軟弱破碎礦巖開采下地面沉降分析與預(yù)測

黃小忠 李國平

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)姑山礦業(yè)有限公司）

采礦活動會對環(huán)境造成很大的影響，是導(dǎo)致地面沉降的主要誘導(dǎo)因素之一［1-3］。據(jù)統(tǒng)計，僅由于煤礦開采就導(dǎo)致全國每年新增沉陷土地至少5.9萬km2，且呈現(xiàn)加劇趨勢［4］。地面沉降還會對房屋等基礎(chǔ)設(shè)施造成不同程度的損壞，嚴(yán)重影響周圍居民的正常生活［5］。駱祖江等［6］的研究表明，地面沉降會導(dǎo)致地下可采水資源的減少。因此，對地面沉降進(jìn)行監(jiān)測是礦山安全生產(chǎn)的重點(diǎn)工作［7］。隨著環(huán)境保護(hù)力度的加大和相關(guān)嚴(yán)格法規(guī)的出臺，礦山對沉陷區(qū)域的生態(tài)治理修復(fù)迫在眉睫［8-9］。國內(nèi)某鐵礦歷經(jīng)多年高強(qiáng)度回采導(dǎo)致圍巖極破碎，穩(wěn)定性差，回采難度較大。此外，礦山在地表開展地質(zhì)環(huán)境治理工程過程中發(fā)現(xiàn)沉降縫，自地面沉降監(jiān)測以來，地表沉降范圍和沉降量不斷擴(kuò)大，沉降盆地中心的沉降速度有加快的跡象，導(dǎo)致礦山附近部分地段開裂。

因此，為了減少礦山地面沉降帶來的生態(tài)環(huán)境破壞，本研究根據(jù)沉降區(qū)現(xiàn)有地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，先分析沉降區(qū)域時空演化規(guī)律［10］，然后建立數(shù)理統(tǒng)計模型預(yù)測地面沉降發(fā)展趨勢，為治理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 工程概況

國內(nèi)某鐵礦開采礦段分布于11～18勘探線。該礦段主要賦存在-100～-300 m，根據(jù)礦體的開采技術(shù)條件，主要采用水平進(jìn)路充填法開采。礦段有20個礦體，主要有2號主礦體，其余為小礦體。礦區(qū)的巖礦石根據(jù)巖（土）體成因、性狀、結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性質(zhì)，可分第四系松散土壤類，堅硬、半堅硬巖石類，破碎、松軟、軟弱巖石類，具體參數(shù)見表1。礦山主要有多個開采水平。2018年礦山對采區(qū)的地面沉降進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，采區(qū)地表10個監(jiān)測點(diǎn)的最大累計沉降量為24 mm，最小累計沉降量為7 mm，平均累計沉降量為15.5 mm，最大沉降速度為0.079 mm/d。根據(jù)2018年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，礦山地表沉降處于緩慢變形階段和穩(wěn)定狀態(tài)。

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2 地面沉降動態(tài)變化特征

2019年1月開始，礦山在監(jiān)測區(qū)域布置了7條監(jiān)測線，沿每條監(jiān)測線布置若干地面沉降監(jiān)測點(diǎn)，共計34個監(jiān)測點(diǎn)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)得整個累計沉降量變化過程分為3個階段。2019年1—7月，累積最大沉降量的增長速率較快（1.44 mm/d）；2019年8—10月，累積最大沉降量增長速率較平緩（1.28 mm/d）；2020年5月—11月，累積最大沉降量增長速率陡增（最大達(dá)到了1.56 mm/d），該階段累積最大沉降量為1 078 mm。根據(jù)《煤礦采空區(qū)巖土工程勘察規(guī)范》，地表沉降按先后順序可以分為初始期、活躍期和衰退期。其中地表開始沉降，即沉降量大于0時為初始期，當(dāng)?shù)乇沓两邓俣冗_(dá)到1.7 mm/d時為活躍期，從活躍期結(jié)束到整個地表移動期結(jié)束（沉降速度為零）為衰退期。根據(jù)該規(guī)范和沉降區(qū)的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前沉降區(qū)最大沉降速度為1.56 mm/d，表明當(dāng)前該沉降區(qū)已經(jīng)處于沉降初始期的末期，且沉降速度平均以每月增加0.01 mm/d的速度加速下沉，如果后續(xù)繼續(xù)按照這個速度，預(yù)計16個月左右將進(jìn)入地面沉降活躍期。

根據(jù)最新的地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，截至2020年11月13日，監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有多點(diǎn)水平位移超過1 000 mm，其中沉降區(qū)水平位移主要方向?yàn)闁|北方向，擴(kuò)展速度最快為1.73 mm/d，最大水平位移累計量為1 168.5 mm。由于礦山充填站位于主沉降區(qū)的東北方向，如果沉降盆地按照目前態(tài)勢繼續(xù)向東北方向擴(kuò)展，將有可能對該充填站造成不利影響，建議盡快在該方向加密布置地面沉降監(jiān)測點(diǎn)，預(yù)測未來沉降的發(fā)生趨勢。

3 基于數(shù)理統(tǒng)計模型的地面沉降預(yù)測

為了深入研究沉降區(qū)地面沉降變化規(guī)律，利用監(jiān)測點(diǎn)4-2和監(jiān)測點(diǎn)4-5的監(jiān)測數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的開采量，構(gòu)建基于數(shù)理統(tǒng)計的地面沉降模型，對研究區(qū)的地面沉降進(jìn)行模擬和預(yù)測。上述2個監(jiān)測點(diǎn)歷經(jīng)17個月的數(shù)據(jù)采集，分別建立數(shù)理統(tǒng)計模型，結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1可知，4-2點(diǎn)的累計沉降量和累計開采量之間具有較好的二次曲線關(guān)系，曲線擬合的確定系數(shù)R2達(dá)到了0.996 5。從圖2可知，4-5監(jiān)測點(diǎn)的累計沉降量和累計開采量之間具有良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系y=1.756 3e2.0382x，曲線擬合的確定系數(shù)R2達(dá)到了0.685。

為了檢驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計模擬的準(zhǔn)確性，通過從歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取的5個數(shù)據(jù)點(diǎn)對上述模型進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，4-2監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計模型的平均精度達(dá)96.4%，可見模型的誤差很小，可以利用該模型對該點(diǎn)的地面沉降量進(jìn)行預(yù)測。利用該模型對最近一個月的累計沉降量進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測精度為99.5%。同理，4-5監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計模型的平均精度為65.6%，對最近一個月的累計沉降量預(yù)測精度為82.6%。綜上所述，上述數(shù)理模型能夠?qū)ρ芯繀^(qū)的地面沉降進(jìn)行有效預(yù)測，可為礦山建立地面沉降預(yù)防機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 地面沉降成因分析

4.1 開采量對地面沉降的影響

為了定量研究地面沉降與沉降區(qū)范圍內(nèi)開采量之間的關(guān)系，選取沉降范圍內(nèi)的4-2和4-5監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)為對象，開展相關(guān)性分析。繪制出2個監(jiān)測點(diǎn)的累計沉降量和累計開采量的關(guān)系曲線，如圖3和圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，各監(jiān)測點(diǎn)的累計沉降量與其累計開采量之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，尤其是4-2點(diǎn)累計沉降量曲線和累計開采量曲線基本走勢一致。為此，利用SPSS19.0軟件對2個監(jiān)測點(diǎn)累計沉降量與累計相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果表明，4-2監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為99.2%，4-5點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)為75%。

4.2 充填工藝對地面沉降的影響

通過結(jié)合礦山開采情況和充填位置及其充填工藝等，重點(diǎn)闡明充填工藝對地面沉降的影響程度。根據(jù)物探解譯成果，在所有布置的各個物探監(jiān)測線上幾乎都有類似的封閉低速區(qū)，物探解譯為松散區(qū)，如表2和圖5所示。根據(jù)物探解譯成果，橫波速度VS小于1 000 m/s的松散區(qū)的總體積達(dá)到了237.45萬m3。整個地面沉降區(qū)的分布基本和各水平采區(qū)分布一致。從圖5知，松散區(qū)在不同水平分布存在差異，這是由于充填工藝較差導(dǎo)致充填體強(qiáng)度不夠，從而在地壓作用下破碎形成的。

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地面沉降盆地已經(jīng)超過了目前布置的地面沉降點(diǎn)的監(jiān)測范圍，而且該沉降盆地?zé)o論是垂直沉降還是水平擴(kuò)展都呈現(xiàn)加速態(tài)勢，需要對該沉降區(qū)進(jìn)行工程治理，遏制地面沉降，以確保礦山采區(qū)的安全生產(chǎn)以及保護(hù)地面的生態(tài)環(huán)境。因此，應(yīng)加快對研究區(qū)的地面監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位和監(jiān)測頻率優(yōu)化，特別是目前研究區(qū)的地面沉降已經(jīng)進(jìn)入了沉降初始期的末期，即將進(jìn)入到活躍期。建立完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能為制定相應(yīng)的預(yù)防機(jī)制和應(yīng)急預(yù)案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外，可以通過地面施工注漿孔對充填不良區(qū)域進(jìn)行充填加固，并根據(jù)其充填效果和對上覆關(guān)鍵層的修復(fù)效果進(jìn)一步開展后續(xù)治理工程。如果修復(fù)不理想，可以通過改進(jìn)充填工藝等方式提高充填體強(qiáng)度和充填接頂率，以減少礦山地表沉降。

5 結(jié) 論

（1）礦山沉降區(qū)當(dāng)前已經(jīng)處于沉降初始期的末期，如果后續(xù)繼續(xù)按照該速度下沉的話，預(yù)計16個月左右將進(jìn)入地面沉降活躍期。

（2）4-2點(diǎn)累計開采量與累計沉降量的相關(guān)系數(shù)為99.2%，4-5點(diǎn)相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)為75%，證明了研究區(qū)地面沉降與沉降區(qū)地下開采活動具有很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

（3）采區(qū)范圍內(nèi)形成了沉降盆地，而且該沉降盆地?zé)o論是垂直沉降還是水平擴(kuò)展都呈現(xiàn)加速態(tài)勢，需要對該沉降區(qū)進(jìn)行工程治理。

（4）圍巖軟弱、采礦擾動大、礦體賦存條件差和充填工藝不佳等是導(dǎo)致礦山地面沉降的主要因素。