分析尚不成熟，現(xiàn)有分析正在考慮中。水平地震波場(chǎng)數(shù)值的表現(xiàn)形式，如下公式2所示。

公式2中：E表示在某一時(shí)刻；t表示處于二維空間上的某一點(diǎn)的位移；?、p、V分別表示拉梅系數(shù)。經(jīng)過上述數(shù)值計(jì)算后，能體現(xiàn)出更全面的地質(zhì)構(gòu)造，以及更豐富的成巖信息，其中更全面的地質(zhì)構(gòu)造縱波信息，如下表1所示。

表1 各介質(zhì)巖體縱波信息

根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造以及豐富成巖信息的獲取，基于多種參數(shù)綜合物探的方法更便于精準(zhǔn)定位礦山開采區(qū)塌陷隱患位置。

2 塌陷隱患探測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)提取某處存在塌陷隱患礦區(qū)C，實(shí)驗(yàn)前在c礦區(qū)內(nèi)共打3個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺為94.8m，平均鉆進(jìn)效率為12.77m/h。打孔中采用的鉆機(jī)設(shè)備為張家口探礦機(jī)械廠生產(chǎn)的SL-400A型全液壓履帶式動(dòng)力頭鉆機(jī)。

2.2 塌陷隱患位置探測(cè)結(jié)果

為了驗(yàn)證文中基于多參數(shù)綜合物探方法在塌陷隱患探測(cè)中的優(yōu)勢(shì)，分別選取雷達(dá)探測(cè)方法、高光譜遙感影像探測(cè)方法（為方便表示分別設(shè)置為傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2），共同對(duì)C礦區(qū)塌陷特征及位置展開測(cè)試。三種探測(cè)方法探測(cè)得到的三維成像，如下圖1所示。

觀察圖1中三種方法探測(cè)的成像可知，傳統(tǒng)方法1探測(cè)出兩處塌陷隱患，傳統(tǒng)方法2探測(cè)出1處塌陷隱患，而文中多參數(shù)綜合物探方法，探測(cè)出多處塌陷隱患。因此，得出文中方法在塌陷隱患探測(cè)數(shù)量上均優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)方法。

圖1 三種方法對(duì)C區(qū)的探測(cè)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

綜合物探技術(shù)是集合多種探測(cè)方法為一體的高效方法，通過長(zhǎng)期的應(yīng)用和不斷的改進(jìn)，目前已被應(yīng)用于各行各界探測(cè)中。本文根據(jù)礦山開采區(qū)塌陷特點(diǎn)，采用多參數(shù)綜合物探方法，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出，文中方法在探測(cè)塌陷隱患數(shù)量上優(yōu)于其他兩種傳統(tǒng)方法，適用于礦山開采區(qū)的塌陷隱患探測(cè)中。文中方法目前存在著探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，針對(duì)這一問題，今后會(huì)進(jìn)行相關(guān)研究工作。