礦區(qū)地表巖移與地裂縫分布動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析

曹佳興

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引 言

地下開采活動(dòng)引起的地表沉降和變形一直以來(lái)都是礦山工程和巖石力學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是眾多學(xué)者關(guān)注的礦山開采難題[1]。針對(duì)礦區(qū)地表巖移與地裂縫分布，多種研究理論逐漸呈現(xiàn)[2-6]。SBAS-InSAR技術(shù)[7]、三維激光掃描與DInSAR聯(lián)合監(jiān)測(cè)[8]、時(shí)序雷達(dá)干涉[9]、GPS[10]等多種監(jiān)測(cè)手段也逐漸應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)工程中。

礦山環(huán)境地質(zhì)問題復(fù)雜多變，因地而異。對(duì)甘肅某礦礦區(qū)來(lái)講，開采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題主要有以下特點(diǎn)：隨著地下開采進(jìn)度的加大，以地裂縫為顯著宏觀特征的地表破壞問題日益突出。隨著開采深度的不斷加深，采空區(qū)的不斷增加，破壞了巖體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，出現(xiàn)巷道底板開裂，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等，進(jìn)而引起地表下沉、地面塌陷等。隨著生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大，礦區(qū)內(nèi)修建基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)山體開挖形成的邊坡，受爆破擾動(dòng)，出現(xiàn)崩塌、滑坡等危害。存在的這些環(huán)境問題直接影響著甘肅某礦礦區(qū)的綠色發(fā)展，同時(shí)解決礦產(chǎn)開采活動(dòng)與綠色健康的自然環(huán)境之間的矛盾也是我國(guó)礦業(yè)開發(fā)急需解決的重要問題之一。眾多學(xué)者針對(duì)該礦區(qū)地表巖移特征進(jìn)行了多方面研究[11-14]。因此，對(duì)礦區(qū)地表環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)周期、高密度的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、分析研究，客觀的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，不僅可為礦區(qū)資源的合理開采、地質(zhì)環(huán)境整治提供指導(dǎo)，對(duì)礦區(qū)內(nèi)生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

1 工程背景

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

甘肅某礦二礦區(qū)礦石超基性巖長(zhǎng)3000余米，除東端第四系下埋藏300余塊外，其余均出露于表面。含礦巖體兩端窄中間寬，受F17斷層(圖中未標(biāo)出,也未說(shuō)明)的影響最寬處達(dá)527 m以下?？傮w走向北西50°左右，向西南傾斜，傾角50°～80°[15]。巖體有分支，大型海綿狀隕石狀富礦體主要分布在下部。富礦體位于中心，貧礦體位于富礦體的周圍、頂部或一側(cè)，如圖1所示，礦體圍巖及頂板主要為二輝橄欖巖，其次為大理巖。

圖1 二礦區(qū)1#礦體1150平面示意圖

礦體在40排附近被F17斷層錯(cuò)動(dòng)，水平斷層間距130～260 m，垂直斷層間距90～150 m，2號(hào)礦體以貧礦為主，富礦僅占儲(chǔ)量的41.29%。貧礦體中下部以透鏡體形式富集，分布在34～52之間行。行礦體頂板以二輝橄欖巖為主，斜長(zhǎng)巖次之。底板巖石以大理巖為主，其次為橄欖巖、輝石等，圍巖相對(duì)穩(wěn)定，底板不穩(wěn)定。

1.2 二礦區(qū)充填條件

二采(應(yīng)該是)區(qū)在下分層機(jī)械化板區(qū)采用水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，二采區(qū)工程采用無(wú)軌機(jī)械化掘進(jìn)，是近年來(lái)機(jī)械化程度最高的現(xiàn)代有色金屬地下礦山。中國(guó)項(xiàng)目的第二階段，回采順序?yàn)橄壬媳P后下盤，先兩翼后中間，回采方法是隔一采一的，如圖2所示，正常情況下，盤區(qū)只有2、3條進(jìn)路同時(shí)回采。接近結(jié)束后，應(yīng)準(zhǔn)備填料，充填骨料為-3 mm棒磨砂和選礦尾砂。膠凝材料為425#散裝普通硅酸鹽水泥。輔助材料為干粉煤灰[16]。

圖2 二礦區(qū)下向分層機(jī)械化水平進(jìn)路膠結(jié)充填采法示意圖

2 二礦區(qū)地表巖移特征

2.1 二礦區(qū)地表巖移監(jiān)測(cè)

2.1.1 水平位移

在二礦區(qū)建立三個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(14-4、14-5、14-6)，用于監(jiān)測(cè)礦區(qū)水平位移量，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，監(jiān)測(cè)期從2001年到2017年，以每半年作為監(jiān)測(cè)時(shí)段匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

圖3 GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

水平位移量如圖4所示，圖中顯示了隨時(shí)間的變化，最大位移量累計(jì)變化趨勢(shì)圖，由圖可以看出在有效監(jiān)測(cè)期間，三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)去顯現(xiàn)變化趨勢(shì)基本保持一致，由此反映最大累計(jì)水平位移量隨著時(shí)間的推移呈近線性變化。累計(jì)水平位移量分別2183 mm、2295 mm、2307 mm。對(duì)比三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量大小可以看出，位移變形嚴(yán)重區(qū)域的測(cè)點(diǎn)，水平位移量變化速率表現(xiàn)為逐年遞增的特征。

圖4 累計(jì)水平位移量變化圖

2.1.2 垂直位移

與水平位移監(jiān)測(cè)方法類似，在二礦區(qū)建立三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(14-1、14-2、14-3)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，用于監(jiān)測(cè)二礦區(qū)巖體垂直位移量，從2001年到2017年，以每半年為監(jiān)測(cè)時(shí)段對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，如圖5所示。圖中顯示了各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)垂直位移變化特征。從圖4可以看出，在2001年到2017年監(jiān)測(cè)時(shí)期內(nèi)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)垂直位移變化呈近線性變化。沉降量分別3457 mm、3469 mm、3478 mm，對(duì)比三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移量大小可以看出，位移變形嚴(yán)重區(qū)域的測(cè)點(diǎn)，水平位移量變化速率表現(xiàn)為逐年遞增的特征，分析結(jié)果與圖4一致。

圖5 累計(jì)沉降量變化圖

2.1.3 位移矢量

根據(jù)水平和垂直位移監(jiān)測(cè)原理，建立三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(14-7、14-8、14-9)，對(duì)二礦區(qū)三維位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，以每半年為一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析展示，如圖6所示。圖中顯示了三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)三維位移變化量和變化趨勢(shì)。有圖可以看出，從2001年到2017年，中心點(diǎn)最大累計(jì)三維位移的變化趨勢(shì)呈近線性變化，隨著時(shí)間的推移，巖體移動(dòng)量逐年增大，三維位移量分別3848 mm、3845 mm、3850 mm。變化趨勢(shì)及變化特征與水平位移和垂直位移變化特征基本相同，由此反映礦區(qū)巖體移動(dòng)變化時(shí)，各方位巖移變化特征和趨勢(shì)基本一致。

圖6 三維位移量累計(jì)變化曲線

2.2 二礦區(qū)地表巖移特征

通過匯總各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制水平位移、垂直位移和三維位移累計(jì)變化速率曲線，如圖7所示。圖中顯示了從2001年到2017年，以每半年為一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段，共33個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段的監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖看出，三維位移變化速率大于垂直位移變化速率，垂直位移變化速率大于水平位移變化速率，三者變化趨勢(shì)和變化特征基本一致，由此反映礦區(qū)巖體移動(dòng)對(duì)各方位位移變化的影響程度和特征基本相同。對(duì)比分析水平位移、垂直位移和三維位移累計(jì)變化速率曲線，可以看出水平位移和垂直位移三維位移的最大位移速率測(cè)點(diǎn)位移的變化趨勢(shì)是逐漸增大的，是遠(yuǎn)離中心地帶的近點(diǎn)位移，位移速率大，位于遠(yuǎn)離中心區(qū)域的測(cè)點(diǎn)，位移速率小。

圖7 累計(jì)位移量變化速率曲線圖

在14行線建立6個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(14-1、14-4、14-7、14-10、14-12、14-17)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，用于監(jiān)測(cè)垂直礦體走向最大厚度主斷面的地表巖體沉降量，在2001年到2017年的監(jiān)測(cè)期內(nèi)，以每年末為監(jiān)測(cè)時(shí)段對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和展示，如圖8所示。圖中顯示了自2001年到2017年，每年的地表巖體沉降量變化曲線。由圖可以看出，隨著時(shí)間的推移，地表巖體沉降量逐年增加，礦體中心沉降量和沉降速率遠(yuǎn)大于礦體周圍，每年的沉降趨勢(shì)和特征基本保持相同。

圖8 二礦區(qū)14行線主斷面地表巖體移動(dòng)

3 二礦區(qū)地裂縫分布特征與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 地裂縫分布特征

根據(jù)地質(zhì)資料和相關(guān)地測(cè)報(bào)告將二礦區(qū)劃分為2個(gè)裂縫區(qū)，如圖3所示，共計(jì)約50條地裂縫，主要分布于2～30行勘探線之間，大部分裂縫較沿不同方向均有不同程度的擴(kuò)展和延伸。裂縫最大長(zhǎng)度達(dá)1100 m，最大寬度達(dá)70 m，各裂縫水平、垂直交叉貫通[16]。

3.2 裂縫現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在第一裂縫區(qū)帶和第二裂縫區(qū)帶各選擇12條(F0～F11)比較有代表性的裂縫，在每處裂縫的兩邊埋置一對(duì)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)12組共計(jì)24個(gè)GPS裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)，GPS裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置見測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

3.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行每半年一次的定期監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際絕對(duì)變形量。將每組裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移矢量投影到與被測(cè)裂縫垂直和平行的兩個(gè)方向上，然后改變兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一方向的變形值，得到兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移，即此處裂紋的拉伸位錯(cuò)和水平位錯(cuò)位移；再對(duì)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程絕對(duì)位移矢量作差，所得值為裂縫兩邊的沉降位移。分別對(duì)每組裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)做以監(jiān)測(cè)時(shí)間為主線的對(duì)比分析，由分析結(jié)果可以看出各組裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)在三個(gè)相對(duì)位移方向的相對(duì)位移速率基本穩(wěn)定。通過對(duì)地裂縫發(fā)展變化的監(jiān)測(cè)，從每組監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形特點(diǎn)以及所監(jiān)測(cè)裂縫的分布形態(tài)綜合分析，可以總結(jié)得出裂縫變化的幾個(gè)特點(diǎn)。

基于GPS監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)二礦區(qū)典型的12條地裂縫變形特征進(jìn)行為期九年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以每年11月份為截點(diǎn)對(duì)本年數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后對(duì)九年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示，繪制相對(duì)變形量變化曲線，如圖9所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測(cè)期內(nèi)的相對(duì)位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿張開的方向擴(kuò)展，負(fù)值代表地裂縫沿閉合方向發(fā)展。由圖可知，地裂縫F1、F2、F5、F7、F8、F9、F11沿張開方向擴(kuò)展，可歸納為張裂縫。隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對(duì)位移量均呈近線性增加，裂縫F9相對(duì)位移量最大，為159 mm，裂縫F5相對(duì)位移量最小，為32 mm，其他裂縫相對(duì)位移量介于二者之間。地裂縫F0、F3、F4、F6、F10沿閉合方向擴(kuò)展，可歸納為閉裂縫。隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對(duì)位移量同樣均呈近線性增加，裂縫F4相對(duì)位移量最大，為349 mm，裂縫F6相對(duì)位移量最小，為18 mm，其他裂縫相對(duì)位移量介于二者之間。

圖9 裂縫拉張方向變形

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)二礦區(qū)典型的12條地裂縫水平方向錯(cuò)動(dòng)變形特征分析展示，繪制相對(duì)變形量變化曲線，如圖10所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測(cè)期內(nèi)的相對(duì)位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿規(guī)定的正方向擴(kuò)展變形，負(fù)值代表地裂縫沿相反方向擴(kuò)展。由圖可知，地裂縫F4、F6沿規(guī)定的正方向擴(kuò)展，裂縫F6水平方向相對(duì)變形量和變形速率大于裂縫F4，裂縫F6水平方向相對(duì)位移量為382 mm，裂縫F4相對(duì)位移量最164 mm。地裂縫F0、F1、F2、F3、F5、F7、F8、F9、F10、F11沿相反方向擴(kuò)展，地裂縫F9水平相對(duì)變形量和變形速率最大，相對(duì)變形量達(dá)418 mm，裂縫F5水平相對(duì)量最小，為8 mm，其他裂縫水平相對(duì)位移量介于二者之間。對(duì)比分析12條地裂縫的水平方向相對(duì)變形量可知，隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對(duì)位移量均呈近線性增加，不同區(qū)域的相對(duì)變形量和變形速率有所不同。

圖10 裂縫水平錯(cuò)動(dòng)方向變形

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)二礦區(qū)典型的12條地裂縫垂直方向錯(cuò)動(dòng)變形特征分析展示，繪制相對(duì)變形量變化曲線，如圖11所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測(cè)期內(nèi)的相對(duì)位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿垂直向下的方向擴(kuò)展變形，負(fù)值代表地裂縫沿垂直向上的方向擴(kuò)展。由圖可知，地裂縫F1、F3、F7、F10、F11沿垂直向下的方向擴(kuò)展，裂縫F11垂直方向相對(duì)變形量和變形速率最大，相對(duì)變形量為204 mm，裂縫F10垂直方向相對(duì)位移量最小，為19 mm，其他裂縫水平相對(duì)位移量介于二者之間。地裂縫F0、F2、F4、F5、F6、F7、F8、F9沿垂直向上的方向擴(kuò)展，地裂縫F4垂直相對(duì)變形量和變形速率最大，相對(duì)變形量達(dá)410 mm，裂縫F5水平相對(duì)量最小，為5 mm，其他裂縫水平相對(duì)位移量介于二者之間。對(duì)比分析12條地裂縫的水平方向相對(duì)變形量可知，隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對(duì)位移量均呈近線性增加，不同區(qū)域的相對(duì)變形量和變形速率有所不同。分析結(jié)果與上文基本一致。

圖11 裂縫沉降錯(cuò)動(dòng)方向變形

4 結(jié)論

(1) 二礦區(qū)1#礦體伴隨1150中段水平礦層的逐步采盡，致使地表變形明顯增大。在礦區(qū)逐步形成近似圓形的沉降盆地，其沉降中心在14～18行線之間。二礦沉降區(qū)2001年4-5月至2017年10-11月內(nèi)累積三維位移量最大為3850 mm，水平位移量最大為2307 mm，沉降量最大為3478 mm。

(2) 大面積的地表巖移已對(duì)甘肅某礦礦區(qū)地下采掘作業(yè)和地表主要設(shè)施構(gòu)成威脅。由GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，隨著開采深度的增加，地表和井下均受采動(dòng)的影響，地表及礦體發(fā)生變形和沉降。井下最大沉降量在20～40 mm，水平位移量為10～30 mm。自2001年開始監(jiān)測(cè)以來(lái)每半年為一個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段累計(jì)沉降量達(dá)1198 mm，水平位移量達(dá)519 mm，三維位移量達(dá)1402 mm。

(3) 二礦區(qū)典型的12條地裂縫拉張方向相對(duì)位移量最大值為349 mm(F4)，最小值為18 mm(F6)；水平方向相對(duì)位移量最大值為418 mm(F9)，最小值為8 mm(F5)；沉降方向相對(duì)位移量最大值為410 mm(F4)，最小值為5 mm(F5)。