錫礦山銻礦區(qū)地面變形監(jiān)測點布置與數(shù)據(jù)分析

梅金華，蘭建梅

（湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，湖南 長沙 410007）

錫礦山銻礦區(qū)地面變形監(jiān)測點布置與數(shù)據(jù)分析

梅金華*，蘭建梅

（湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，湖南 長沙 410007）

以冷水江錫礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ)，結(jié)合監(jiān)測區(qū)采空區(qū)的分布特征，布設(shè)了以GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀聯(lián)合監(jiān)測的地表變形監(jiān)測網(wǎng)。通過前期監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和變形機理研究，對監(jiān)測網(wǎng)點進(jìn)行了有效優(yōu)化，并提出了地表變形監(jiān)測網(wǎng)點布設(shè)的總體思路，為同類礦山開展變形監(jiān)測提供了參考依據(jù)。

地面變形；監(jiān)測點布置；數(shù)據(jù)分析

0 引言

國外在20世紀(jì)80年代開始就利用GPS對礦區(qū)地面變形進(jìn)行監(jiān)測，如美國、瑞士、韓國、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)做了很多工作，特別是單體礦山已經(jīng)達(dá)到真正實時監(jiān)測的階段。我國目前已將GPS 、TDR、光纖光柵位移與應(yīng)變、鉆孔傾斜等技術(shù)應(yīng)用于滑坡、大壩、城市地面變形和礦區(qū)地面沉降，并已在水電、鐵路、公路、礦山等部門對數(shù)百個地面塌陷區(qū)進(jìn)行了長時間的監(jiān)測。

2009年國土資源部啟動了“國家級地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報”項目，選擇湖南省冷水江市錫礦山地區(qū)作為全國首個礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測示范區(qū)，開展金屬礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警研究和示范區(qū)建設(shè)工作，本文以該課題研究為基礎(chǔ)，對寶大興采空地面變形區(qū)監(jiān)測點布置與數(shù)據(jù)分析進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)與分析，可為同類型金屬礦山變形監(jiān)測提供參考。

1 區(qū)域背景

1.1 地質(zhì)背景

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，對人民群眾生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。主要采空區(qū)有：寶大興采空區(qū)、南冶煉廠采空塌陷區(qū)、株木山采空塌陷區(qū)。本次地面變形監(jiān)測示范區(qū)位于錫礦山銻礦區(qū)中北部寶大興塌陷區(qū)，其地表范圍為：北起錫局一中，南至錫礦山礦務(wù)局建安公司、工人文化宮一帶，東西寬窄處150 m，寬處400 m，南北長1600 m，監(jiān)測區(qū)域覆蓋面積為0.53 km2。

錫礦山銻礦區(qū)出露的地層主要有：下石炭統(tǒng)，灰?guī)r夾砂頁巖為主，巖溶發(fā)育中等，巖石完整性較好，對區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動影響小至較??；中上石炭統(tǒng)壺天群，以灰?guī)r及白云巖為主，穿層裂隙間距一般大于1.5 m，巖體完整性好，巖溶較發(fā)育，對區(qū)內(nèi)礦業(yè)活動影響小；上泥盆統(tǒng)錫礦山組，主要為中厚層泥晶灰?guī)r，夾砂質(zhì)灰?guī)r，上部夾頁巖，該層巖溶發(fā)育，常見溶斗、溶洞，裂隙較發(fā)育，對礦山地面建筑有一定影響；上泥盆統(tǒng)余田橋組，上部為頁巖段地層，是礦山銻礦體頂部封蓋層，對礦床開采影響較大；中部為灰?guī)r段地層，為主要含礦地層，一般情況下巖體完整性好、穩(wěn)固性較好，但靠近礦化部位經(jīng)常出現(xiàn)層間破碎帶，對礦體開采工程地質(zhì)影響較大；下部為砂巖段地層，以似層狀白云母砂巖、粉砂巖為主。

錫礦山銻礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜：平面展布為一軸向北東30°，向南北兩端傾伏的半邊背斜（稱錫礦山背斜），其西翼有F75斷裂，東翼有煌斑巖脈穿切和北東向斷裂。半邊背斜內(nèi)北東向次級褶皺發(fā)育，呈左行雁列展布，其軸向為北東45°。區(qū)內(nèi)主要斷裂以F75為代表，它是由數(shù)條彼此平行的裂面所組成的斷裂帶，走向北東30°、傾向北西、傾角45～70°，長約20 km；斷裂面上陡下緩，最寬40～60 m、最窄只有1～2 m；斷距各處不一，最大達(dá)900余米（艷山紅），往南北兩端逐漸變小，對礦田成礦起主要控制作用。

錫礦山為以充填為主、交代為輔的中低溫?zé)嵋旱V床，受地層層位及構(gòu)造破碎帶控制控制，呈層狀或似層狀產(chǎn)出。礦體多以泥質(zhì)巖層、頁巖層為礦體頂板，而礦體底面具穿層現(xiàn)象。從礦體與地層層位關(guān)系上看，層狀礦體集中在佘田橋組中段上部中，隨著層位變低，礦體規(guī)模變小，連續(xù)性變差。

1.2 采空區(qū)分布特征

寶大興地區(qū)總面積1.6 km2，其中采空區(qū)面積0.5 km2，該區(qū)屬老礦山礦床的中部地段，礦體位于F72和F3斷層之間，似層狀產(chǎn)出，傾向南東、走向北東，傾角一般小于45°，礦體厚薄不均，厚者大于6 m，薄處0.5 m，均厚2 m左右，于2000年閉坑停采。

采空區(qū)的分布特征與礦體的分布特征具有一致性，礦體呈現(xiàn)似層狀產(chǎn)出，且隨離F75斷層距離加大礦體逐漸變小。開采范圍內(nèi)千瘡百孔，采空區(qū)上下重疊，縱橫交錯。累計采空區(qū)體積約20 萬m3左右，單個采場最大面積達(dá)1400 m2，空區(qū)體積達(dá)8000 m3，有些采空區(qū)已與地表塌透貫通，有些相鄰的采空區(qū)逐漸連成一片；并且礦山正向深部開采，使其采空區(qū)規(guī)模不斷擴大。采空區(qū)上部覆巖厚度最薄處不足15 m，一般100 m左右。

1.3 地面變形特征

據(jù)觀測資料，寶大興地區(qū)地面沉降最大值5 cm，一般2～3 cm。該區(qū)共有房屋1239棟，居民8878人，由于地面下沉，房屋開裂現(xiàn)象普遍，已受損1012棟，受損率82%，受損房屋主要分布于長龍界、陶塘居委會、光榮居委會、礦務(wù)局居委會、譚家居委會、新生村一組、洞下村、礦山中學(xué)、礦山鄉(xiāng)政府等地。

錫礦山自開采100多年來，寶大興地區(qū)有記錄發(fā)生的規(guī)模較大的突發(fā)性地面塌陷41起，歷史上造成了300多人傷亡。近年來，該地區(qū)地面塌陷活動加劇，呈頻發(fā)態(tài)勢。2002年6月，寶大興光榮居委會肖家?guī)X地段發(fā)生塌陷，塌坑直徑80余米，深30余米，地面所有建筑全部被破壞，并造成山體開裂及滑坡；2009年5月，陶塘一組塌陷，寬1 m，深2 m。

2 地面塌陷監(jiān)測點的布置與優(yōu)化

2009～2010年底，在寶大興0.53 km2的巖移盆地范圍內(nèi)共布設(shè)地面塌陷監(jiān)測點123個，監(jiān)測點由基準(zhǔn)點、工作基點、監(jiān)測點組成?；鶞?zhǔn)點采用已有的3個國家級基準(zhǔn)點，在未受開采影響的區(qū)域布設(shè)全站儀工作基點10個，地表變形監(jiān)測點110個。監(jiān)測點沿礦體走向和傾向布置，按網(wǎng)格狀布設(shè)。

地表監(jiān)測網(wǎng)建立后，定期開展了地面塌陷監(jiān)測工作。其中2009年共完成地表位移監(jiān)測1次、2010年共完成地表位移監(jiān)測6次，監(jiān)測測頻率為2月/次。根據(jù)2009～2010年的監(jiān)測數(shù)據(jù)特征分析，監(jiān)測區(qū)整體基本穩(wěn)定，但局部仍存有塌陷。在充分研究區(qū)內(nèi)地面塌陷機理研究的基礎(chǔ)上，2011年開展了地表位移監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化工作，由原來的110個監(jiān)測點優(yōu)化為30個左右（監(jiān)測點優(yōu)化前和優(yōu)化后布置見圖1），監(jiān)測手段仍以為GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀聯(lián)合監(jiān)測為主，監(jiān)測頻率仍為2月/次。重點沿觀測線方向布置監(jiān)測點，并劃分出重點監(jiān)測區(qū)和普通監(jiān)測區(qū)。在五窿道附近如紅軍舊址，陶塘街和礦山小學(xué)等建筑物密集的重點監(jiān)測地區(qū)測點加密，增設(shè)監(jiān)測樁14個，其中基準(zhǔn)點1個，普通地表位移監(jiān)測樁13個，其中紅軍舊址處新增設(shè)10個監(jiān)測樁，礦山小學(xué)處新增加3個監(jiān)測樁，監(jiān)測點距、線距為30～50 m；普通監(jiān)測區(qū)觀測間距為100～200 m。

圖1 寶大興地區(qū)采空區(qū)地表位移監(jiān)測點布置圖（優(yōu)化前和優(yōu)化后對比）Fig.1 Layout of Ground displacenment monitoring points of Baodaxing Goaf（Comparison before and after optimization）

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以2009年12月第一期監(jiān)測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，根據(jù)2010～2014年監(jiān)測區(qū)部分期次地表水平位移和累計沉降量觀測數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計，截至2014年12月研究區(qū)內(nèi)監(jiān)測點中水平位移變形最大的為（GB04）4.2 cm，從橫、縱坐標(biāo)X、Y方向位移量統(tǒng)計來看，X方向東偏和西邊監(jiān)測點數(shù)目相當(dāng)，Y方向監(jiān)測點以南偏居多；沉降變形最大的為礦山小學(xué)附近（J60），累計沉降量為5.8 cm，平均累計沉降量為1.5 cm。監(jiān)測結(jié)果表明，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，沉降量和往年監(jiān)測結(jié)果持平沉降速率呈降低趨勢，年平均沉降量為1.2 cm左右，沉降面積變化不大。

南北縱向沉降量變化：南起陶塘居委會，北至礦山小學(xué)，全長500 m，縱穿陶塘街，共設(shè)監(jiān)測點21個。從獲得的數(shù)據(jù)分析：自陶塘居委會至礦山小學(xué)，出現(xiàn)兩個地面沉降中心，即紅軍舊址和礦山小學(xué)，地面沉降量分別為34 mm和58 mm，自兩個沉降中心向外沉降量逐漸減少，多在10～20 mm之間。

東西縱向沉降量變化：東起陶塘居委會，西至礦山鄉(xiāng)政府后山K12，共設(shè)監(jiān)測點6個，從獲得的數(shù)據(jù)分析：出現(xiàn)兩個地面沉降中心，即紅軍舊址和礦山小學(xué)，地面沉降量分別為24 mm 和52 mm。自兩個沉降中心向外沉降量逐漸減少，多在0～20 mm之間。

將2009-2014年累計沉降量觀測數(shù)據(jù)繪制成地面沉降量平面等值線圖（圖2）如下：

圖2 研究區(qū)2014年12月監(jiān)測點累計下沉量等值線圖Fig.2 Contour map of cumulative settlemfent of monitoring points in December 2014

4 總結(jié)

本文以冷水江錫礦山銻礦區(qū)2009～2014年地面變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對監(jiān)測點的布置進(jìn)行了分析研究，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測點須沿礦體走向和傾向方向布置觀測線，但監(jiān)測點的布置可以根據(jù)以下原則進(jìn)行監(jiān)測點優(yōu)化：（1）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30，巖性主要以破損程度較大的頁巖的地區(qū)；（2）地面變形較明顯的地段提高監(jiān)測的頻率、密度、精度；變形不明顯的地段降低監(jiān)測頻率；（3）不穩(wěn)定區(qū)域需根據(jù)采空區(qū)資料（地質(zhì)雷達(dá)探測資料），加密監(jiān)測樁密度，由原來的50～100 m增至30～50 m；（4）經(jīng)濟最優(yōu)化原則。

從監(jiān)測結(jié)果來分析，研究區(qū)已形成了以紅軍舊址、礦山小學(xué)為中心的兩個明顯的沉降區(qū)，礦山小學(xué)沉降量最大，超過52 mm；其外圍橢圓形地段的沉降量在20～30 mm之間，主要分布在紅軍舊址和礦山小學(xué)周邊，20～30 mm的沉降區(qū)明顯加大。在以后的監(jiān)測工作中應(yīng)加強重點監(jiān)測區(qū)的監(jiān)測。

/reference

［1］ 張兵.礦山地表移動變形靜動態(tài)預(yù)計系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士論文，2005.

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資料來源于：＜＜典型金屬礦山地面塌陷監(jiān)測技術(shù)研究>>科研項目.

Layout of the Ground Deformation Monitoring and Data Analysis in Xikuangshan Antimony Ore Zone

Mei Jinhua，Lan Jinamei
（General Geological Environmental Monitoring Station of Hunan，Changsha Hunan 410007）

Basing on geological environmental conditions of stannary area in Lengshuijiang，and combining with the distribution characteristics of mined-out area in the monitoring region，we established surface deformation monitoring network with GPS，total-station and leveling instruments.Through the analysis of monitoring data in early stage and the research of deformation mechanism，the monitoring network has been optimized effectively.Moreover，the author presents an overall thought of the network layout for monitoring surface deformation，which also could be used as a reference for sim ilar mines to carry out the deformation monitoring.

ground deformation； monitoring point arrangement； data analysis

P208

A

1672-5603（2016）02-036-4

*第一作者簡介 梅金華，女，1972年生，地質(zhì)調(diào)查與礦產(chǎn)勘查高級工程師，現(xiàn)任湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站礦山室主任，從事礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價與監(jiān)測。E-mail:292381529@qq.com

2016-4-21；改回日期：2016-5-10。