UMF系列探測儀器在礦山地面塌陷成因分析方面的運用
——以湖南某多金屬礦地面塌陷為例

周光輝

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

UMF系列探測儀器在礦山地面塌陷成因分析方面的運用
——以湖南某多金屬礦地面塌陷為例

周光輝

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

湖南省礦產(chǎn)資源豐富，開發(fā)利用強度大，由礦業(yè)活動引發(fā)的礦山地面塌陷災(zāi)害時有發(fā)生，造成了較大的財產(chǎn)損失和人員傷亡。在災(zāi)害發(fā)生后，及時查明地面塌陷的成因，是進一步采取防治措施的重要依據(jù)。UMF系列探測儀器是通過地表探針接收來至地球內(nèi)部的地下磁流體的電磁波信號，提取特征信息，綜合分析得出探測結(jié)果。根據(jù)探測結(jié)果、地質(zhì)環(huán)境條件及巷道部署情況，綜合分析得出地面塌陷的具體成因。

礦山；地面塌陷；成因分析；探測儀器

本文是以湖南某多金屬礦地面塌陷為例，運用UMF系列探測儀器的探測結(jié)果，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和礦山巷道部署情況，綜合分析得出地面塌陷的具體成因。

1 地面塌陷基本情況

2012年10月11日郴州市某多金屬礦發(fā)生地面塌陷，塌陷產(chǎn)生的3萬m3泥石堵塞下方巷道，造成5名礦工被困井下，1名礦工受傷。地表形成了一個長72 m、寬67 m、深17 m的塌陷坑。

地面塌陷坑位于該多金屬礦的南部。塌陷坑呈橢圓形，長軸為72 m、短軸為67 m、可見深度為17 m。在塌陷坑的南側(cè)和北側(cè)分別伴隨有3組和6組呈弧形的地面裂縫，裂縫長度在8～20 m之間、寬度為1～6 cm。塌陷坑面積為4800 m2，塌陷方量約為3萬m3，規(guī)模為小型。

圖1 地面塌陷坑，呈橢圓形Fig.1 Ground subsidence pit, oval

圖2 地面塌陷坑周邊的地面裂縫Fig.2 Surface cracks in the ground collapse pit

2 地質(zhì)環(huán)境

2.1 地層巖性

塌陷坑下部地層依次為第四系（Q）、泥盆系中統(tǒng)棋梓橋組（D2q）、泥盆系中統(tǒng)跳馬澗組（D2t）。

第四系（Q）：下部為由礫石、砂及粘土組成的殘坡積，厚度約6 m；上部為該礦露天開采的剝離廢棄土，主是由砂礫粘土，結(jié)構(gòu)松散，厚度在17～20 m之間。

棋梓橋組（D2q）：為灰色厚層紋層狀灰?guī)r，生物屑云灰?guī)r、中厚層層孔蟲灰?guī)r夾云灰?guī)r，局部地段為白云質(zhì)灰?guī)r或白云巖，厚度約180～450 m。該地層為礦體直接頂板，是礦井開拓與采礦工程分布的主要地段。

跳馬澗組（D2t）：該地層巖性為淺灰色厚層細粒石英砂巖、粉砂巖、頁巖，底部為含礫石石英砂巖，上部夾1～2層（厚約0.5 m）的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

2.2 工程地質(zhì)特征

棋梓橋組中的灰?guī)r、生物屑云灰?guī)r、層孔蟲灰?guī)r夾云灰?guī)r，在地表淺部裂隙較發(fā)育，特別是地表以下的100 m深度內(nèi)發(fā)育有溶洞，其裂隙與溶洞發(fā)育地段。

原生結(jié)構(gòu)面特征：白云巖灰?guī)r、石灰?guī)r為厚層狀，微晶至中細粒晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層間結(jié)構(gòu)面間距較大，結(jié)構(gòu)面較粗糙、結(jié)合較好，不易滑動；砂巖為厚－中厚層構(gòu)造，層狀結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面含泥質(zhì)較多，較光滑，易于滑動。

次生結(jié)構(gòu)面特征：白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r中節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，寬達0.1～1.0 cm，多被方解石及鉛鋅礦脈等所充填，多為閉合裂隙；砂巖中風(fēng)化節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，密度較大，一般1～10 cm可見一條，以剪切及張裂隙為主，裂隙充填較小，寬度小，巖體較破碎。

2.3 巖體風(fēng)化帶、巖溶發(fā)育特征

巖體風(fēng)化帶特征：區(qū)內(nèi)巖體風(fēng)化較強烈，強風(fēng)化帶深度一般為10～30 m，最深可達50 m，風(fēng)化的白云巖、灰?guī)r及砂巖極為破碎，f值在4～6以下。堅硬的矽卡巖、花崗斑巖在風(fēng)化帶中強度低，穩(wěn)固性較差。

巖溶發(fā)育特征：地表及深部具巖溶現(xiàn)象，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，寬達0.1～1 cm。據(jù)鉆孔揭露，淺部裂隙較發(fā)育，隨埋深增加裂隙發(fā)育程度逐漸減弱。該礦在開采過中曾遇到溶洞，體積在千余立方左右。

2.4 礦體圍巖工程地質(zhì)特征

礦體圍巖主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，巖石堅硬穩(wěn)固，局部地段由于風(fēng)化剝蝕、裂隙節(jié)理的破壞影響，使其穩(wěn)固性降低。

2.5 塌陷坑附近礦體特征

1號含白鎢礦、錫石、輝鉍磁鐵礦體賦存標高730～600 m；礦體以似層狀或透鏡狀的形態(tài)產(chǎn)于矽卡巖的上部或矽卡巖中，為含鉍和錫的磁鐵礦礦體（局部地段含WO3）。礦體走向近于南北，其傾向與傾角受花崗巖體與棋梓橋組灰?guī)r接觸帶所形成矽卡巖形態(tài)控制，變化較大。

2.6 周邊礦山開采歷史概況

該區(qū)域開采歷史悠久，礦床開采技術(shù)條件復(fù)雜，在礦山上部老窿、采空區(qū)較多。塌陷坑區(qū)域范圍內(nèi)在2010年前為兩個礦山采礦空間重疊區(qū)，整合以后為現(xiàn)該礦主要開采區(qū)。緊鄰礦山有2個，開采標高分別為890～200 m、850～248 m。加之以前民采在淺部形成的采空區(qū)，在垂直空間上形成了多個層次的采空區(qū)，地下開采情況復(fù)雜（圖3）。

3 UMF系列探測儀器探測及數(shù)據(jù)分析

3.1 探測方法原理

UMF系列探測儀器是在地表通過探針接收來自地下磁流體的電磁波信號，經(jīng)探測電纜到地下磁流體探測儀，由探測儀提取特征信息并送上位機綜合分析得出探測結(jié)果。

3.2 采空區(qū)探測原理

礦區(qū)地下巖石裂縫、溶洞（或采空區(qū)、老窯）中分充水（極低阻）、塌陷、全空（極高阻）等多種形式。UMF系列儀器以地下磁流體向地表發(fā)射的電磁波為信號源，通過探針和探測裝置接收來自地球內(nèi)部的電磁波，分析該電磁波穿透不同地質(zhì)體所形成的不同信號。地下水的持續(xù)運動反饋到地面的電磁波是動態(tài)信息，固體礦產(chǎn)及巖層反饋的是靜態(tài)信息，極低、高阻地質(zhì)體對電磁波具有吸收、折射、反射等作用。

3.3 UMF探測儀探針部署

本次探測是圍繞塌陷坑周圍部署探針，以塌陷坑西側(cè)11 m處為起點往南部署8處探針，編號依次為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；起點往北部署8處探針，編號依次為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，探針之間距離為4～10 m，探測深度為40～220 m（4）。

3.4 探測分析結(jié)論

據(jù)圖5至圖8探測數(shù)據(jù)圖分析可得以下結(jié)論：

1）距地面高度約95～160 m（標高+665～+600 m）對應(yīng)頻率范圍280.68～98.95 Hz，探針A1B1之間有裂隙信號，可能為采空區(qū)。

2）距地面高度約130 m（標高+630 m）對應(yīng)頻率為149.89 Hz，探針A8A7、A7A6、A6A5之間有裂隙信號，可能為巷道。

3）距地面高度約110 m（標高+650 m）對應(yīng)頻率范圍為209.35 Hz，探針A1B1、B1B2、B3B4、 B4B5、B6B7、A8B8之間有裂隙信號，可能為巷道。

圖3 地面塌陷周邊礦山分析圖Fig.3 Analysis of ground collapse

圖4 探測點平面部署示意圖Fig.4 Schematic diagram of the detection point plan

4）距地面高度約175 m（標高+585 m）對應(yīng)頻率為82.71 Hz，探針B5B6之間有水信號；距地面高度約200 m（標高+560 m）對應(yīng)頻率為63.33 Hz，探針B3B4之間有水信號；距地面高度約205 m（標高+555 m）對應(yīng)頻率為60.28 Hz，探針A1B1之間有水信號；距地面高度約210 m（標高+550 m）對應(yīng)頻率為57.44 Hz，探針A3A2之間有水信號?？赡苡械叵滤鲃臃较驗锽5B6—B3B4—A1B1—A3A2。

5）距地面高度約90 m（標高+670 m）對應(yīng)頻率為312.73 Hz，探針B6B7、B7B8之間有水信號。

6）距地面高度約75 m（標高+685 m）對應(yīng)頻率為450.33 Hz，探針B6B7之間有水信號。

3.5 綜合分析結(jié)論

1）根據(jù)探測結(jié)論在距地面高度約95～160 m（標高：+665～+600 m），可能為采空區(qū)，這一結(jié)論與礦體在該區(qū)域的垂直分布范圍（+730～+600 m）吻合，與礦山生產(chǎn)巷道在該區(qū)域的垂直開采水平范圍吻合（+640 m開采水平、+616 m開采水平）。

圖5 探測數(shù)據(jù)圖Fig.5 Detection data

圖7 探測數(shù)據(jù)圖Fig.7 Detection data

2）根據(jù)探測結(jié)論在距地面高度約130 m（標高+630 m），可能有巷道分布；距地面高度約110 m（標高+650 m），可能有巷道分布。這一結(jié)論與該礦在該區(qū)域巷道垂直分布（+640 m、～+610 m、+600 m）大致吻合。

4 成因總結(jié)

根據(jù)前面的分析，探測數(shù)據(jù)與實際的情況在礦體空間分布范圍、礦山采空區(qū)范圍、礦山開采巷道較吻合，說明在探測點A1B1之間地面下標高+665～+600 m部位存在采空區(qū)，產(chǎn)生地面塌陷的原因可能是礦山在開采過程中破壞了采空區(qū)的力學(xué)平衡，導(dǎo)致采空區(qū)頂板垮塌，引發(fā)了地面塌陷（圖9、10）。

圖6 探測數(shù)據(jù)圖Fig.6 Detection data

圖8 探測數(shù)據(jù)圖Fig.8 Detection data

圖9 儀器探測分析剖面圖Fig.9 Analytical profle of instrument detection

圖10 綜合分析剖面圖Fig.10 Comprehensive analysis section

[1]方先知.湖南省礦山地質(zhì)環(huán)境問題成因分析[J].國土資源導(dǎo)刊,2005年第四期.

[2]曾玉清,李貴仁.湖南礦山地質(zhì)環(huán)境問題的成因及變化趨勢[J].國土資源導(dǎo)刊,2005年（理論與實踐）.

[3]楊永田.河北省礦山開發(fā)對地質(zhì)環(huán)境的影響及保護[J].中國煤炭地質(zhì),2009,21(S1): 4-5+25.

[4]劉曉龍,劉占寧.礦山地質(zhì)環(huán)境綜合評價方法研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,2014年9月.

Application of UMF Series Detecting Instrument in the Cause Analysis of Mine Ground Collapse——A Case Study on the Ground Subsidence of a Multi Metal Mine in Hunan

Zhou Guanghui
(Hunan Geological Environment Monitoring Station, Changsha Hunan 410007)

Hunan , rich in mineral resources, development and utilization of large, mining activity caused by the mine ground collapse disaster occurs, resulting in a greater loss of property and casualties.After the disaster, it is an important basis to fnd out the cause of the ground collapse in time and to take the measures of prevention and control.UMF series detecting instrument is to receive the electromagnetic wave signal of underground magnetic fluid from the earth's interior through the earth's surface probe, to extract the characteristic information, and to analyze the results.According to the detection results, geological environment conditions and the deployment of the roadway, comprehensive analysis of the specifc causes of the ground subsidence.

mine; ground collapse; cause analysis; detection instrument

P694

B

1672-5603（2016）04-093-4

*第一作者簡介 周光輝，男，1982年生，工程師，從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評價工作。E-mail: 283826031@qq.com

2016-11-6；改回日期：2016-11-23。