典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測技術研究：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)測總站，湖南 長沙 410007)

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典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測技術研究：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)測總站，湖南 長沙 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，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)測點與監(jiān)測設施，通過各監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，對研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)測設備的適用范圍及優(yōu)缺點進行了對比分析，對區(qū)內(nèi)的監(jiān)測網(wǎng)點與監(jiān)測頻率進行了有效優(yōu)化，提出了同類礦山監(jiān)測網(wǎng)點布設的總體思路，為同類礦山開展礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測提供了參考依據(jù)。

關鍵詞：金屬礦山；地面塌陷；監(jiān)測技術；錫礦山地區(qū)；冷水江

美國等發(fā)達國家已經(jīng)做了很多有關礦山地面塌陷監(jiān)測工作，特別是單體礦山已經(jīng)達到真正實時監(jiān)測的階段，監(jiān)測內(nèi)容包括地面位移、地裂縫、地下位移、地下水位等監(jiān)測，監(jiān)測技術采用常規(guī)監(jiān)測、自動觀測、GPS和衛(wèi)星遙感等結(jié)合。我國目前礦區(qū)地面塌陷的監(jiān)測主要以地面調(diào)查或常規(guī)的水準儀、全站儀等手段為主，受外界因素影響極大，精度不高，監(jiān)測手段單一，缺乏統(tǒng)一標準，監(jiān)測數(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，大面積采空導致地表出現(xiàn)大范圍沉陷、塌陷等地質(zhì)災害，對人民群眾生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅。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)，地表下沉面積已擴展到59.92萬m2；株木山采空塌陷區(qū)，不均勻沉降區(qū)長約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)測技術方法，國土資源部于2009年在冷水江錫礦山銻礦區(qū)建立了全國第一個監(jiān)測示范區(qū)，通過“產(chǎn)、學、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)測取得的實踐經(jīng)驗，開展理論研究和監(jiān)測技術方法總結(jié)，提出一套成熟的金屬礦山地面塌陷監(jiān)測技術方法，為類似條件下礦山地形變監(jiān)測提供示范或借鑒模式。

1研究區(qū)地質(zhì)概況

監(jiān)測示范區(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局一中，南至建安公司、工人文化宮一帶，東西寬150～400m，南北長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)條件復雜，主要含水層為石炭系壺天群，巖溶發(fā)育，富水性強；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水組上部至梓門橋組下部、測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(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)。在老窿測量中均可見到一些較大的采空礦場中頂部、腰部、底部有巷道相連。采空礦場的最大容積為15000m3，在采空礦場的左、右、上、下隨時可見到同樣的采空礦場，標高有相同的，有錯開的。

3研究區(qū)地面塌陷監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

3.1地表變形監(jiān)測布置及數(shù)據(jù)分析

3.1.1地表監(jiān)測網(wǎng)布置

監(jiān)測采用GPS、全站儀和水準儀等儀器。2009～2010年，在0.53km2研究區(qū)內(nèi)共布設監(jiān)測樁123個，由基準點、工作基點、監(jiān)測點組成?；鶞庶c采用已有的3個國家級基準點，其中礦區(qū)內(nèi)1個，礦區(qū)外2個；在未受開采影響的區(qū)域布設全站儀工作基點10個；其余監(jiān)測點110個。根據(jù)2009～2010年前幾期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合地面塌陷形成機制特點，將五窿道附近如紅軍舊址，陶塘街和礦山小學等建筑物密集區(qū)劃分為重點監(jiān)測地區(qū)，加密監(jiān)測點，其他劃為普通監(jiān)測區(qū)。監(jiān)測點沿礦體走向和傾向方向布置觀測線，見圖1。

圖1　研究區(qū)地表變形和巖層內(nèi)部移動監(jiān)測點部署圖

3.1.2地表變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以2009年第一期監(jiān)測數(shù)據(jù)作為基準，從橫、縱坐標X、Y方向位移量來統(tǒng)計分析2010～2014年期間的地表水平位移和累計沉降量，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)測點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、礦山小學為中心的兩個明顯的沉降區(qū)，礦山小學沉降量最大，累計沉降量為5.8cm，平均累計沉降量為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、礦山中學等地。總體上監(jiān)測區(qū)沉降量平穩(wěn)，沉降速率呈降低趨勢，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)測點累計下沉量等值線圖

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

3.2.1巖層內(nèi)部位移監(jiān)測點布置

監(jiān)測設備采用鉆孔測斜儀、TDR和多點位移計，觀測深度以觀測到礦體直接頂板為宜，觀測層位分別為佘田橋組中段和上段，錫礦山組長龍界段，錫礦山組兔子塘段。在不穩(wěn)定區(qū)域及相對穩(wěn)定區(qū)域布置了7處巖層內(nèi)部位移監(jiān)測孔(圖1)。6個監(jiān)測孔安裝了鉆孔測斜儀，用于監(jiān)測開采引起的巖層內(nèi)部水平位移變形，采用人工測量，觀測間距為0.5m；2個監(jiān)測孔同時裝了TDR，用來與鉆孔傾斜儀對比監(jiān)測；1個孔安裝了多點位移計，自動監(jiān)測巖層內(nèi)部垂直位移，4個探頭分別監(jiān)測埋深8m、15m、31m和40m。

3.2.2巖層內(nèi)部位移監(jiān)測數(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斜數(shù)據(jù)中可以分析出在10～15m處，測斜管向南方向受很大的作用力，導致其偏移近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號孔(ZK5)。從測斜數(shù)據(jù)南北向曲線中可以看出，在10～12m處測斜管向南方向受很大的作用力，導致其偏移近10 mm。東西方向在中2012年數(shù)據(jù)有向東移動的趨勢，主要發(fā)生在6～7m處和36～37m處，累計最大位移量為9mm，10～12m處也為數(shù)據(jù)不穩(wěn)定區(qū)。測孔的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)測孔(ZK7)。對埋深8m巖體多點位移計監(jiān)測的沉降數(shù)據(jù)采用時間序列法分析，反映出了時間的延長對于巖體沉降量有著顯著的相關關聯(lián)性，排除季節(jié)性波動后，隨觀測時間的延長，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)變量自相關和互相關分析(圖3)，圖中上下2條直線代表可信區(qū)間，當滯后數(shù)Lag值分別等于2，3，5，10，13時，沉降量的自相關關系系數(shù)超出可信區(qū)間，表現(xiàn)為高度的自相關；而當Lag值等于其它數(shù)值時，沉降量的自相關關系則很差。研究區(qū)的沉降量與時間的互相關CCF值平穩(wěn)，分布于置信區(qū)間內(nèi)，也反映出沉降量與時間是成很緊密的互關系，沉降量隨監(jiān)測時間持續(xù)平穩(wěn)的變化，與時間成顯著的相關關系。

圖3　自相關(ACF)和互相關(CCF)圖

3.3地表裂縫監(jiān)測及數(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)測儀，及傳感器、接收發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)遠距離傳輸、多點同測及實時傳輸。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(圖4)，肖家?guī)X的4個監(jiān)測點均未監(jiān)測到較大的位移變化，監(jiān)測到的最大位移變化為2號監(jiān)測點壓縮變形1.3mm，且是較突然的尖鋒現(xiàn)象，其余時間段變形和緩。這與近年來肖家?guī)X附近礦山相繼閉坑停采對地面擾動減小有關。

圖4　肖家?guī)X巖體裂縫1、2、3、4號監(jiān)測點拉桿位移監(jiān)測曲線

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，地表、巖層內(nèi)部和地表裂縫位移監(jiān)測結(jié)果一致性較好：監(jiān)測區(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，整體水平移動朝向呈SE30°方向移動。如紅軍駐地舊址監(jiān)測孔(ZK2)深部測斜曲線2012年南偏10.5mm、東西向基本穩(wěn)定，而ZK2附近地表位移監(jiān)測點GB10、GB11、GB12相應的水平位移量X方向分別為7mm、3mm及6mm，Y方向分別為-15mm、-14mm及-17mm；陶唐街1號監(jiān)測孔(ZK5)測斜曲線南偏10 mm、東移9mm，其附近陶唐街地表位移監(jiān)測點J48、GB05相應的水平位移量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)測到的最大位移變化為3.65mm、呈拉張趨勢。地表塌陷的直接原因來源于富礦巖層應力釋放，監(jiān)測變形明顯的區(qū)域為頂板頁巖段，走向和傾向上不同的水平位移變化特征，反映了巖層力學參數(shù)的不同。

4地面塌陷監(jiān)測技術研究

4.1監(jiān)測儀器的選取

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

4.2監(jiān)測儀器性能及適宜性對比分析

根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測儀器運行情況，對各種監(jiān)測儀器的適用條件、優(yōu)缺點、初期投入、運行費用及自動化程度進行了對比分析總結(jié)，供同類型礦山環(huán)境監(jiān)測儀器的選用及優(yōu)化組合。

表1　監(jiān)測儀器對比分析表

4.3地表變形監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化

通過多次的觀測數(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，將地表變形重點監(jiān)測區(qū)和普通監(jiān)測區(qū)，優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)點。把監(jiān)測重點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)，對地面變形較明顯的地段根據(jù)采空區(qū)資料加密監(jiān)測樁密度，由原來的觀測間距50～100m增加到30～50m。對變形不明顯的地段觀測間距調(diào)整為100～200m。共布設了7條觀測線，其中重點監(jiān)測區(qū)6條觀測線，普通監(jiān)測區(qū)1條觀測線。

4.4監(jiān)測頻率優(yōu)化和確定

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

以淺部地層(8m)變形監(jiān)測頻率優(yōu)化為例進行監(jiān)測頻率優(yōu)化研究，對淺部監(jiān)測數(shù)據(jù)進行一次差分平穩(wěn)化時間序列、監(jiān)測數(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間序列周期，為塌陷不斷加重的態(tài)勢；數(shù)據(jù)方差驗證了前期數(shù)據(jù)的波動性，后期當頻數(shù)大于或等于2時，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)穩(wěn)定性，方差趨于0。

運用ARMA模型對地面塌陷數(shù)據(jù)進行建模，利用該模型模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析，圖5可看出模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)非常吻合，且殘差AFC和PAFC均很低，趨于0，說明模型模擬結(jié)果可靠。

將模型進行線性概化分析，根據(jù)圖7和圖8概

圖5　模擬值與實測值對比關系

圖6　模擬值殘差相關性分布圖

圖7　模擬線性概化

圖8　模擬殘差相關性分布圖

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，可用單點值來代替，也就是說該曲線可用最少接近于4個點來反映變化趨勢。故基于一年的監(jiān)測數(shù)據(jù)的觀測趨勢可用4個值來演化，監(jiān)測頻率最少應為4次/a。同理，深部地層(40m)變形監(jiān)測頻率也可以優(yōu)化為4次/a。

5結(jié)論

礦山地面塌陷監(jiān)測技術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地表、地下立體空間性的礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作，目的是及時掌握礦山地質(zhì)環(huán)境在時間和空間上的變化。地表形變監(jiān)測主要采用GPS、全站儀和水準儀，重點監(jiān)測區(qū)的頻率不低于4次/a，一般監(jiān)測區(qū)的頻率可以1a/次。巖體內(nèi)部位移監(jiān)測可以采用TDR、固式鉆孔測斜儀與多點位移計相結(jié)合的方式共同開展，監(jiān)測數(shù)據(jù)互相對比，可獲得相對準確的位移變化值，且多點位移計能較好排除干擾，能累計位移變化量。監(jiān)測頻率為不低于4次/a。建議其他礦區(qū)根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件適當調(diào)整監(jiān)測儀器、監(jiān)測線的密度及監(jiān)測頻率。

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收稿日期：2016-02-10

基金項目：湖南省國土資源廳項目“典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測技術研究”資助(編號：2012-18)

作者簡介：梅金華(1972-)，女，湖南常德人，本科學歷，研究方向為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測評價。

中圖分類號：X141

文獻標識碼：A

文章編號：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