厚大礦體充填條帶開采巖層損傷與地表沉降聯合監(jiān)測研究

摘" 要：厚大礦體資源的開采面臨施工難、采動地壓大的難題，而采用以廂式充填法為主的分層條帶充填開采在杉樹埡磷礦實現順利應用。為研究厚大礦體充填條帶開采巖層損傷與地表沉降，采用地質雷達的方法，監(jiān)測得到厚大磷礦層分層條帶充填開采產生的頂板損傷深度在8.5 m左右，采動影響范圍較低，廂式充填采礦法在厚大礦體開采中應用效果較好。厚大礦體的礦柱在5～10 m范圍內存在明顯的巖層裂隙，而充填體的裂隙節(jié)理主要分布在17 m范圍內，超過17 m深度的充填體裂隙數目明顯降低，表現出完整性的提升。通過DS-InSAR地表位移監(jiān)測方法，研究得到2019—2023年，401段和402段的地表沉陷最大值為47 mm，且總體上變化不均勻而出現明顯波動性，表明厚大礦體開采并未對地表沉陷造成明顯影響。

關鍵詞：磷礦；地質雷達；采動應力；DS-InSAR；地表位移

中圖分類號：TD326" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）05-0112-05

Abstract： The mining of thick and large ore body resources faces difficulties in construction and high mining ground pressure. However， layered strip filling mining based on box filling method has been successfully applied in Shanshuya Phosphate Mine. In order to study the rock formation damage and surface subsidence in thick and large ore bodies filled strip mining， the geological radar method was used to monitor and determine that the depth of roof damage caused by layered strip filling mining in thick and large phosphorus ore layers was about 8.5 m， and the mining influence range was relatively low. The box-filling mining method has a good application effect in the mining of thick and large ore bodies. There are obvious rock fractures in the range of 5 to 10 m in the pillars of thick and large ore bodies， while the crack joints of the filling body are mainly distributed in the range of 17 m. The number of cracks in the filling body beyond 17 m is significantly reduced， showing an improvement in integrity. Through the DS-InSAR ground displacement monitoring method， it is found that from 2019 to 2023， the maximum value of surface subsidence in sections 401 and 402 is 47 mm， and the overall change is uneven and there is obvious fluctuation， indicating that the mining of thick and large ore bodies has not significantly affected surface subsidence.

Keywords： phosphate ore; geological radar; mining stress; DS-InSAR; ground displacement

磷礦資源是世界上重要的戰(zhàn)略資源，屬于不可再生的資源，具有不可代替性[1]。推行安全高效的磷礦開采技術，努力提高資源的回采率和開發(fā)利用率，是當前我國資源開發(fā)利用的原則之一[2]。在目前磷礦開采過程中，相較于其他礦體，受限于自身所固有的開采技術條件及礦體的賦存條件和其產狀的特殊性，在開采過程中往往會使巖層結構發(fā)生破壞損傷從而引起覆巖破斷導致大量節(jié)理裂隙產生，延伸至地表后發(fā)生地表沉降，嚴重影響生態(tài)環(huán)境保護[3-6]。因此，在開采過程中探索安全可靠、高效合理的監(jiān)測技術，對于預防潛在的地質災害及生態(tài)環(huán)境修復具有重要意義。

隨著測繪技術的快速發(fā)展，國內學者針對采礦引起的巖層損傷及地表沉陷進行了諸多深入的研究[7-9]。敖嫩等[10]采用現場實地調查與統計分析的手段，分析了鄂爾多斯地區(qū)地裂縫形成的原因，提出了解決地裂縫問題的防治方法；朱鵬程[11]基于無人機測量技術提出了地表水平移動變形的監(jiān)測方法，在南屯煤礦應用效果良好；周安民[12]針對開采沉陷數據采集時序問題，提出了基于濾波算法+遙感測繪技術的新型監(jiān)測方法，準確率可達95%以上；張麗媛等[13]采用無人機和InSAR多源手段聯合應用的方法，實現了對礦區(qū)開采沉陷的有效監(jiān)測；楊中輝等[14]運用模糊層次分析法對黃土溝壑區(qū)開采沉陷進行了綜合評價，具有較高推廣價值；此外還有學者利用SBAS-InSAR技術對開采沉陷進行了分析研究[15-16]；李濤等[17]構建了基于DBD-Net的InSAR開采沉陷盆地監(jiān)測網絡；惠甜甜等[18]將SBAS-InSAR技術和LSTM-GS模型相結合獲取了時序累積沉降值。

綜上所述，學者們對于開采引起的覆巖損傷與地表沉陷監(jiān)測已取得了諸多成果，但對于不同礦區(qū)由于其地質條件的特殊性、復雜性，在監(jiān)測方面缺乏聯合有效的手段對其進行分析研究。本文以杉樹埡磷礦充填條帶開采為工程背景，通過聯合地質雷達井下監(jiān)測和DS-InSAR地表沉陷監(jiān)測，為礦區(qū)厚大磷礦體充填開采產生的巖層損傷與地表沉降進行透明化、精細化分析，并為相關厚大礦體開采工程提供參考與指導。

1" 工程概況

1.1" 厚大礦體開采概況

杉樹埡磷礦的開采面臨著礦床厚度增大的挑戰(zhàn)，使得傳統房柱式開采方法的應用受到了限制。為此，該礦進行開采方法的革新，針對厚大礦體采用分層充填條帶開采方法。圖1為該礦正在開采的四采區(qū)平面圖。

1.2" 分層充填條帶開采

針對四采區(qū)水平或緩傾斜厚大礦體，采用分層充填條帶開采，即廂式充填采礦法，其采礦作業(yè)流程如圖2所示。

針對四采區(qū)厚大磷礦層，先在礦塊兩邊和中間分別施工上、下部通道，條帶礦房回采工藝采用分層開采，即先由上部通道進行切頂，再由下部通道進行降低完成全礦層回采。礦塊內膠結充填條帶和干式充填條帶間隔布置，分2步回采，先回采膠結充填條帶，待回采完所有膠結充填條帶，進行膠結充填，充填體達到一定強度后再回采干式充填條帶，待回采完干式充填條帶，進行干式充填。采用鑿巖臺車鑿巖，每次回采步距2.5～3 m，回采崩下礦石由鏟運機搬運到上、下部通道附近的集中裝載點裝入坑內卡車，經由中段運輸巷道運至采區(qū)溜井，由此完成厚大礦體的開采和采空區(qū)的充填作業(yè)。

2" 巖層采動損傷地質雷達監(jiān)測

2.1" 地質雷達監(jiān)測原理

隨著開采礦體的厚度增大，其開采對巖層的損傷范圍需要進一步監(jiān)測，尤其是厚大礦體開采后頂板的巖層損傷范圍。同時，由于采用充填體來置換條帶的礦石，充填體的支撐性能需要進行監(jiān)測，可對礦柱支撐幫部和充填體支撐幫部進行對比監(jiān)測，評估置換前后的性能。此處，采用基于高頻電磁波技術的地質雷達，包括括激發(fā)裝置100 MHz天線以及觸摸屏數字視頻記錄器（DVL）。

2.2" 頂板巖層采動損傷監(jiān)測

在厚大礦體開采區(qū)域進行測點的選擇，選取至少3處頂板相較平整的區(qū)域進行布置監(jiān)測。需保障測點范圍處于受礦房開采的擾動區(qū)域內，且盡量選擇采場的中部區(qū)域。綜合地質雷達頂板損傷區(qū)監(jiān)測結果，分析評估厚大礦體的開采擾動對于頂板的損傷范圍，監(jiān)測的現場圖與結果如圖3所示。

通過對頂板30 m深度范圍進行地質雷達探測，測線0～3 m部分由于頂板周圍有金屬，數據受干擾程度較大；通過觀察檢測結果發(fā)現巖層裂隙集中在4～8.5 m處；超過9 m的巖層基本完整性和致密性較好，未受到采動損傷。由此說明，厚大礦體開采產生的頂板損傷深度在8.5 m左右。

2.3" 巷幫巖層、充填體采動損傷監(jiān)測

條帶開采充填開采前期是需要礦柱支撐頂板，而后期會由充填體置換礦柱，由充填體來支撐頂板。因此，對比礦柱和充填體在采動影響下的損傷范圍將利于分析和評價充填體的性能。在現場由地質雷達探測30 m范圍的礦柱和充填體，如圖4所示。

礦柱受采動損傷的范圍明顯分布在10 m內，其淺部同樣受到支護體、金屬網等干擾，監(jiān)測到的裂隙分布不明顯，結果顯示5～10 m范圍內存在明顯的巖層裂隙，而超過10 m深度的巖層基本無明顯的裂隙帶，巖層的致密性未受到影響。充填體的整個監(jiān)測范圍的致密性相較原生礦柱明顯較差，且裂隙節(jié)理主要分布在17 m范圍內，越淺部的區(qū)域裂隙數目越多，而超過17 m深度的充填體裂隙數目明顯降低，表現出完整性的提升。通過兩者采動損傷范圍監(jiān)測結果的直觀對比，說明充填體相較原生礦柱受到厚大礦體開采損傷的程度高，且充填體邊界區(qū)域（17 m之內）的支撐性能不能完全比肩礦柱，深部區(qū)域的充填體性能顯著提升，可以實現較好的支撐效果。

3" 厚大礦體開采地表沉陷監(jiān)測

3.1" DS-InSAR地表沉陷監(jiān)測原理

由于時序InSAR技術在變形計算上應用穩(wěn)定相位的散射體，實現了高相干性，這可應對常規(guī)技術的時空相干性缺失及延遲的問題，但其在礦山采空區(qū)地表中植被較少的低相干地區(qū)監(jiān)測點密度低，在應用上遇到阻礙。DS-InSAR技術可對其缺陷進行彌補，它應用分布式散射體，并集成同質像元識別和相位優(yōu)化，可較好地應用于礦上開采后采空區(qū)地表沉陷量的監(jiān)測，其生成時間序列形變圖的步驟原理如圖5所示。

3.2" 開采沉陷監(jiān)測區(qū)域選擇

董家河河床兩岸下伏存在四采區(qū)401和402 兩個塊段，2019—2023年兩個塊段進行著厚層礦體高強度開采、充填作業(yè)。通過井下平面圖的位置信息，采用DS-InSAR調取董家河附近401和402 兩個塊段地表區(qū)域近5年的天通衛(wèi)星數據，即2019—2023年的地表位移數據。對董家河沿岸采區(qū)進行井下采掘工程平面圖、衛(wèi)星地表地勢圖和累計變形數據圖進行對照，如圖6所示。

將礦區(qū)四采區(qū)的401分段和402分段在衛(wèi)星云圖與地表沉陷監(jiān)測數據圖上進行標注，可以得到401段和402段區(qū)域的地表沉陷數據。在圖6的監(jiān)測區(qū)域累計變形量圖中，出現變形量的點均會被展示，包括抬升量和下沉量。監(jiān)測可得，2019—2023年，兩個區(qū)域地表的局部抬升與局部下沉并存，而重點關注的是發(fā)生下沉的區(qū)域。

3.3" 區(qū)域地表位移監(jiān)測分析

調取四采區(qū)401分段區(qū)域2019—2023年的累計變形量，其包含抬升和沉降量。通過結果對比分析出最大位移沉降數據點，并對數據進行按月份的統計，得到位移量時間變化過程，如圖7所示。

401分段的地表區(qū)域內，西側存在抬升區(qū)域和位移不變區(qū)域，而中部和東側均為發(fā)生沉陷區(qū)。根據數據的定位，得到最大沉降點的最大沉降量為47 mm，平均值為24 mm，總體上呈現緩慢波動下沉的情況，且趨勢逐漸變緩。最大沉降點的位置在401分段對應地表的東北區(qū)域，為河流沿岸公路邊坡側，而此處地下的礦體并未進行大規(guī)模充分的開采，其沉降的原因與降雨沖刷和滾石滑坡等情況相關。

同樣調取四采區(qū)402分段區(qū)域在2019—2023年的累計變形量，按月統計和分析出最大位移沉降數據點的變化過程，如圖8所示。

402分段的地表區(qū)域內，西側、北側和東南側存在明顯的地表抬升，而中部及南側存在沉陷區(qū)和位移不變區(qū)域。根據數據的定位，最大沉降點的變化波動較大，正位移與負位移交替，最大沉降量為32 mm，平均值為15 mm。由此說明，此處地表為山體，其表面的抬升與降低交替存在，說明其變化與地下采礦活動的相關性不充分。

4" 結論

1）地質雷達監(jiān)測得到厚大磷礦層分層條帶充填開采產生的頂板損傷深度在8.5 m左右，采動影響范圍較低，廂式充填采礦法在厚大礦體開采中應用效果較好。

2）厚大礦體的礦柱在5～10 m范圍內存在明顯的巖層裂隙，而充填體的裂隙節(jié)理主要分布在17 m范圍內，超過17 m深度的充填體裂隙數目明顯降低，表現出完整性的提升。

3）401分段和402分段的地表沉陷最大值為47 mm，且總體上變化不均勻而出現明顯波動性，表明厚大礦體開采并未對地表沉陷造成明顯影響。

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