基于GPS監(jiān)測的淺埋闊個沙也金礦地表變形規(guī)律研究

孫英翔

摘要：地表沉降是嚴(yán)重威脅礦山安全開采的主要因素之一，同時也是影響地表生態(tài)環(huán)境的重大問題之一。闊個沙也金礦礦體埋深極淺，采礦活動對地表影響不可忽視，以該礦山地表沉降為研究對象，基于GPS測量技術(shù)對礦山開采地表沉降特征和變形規(guī)律開展了監(jiān)測分析，得到了不同監(jiān)測階段的地表沉降和水平移動曲線。沉降量最大的監(jiān)測點是GC1，沉降量為-9.2 mm。工作面在推進的過程中形成了GC1和GC8 2個監(jiān)測點位置的沉降區(qū)，GC1位置的漏斗相對較大，沉陷范圍超過9 mm。不同監(jiān)測點的x方向位移均呈現(xiàn)波動變化規(guī)律。監(jiān)測結(jié)果為礦區(qū)變形規(guī)律研究提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：采礦活動;GPS監(jiān)測;變形分析;地表沉降;水平移動

引 言

隨著礦產(chǎn)資源開采推進，地下采空區(qū)數(shù)量逐漸累積，采空區(qū)上方地表圍巖的力學(xué)平衡被破壞，造成地表塌陷及變形現(xiàn)象。這種變形問題容易引起主要井筒位移與變形、露天礦邊坡的移動與變形及礦山重要建（構(gòu)）筑物的移動與變形。為了礦區(qū)生產(chǎn)安全和生態(tài)環(huán)境保護，開展地表沉降監(jiān)測和分析成為礦山開采過程中的重要內(nèi)容之一，對確保主要井筒、主要建（構(gòu)）筑物及沉降區(qū)域的地表安全，解釋沉降與變形產(chǎn)生的原因和了解掌握其規(guī)律具有重要意義。

目前，國內(nèi)對于礦山地表沉降智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的研究相對較少，主要在沉降監(jiān)測和數(shù)據(jù)解析方面取得了一定的進展[1-3]。對于金屬礦山，地表沉降一般與礦山巖層結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)、采礦工作面附近的巖體力學(xué)特征、選擇的采礦方法及參數(shù)等有關(guān)，由于金屬礦山地質(zhì)條件更加復(fù)雜，因此需要加強礦區(qū)地表沉降監(jiān)測研究。劉海昭[4]針對阿希金礦開采技術(shù)條件及采空區(qū)分布情況開展了采空區(qū)對地表影響研究，發(fā)現(xiàn)在地表形成位移約為1 cm的影響區(qū)域，其東西范圍約120 m，南北范圍約400 m，一旦地表在采空區(qū)影響下發(fā)生位移，其影響范圍將非常大。廉海等[5]采用Flac軟件對石人溝鐵礦地下開采過程導(dǎo)致的地表沉降規(guī)律進行了模擬，發(fā)現(xiàn)地下開采過程中底板的拉應(yīng)力容易導(dǎo)致頂?shù)装灏l(fā)生豎直向下位移，且隨著礦房不斷開采，最大下沉值發(fā)生在采空區(qū)中部上方。

在現(xiàn)場監(jiān)測方面，學(xué)者采用多種方法開展地表沉降監(jiān)測分析工作，如數(shù)字近景攝影測量技術(shù)[6]、三維激光掃描技術(shù)[7-8]和GIS監(jiān)測分析技術(shù)[9-12]、雷達監(jiān)測[13-14]等。張智華[13]基于InSAR技術(shù)并結(jié)合ArcGIS軟件開展了礦山開采沉降監(jiān)測，實現(xiàn)了較高精度判別沉陷方向。陳優(yōu)良等[14]采用D-InSAR“雙軌”差分干涉測量方法研究了河北省邯鄲市某礦區(qū)地表形變規(guī)律。賀躍光等[15]討論了構(gòu)造應(yīng)力作用下的地表移動規(guī)律，提出采用急傾斜崩落采礦法開采金屬礦山與急傾煤礦，其地表沉陷屬構(gòu)造應(yīng)力作用下的地表移動規(guī)律范疇。

本文針對托里縣招金北疆礦業(yè)有限公司闊個沙也金礦（下稱“闊個沙也金礦”）地下開采活動引起地表變形的問題，根據(jù)礦山地質(zhì)條件、開采方法和地表移動情況，布設(shè)了變形監(jiān)測點，采用基于GPS靜態(tài)測量與水準(zhǔn)測量相結(jié)合的方法開展了地表沉降位移和水平位移監(jiān)測，獲得了一定周期內(nèi)的沉降位移數(shù)據(jù)，研究成果將為類似礦山地表變形問題提供借鑒。

1 工程背景

闊個沙也金礦位于新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)托里縣廟爾溝鎮(zhèn)薩爾哈木斯，礦區(qū)中心地理坐標(biāo)：東經(jīng)84°26′27″、北緯45°23′45″。礦區(qū)距克拉瑪依市70 km，奎屯市130 km，均為國道和省道，省道至礦區(qū)有1.50 km的簡易便道相通，交通便利。該礦區(qū)海拔標(biāo)高為750～769 m，相對高差2～5 m，為低山丘陵地帶，地勢總的特點是南東高，北西低，地形坡度較緩，一般10°～30°。

2021年第1期/第42卷 采礦工程采礦工程 黃 金

礦區(qū)地形地貌單一，地勢平緩，地表排水通暢，礦體圍巖巖體以堅硬沉積變質(zhì)層狀巖組為主，屬第三類層狀巖類，無軟弱巖石夾層，基本不存在松散巖組。區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造破碎較不發(fā)育。根據(jù)文獻[16]，該礦床類型屬中低溫?zé)嵋盒徒鸬V床，礦床并非單一地質(zhì)因素作用下形成，而是多種因素同時或相連作用形成，即為多成因。地層或巖體中的金元素在溫度、壓力、濃度等條件的不斷變化下，經(jīng)過多次活化、遷移后，最終在有利的環(huán)境中發(fā)生富集，金礦的物質(zhì)來源多元，成礦因素多種，成礦物質(zhì)經(jīng)過多次活化、遷移、再富集而成。

礦體的頂?shù)装寰挥谀屹|(zhì)砂巖和變砂巖中，巖石堅硬，裂隙發(fā)育較差，巖石質(zhì)量優(yōu)良，巖體完整，穩(wěn)固性良好，礦體的強度雖有所降低，但也屬堅硬、半堅硬巖石，巖石質(zhì)量較好，穩(wěn)固性也較好。礦區(qū)地下水富水性較弱，巖石物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會產(chǎn)生遇水腐蝕軟化現(xiàn)象。礦床總體工程地質(zhì)條件較好，巷道基本無需支護，只需局部進行簡單支護，礦床的頂?shù)装宸€(wěn)固。

闊個沙也金礦為采選一體化礦山，采用地下開采方式，礦體為急傾斜薄礦體，礦體埋深極淺（近地表）。礦石及上下盤圍巖中等以上穩(wěn)固，采礦方法為淺孔留礦采礦法，礦房回采按階梯或水平分層推進，根據(jù)現(xiàn)場實際情況預(yù)留礦柱及頂柱，對大放礦結(jié)束后的采空區(qū)進行廢石充填，有效減少地下開采對地表環(huán)境產(chǎn)生的影響。

2 沉降監(jiān)測及結(jié)果分析

2.1 變形監(jiān)測范圍及基準(zhǔn)點布置

闊個沙也金礦礦體埋深極淺，早期民采曾出現(xiàn)采透地面事故。同時，礦山廠區(qū)距離采場較近，地下采礦活動對地表的影響必須引起重視。因此，采用GPS監(jiān)測方法開展了礦區(qū)地表位移監(jiān)測工作。監(jiān)測區(qū)域主要圍繞地面廠房區(qū)域，監(jiān)測范圍包括550 m中段、600 m中段、650 m中段、700 m中段和750 m中段，監(jiān)測點空間分布及高程特征見圖1。依據(jù)JGJ 8—2016 《建筑變形測量規(guī)范》水準(zhǔn)基準(zhǔn)點應(yīng)埋設(shè)在基巖層或原狀土層中，深埋混凝土基準(zhǔn)點標(biāo)石，也可埋設(shè)在年代久遠的永久性構(gòu)筑物上。根據(jù)現(xiàn)場實際，本次水準(zhǔn)基準(zhǔn)點選擇在原狀土層中，監(jiān)測的基準(zhǔn)點形式見圖2，現(xiàn)場監(jiān)測點位置坐標(biāo)見表1。

2.2 變形監(jiān)測精度及方法

本次變形測量等級劃分為三級，變形點的高程中誤差±1.0 mm，相鄰變形點的高差中誤差±0.5 mm，每站高差中誤差小于0.3 mm，往返較差環(huán)線閉合差小于0.6n mm（n為測站數(shù)），監(jiān)測已測高差較差小于0.8n mm;水平位移變形點的點位中誤差±10.0 mm，測角中誤差小于±2.5″，最弱邊相對中誤差≤1/40 000。受地形及廠房影響，此次變形監(jiān)測的基準(zhǔn)點與各監(jiān)測點不盡通視，但礦區(qū)地形開闊，基準(zhǔn)點與各監(jiān)測點附近無建筑物或樹木遮擋，無大面積水域及電磁波干擾，故平面測量采用GPS靜態(tài)測量技術(shù)，使用STONEXS3Ⅱ全星系GPS接收機（靜態(tài)測量平面精度±2.5 mm+1×10-6），高程測量采用精密二等水準(zhǔn)方法，使用蘇一光DSZ1型精密水準(zhǔn)儀觀測（每公里高程中誤差小于±0.7 mm），銦鋼瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺。

2.3 結(jié)果分析及討論

2.3.1 地表沉降位移

在研究區(qū)域共開展了5次測量，測量間隔時間約20～35 d。每次測量采用相同的觀測路線和觀測方法，使用同一臺儀器設(shè)備，固定觀測人員，在基本相同的環(huán)境和條件下工作。水準(zhǔn)測量按精密二等測量要求，每公里高差中誤差小于±2.0 mm，環(huán)線單程往測，閉合差小于4L mm（L為環(huán)線長度，以km為單位），水平位移觀測，相對于基點的坐標(biāo)中誤差不應(yīng)超過3 mm。每次測得監(jiān)測點坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)后，根據(jù)“沉降量=后一次測量高程-前一次測量高程”計算得出監(jiān)測點沉降變化情況，監(jiān)測沉降結(jié)果見表2。

本次監(jiān)測期間，礦山地下開采活動正常進行，日出礦量600 t，日掘進量400 t，開采范圍集中在200～370 m，因此通過變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以了解監(jiān)測期間井下正常開采過程中巖體移動在地表上的動態(tài)反映，達到此次地表變形監(jiān)測的目的。不同監(jiān)測點沉降分析結(jié)果見圖3。結(jié)果表明，本次沉降監(jiān)測中沉降量最大的監(jiān)測點是GC1，沉降量為-9.2 mm，GC8次之。根據(jù)測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析，該礦區(qū)未發(fā)生明顯變化。

地表監(jiān)測點沉降分布見圖4。從圖4可以看出：該工作面在推進的過程中形成了2個沉陷漏斗，即GC1和GC8 2個監(jiān)測點位置，GC1位置的漏斗相對較大，沉陷范圍超過9 mm。GC3、GC4和GC6位置的沉降位移較小。

2.3.2 水平位移

共開展5次水平位移測量，得到4組相對位移結(jié)果（第1組相對位移為0），監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果見表3。

水平方向不同測量次數(shù)位移曲線結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出：不同監(jiān)測點的x方向位移均呈現(xiàn)波動變化規(guī)律，其中GC10監(jiān)測點的水平x負(fù)方向位移變化最大，GC8監(jiān)測點次之，GC7監(jiān)測點的x正方向位移最大;GC3監(jiān)測點的y負(fù)方向發(fā)生較大位移，GC6監(jiān)測點次之，GC13監(jiān)測點發(fā)生較大的y正方向位移，且呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢。

根據(jù)水平累計位移移動方向云圖（見圖6），不同監(jiān)測點的水平位移并未出現(xiàn)一致的移動變形，每個監(jiān)測點的移動方向比較復(fù)雜，GC10、GC12、GC4與GC13、GC5之間呈現(xiàn)比較大的反向相對位移，有較大機率引起地表裂縫，對該區(qū)域的地表建筑物應(yīng)加大監(jiān)測頻率，一旦出現(xiàn)較大變形應(yīng)盡快采取相應(yīng)保護或撤離措施。

通過以上測量結(jié)果與數(shù)據(jù)分析，該礦區(qū)未發(fā)生明顯變化，但礦區(qū)發(fā)生變形是客觀存在的。因此，在地下開采過程中，要繼續(xù)加大對工程各個環(huán)節(jié)的把控力度與關(guān)注度，否則會造成難以彌補、無法預(yù)期的后果。闊個沙也金礦應(yīng)當(dāng)引入監(jiān)測制度，對礦區(qū)地表移動帶及井塔等建筑物進行常態(tài)化變形監(jiān)測或?qū)崟r變形監(jiān)測，并建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行分析，確定及完善變形區(qū)域，掌握變形趨勢，為變形區(qū)的防治和治理提供數(shù)據(jù)支持，對礦區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)有重要的意義，進一步保證地下開采活動的正常進行。

3 結(jié) 論

1）采用基于GPS靜態(tài)測量與水準(zhǔn)測量相結(jié)合的方法開展了地表位移沉降監(jiān)測，沉降監(jiān)測中沉降量最大的監(jiān)測點是GC1，沉降量為-9.2 mm，GC8次之。工作面在推進的過程中形成了2個沉陷區(qū)，即GC1和GC8 2個監(jiān)測點位置，GC1位置的漏斗相對較大，沉陷范圍超過9 mm。GC3、GC4和GC6位置的沉降位移較小。

2）不同監(jiān)測點的x方向位移均呈現(xiàn)波動變化規(guī)律，其中GC10監(jiān)測點的水平x負(fù)方向位移變化最大，GC8監(jiān)測點次之，GC7監(jiān)測點的x正方向位移最大;GC3監(jiān)測點的y負(fù)方向發(fā)生較大位移，GC6監(jiān)測點次之，GC13監(jiān)測點發(fā)生較大的y正方向位移，且呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢;各監(jiān)測點的移動方向比較復(fù)雜，GC10、GC12、GC4與GC13、GC5之間呈現(xiàn)比較大的反向相對移動位移，有較大機率引起地表裂縫，需要加大地表變形及沉降監(jiān)測頻率。

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