厚大礦體充填條帶開(kāi)采巖層損傷與地表沉降聯(lián)合監(jiān)測(cè)研究

摘" 要：厚大礦體資源的開(kāi)采面臨施工難、采動(dòng)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(kāi)采在杉樹(shù)埡磷礦實(shí)現(xiàn)順利應(yīng)用。為研究厚大礦體充填條帶開(kāi)采巖層損傷與地表沉降，采用地質(zhì)雷達(dá)的方法，監(jiān)測(cè)得到厚大磷礦層分層條帶充填開(kāi)采產(chǎn)生的頂板損傷深度在8.5 m左右，采動(dòng)影響范圍較低，廂式充填采礦法在厚大礦體開(kāi)采中應(yīng)用效果較好。厚大礦體的礦柱在5～10 m范圍內(nèi)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(nèi)，超過(guò)17 m深度的充填體裂隙數(shù)目明顯降低，表現(xiàn)出完整性的提升。通過(guò)DS-InSAR地表位移監(jiān)測(cè)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(xiàn)明顯波動(dòng)性，表明厚大礦體開(kāi)采并未對(duì)地表沉陷造成明顯影響。

關(guān)鍵詞：磷礦；地質(zhì)雷達(dá)；采動(dòng)應(yīng)力；DS-InSAR；地表位移

中圖分類號(hào)：TD326" " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：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(kāi)采技術(shù)，努力提高資源的回采率和開(kāi)發(fā)利用率，是當(dāng)前我國(guó)資源開(kāi)發(fā)利用的原則之一[2]。在目前磷礦開(kāi)采過(guò)程中，相較于其他礦體，受限于自身所固有的開(kāi)采技術(shù)條件及礦體的賦存條件和其產(chǎn)狀的特殊性，在開(kāi)采過(guò)程中往往會(huì)使巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞損傷從而引起覆巖破斷導(dǎo)致大量節(jié)理裂隙產(chǎn)生，延伸至地表后發(fā)生地表沉降，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境保護(hù)[3-6]。因此，在開(kāi)采過(guò)程中探索安全可靠、高效合理的監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于預(yù)防潛在的地質(zhì)災(zāi)害及生態(tài)環(huán)境修復(fù)具有重要意義。

隨著測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)采礦引起的巖層損傷及地表沉陷進(jìn)行了諸多深入的研究[7-9]。敖嫩等[10]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查與統(tǒng)計(jì)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(wèn)題的防治方法；朱鵬程[11]基于無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)提出了地表水平移動(dòng)變形的監(jiān)測(cè)方法，在南屯煤礦應(yīng)用效果良好；周安民[12]針對(duì)開(kāi)采沉陷數(shù)據(jù)采集時(shí)序問(wèn)題，提出了基于濾波算法+遙感測(cè)繪技術(shù)的新型監(jiān)測(cè)方法，準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上；張麗媛等[13]采用無(wú)人機(jī)和InSAR多源手段聯(lián)合應(yīng)用的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦區(qū)開(kāi)采沉陷的有效監(jiān)測(cè)；楊中輝等[14]運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)黃土溝壑區(qū)開(kāi)采沉陷進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，具有較高推廣價(jià)值；此外還有學(xué)者利用SBAS-InSAR技術(shù)對(duì)開(kāi)采沉陷進(jìn)行了分析研究[15-16]；李濤等[17]構(gòu)建了基于DBD-Net的InSAR開(kāi)采沉陷盆地監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；惠甜甜等[18]將SBAS-InSAR技術(shù)和LSTM-GS模型相結(jié)合獲取了時(shí)序累積沉降值。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)于開(kāi)采引起的覆巖損傷與地表沉陷監(jiān)測(cè)已取得了諸多成果，但對(duì)于不同礦區(qū)由于其地質(zhì)條件的特殊性、復(fù)雜性，在監(jiān)測(cè)方面缺乏聯(lián)合有效的手段對(duì)其進(jìn)行分析研究。本文以杉樹(shù)埡磷礦充填條帶開(kāi)采為工程背景，通過(guò)聯(lián)合地質(zhì)雷達(dá)井下監(jiān)測(cè)和DS-InSAR地表沉陷監(jiān)測(cè)，為礦區(qū)厚大磷礦體充填開(kāi)采產(chǎn)生的巖層損傷與地表沉降進(jìn)行透明化、精細(xì)化分析，并為相關(guān)厚大礦體開(kāi)采工程提供參考與指導(dǎo)。

1" 工程概況

1.1" 厚大礦體開(kāi)采概況

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

1.2" 分層充填條帶開(kāi)采

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

針對(duì)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(kāi)采，即先由上部通道進(jìn)行切頂，再由下部通道進(jìn)行降低完成全礦層回采。礦塊內(nèi)膠結(jié)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(jié)充填條帶，待回采完所有膠結(jié)充填條帶，進(jìn)行膠結(jié)充填，充填體達(dá)到一定強(qiáng)度后再回采干式充填條帶，待回采完干式充填條帶，進(jìn)行干式充填。采用鑿巖臺(tái)車鑿巖，每次回采步距2.5～3 m，回采崩下礦石由鏟運(yùn)機(jī)搬運(yùn)到上、下部通道附近的集中裝載點(diǎn)裝入坑內(nèi)卡車，經(jīng)由中段運(yùn)輸巷道運(yùn)至采區(qū)溜井，由此完成厚大礦體的開(kāi)采和采空區(qū)的充填作業(yè)。

2" 巖層采動(dòng)損傷地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)

2.1" 地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理

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

2.2" 頂板巖層采動(dòng)損傷監(jiān)測(cè)

在厚大礦體開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的選擇，選取至少3處頂板相較平整的區(qū)域進(jìn)行布置監(jiān)測(cè)。需保障測(cè)點(diǎn)范圍處于受礦房開(kāi)采的擾動(dòng)區(qū)域內(nèi)，且盡量選擇采場(chǎng)的中部區(qū)域。綜合地質(zhì)雷達(dá)頂板損傷區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析評(píng)估厚大礦體的開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)于頂板的損傷范圍，監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)圖與結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)對(duì)頂板30 m深度范圍進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，測(cè)線0～3 m部分由于頂板周圍有金屬，數(shù)據(jù)受干擾程度較大；通過(guò)觀察檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)巖層裂隙集中在4～8.5 m處；超過(guò)9 m的巖層基本完整性和致密性較好，未受到采動(dòng)損傷。由此說(shuō)明，厚大礦體開(kāi)采產(chǎn)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(dòng)損傷監(jiān)測(cè)

條帶開(kāi)采充填開(kāi)采前期是需要礦柱支撐頂板，而后期會(huì)由充填體置換礦柱，由充填體來(lái)支撐頂板。因此，對(duì)比礦柱和充填體在采動(dòng)影響下的損傷范圍將利于分析和評(píng)價(jià)充填體的性能。在現(xiàn)場(chǎng)由地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)30 m范圍的礦柱和充填體，如圖4所示。

礦柱受采動(dòng)損傷的范圍明顯分布在10 m內(nèi)，其淺部同樣受到支護(hù)體、金屬網(wǎng)等干擾，監(jiān)測(cè)到的裂隙分布不明顯，結(jié)果顯示5～10 m范圍內(nèi)存在明顯的巖層裂隙，而超過(guò)10 m深度的巖層基本無(wú)明顯的裂隙帶，巖層的致密性未受到影響。充填體的整個(gè)監(jiān)測(cè)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(nèi)，越淺部的區(qū)域裂隙數(shù)目越多，而超過(guò)17 m深度的充填體裂隙數(shù)目明顯降低，表現(xiàn)出完整性的提升。通過(guò)兩者采動(dòng)損傷范圍監(jiān)測(cè)結(jié)果的直觀對(duì)比，說(shuō)明充填體相較原生礦柱受到厚大礦體開(kāi)采損傷的程度高，且充填體邊界區(qū)域（17 m之內(nèi)）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(shí)現(xiàn)較好的支撐效果。

3" 厚大礦體開(kāi)采地表沉陷監(jiān)測(cè)

3.1" DS-InSAR地表沉陷監(jiān)測(cè)原理

由于時(shí)序InSAR技術(shù)在變形計(jì)算上應(yīng)用穩(wěn)定相位的散射體，實(shí)現(xiàn)了高相干性，這可應(yīng)對(duì)常規(guī)技術(shù)的時(shí)空相干性缺失及延遲的問(wèn)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(cè)點(diǎn)密度低，在應(yīng)用上遇到阻礙。DS-InSAR技術(shù)可對(duì)其缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，它應(yīng)用分布式散射體，并集成同質(zhì)像元識(shí)別和相位優(yōu)化，可較好地應(yīng)用于礦上開(kāi)采后采空區(qū)地表沉陷量的監(jiān)測(cè)，其生成時(shí)間序列形變圖的步驟原理如圖5所示。

3.2" 開(kāi)采沉陷監(jiān)測(cè)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(gè)塊段，2019—2023年兩個(gè)塊段進(jìn)行著厚層礦體高強(qiáng)度開(kāi)采、充填作業(yè)。通過(guò)井下平面圖的位置信息，采用DS-InSAR調(diào)取董家河附近401和402 兩個(gè)塊段地表區(qū)域近5年的天通衛(wèi)星數(shù)據(jù)，即2019—2023年的地表位移數(shù)據(jù)。對(duì)董家河沿岸采區(qū)進(jìn)行井下采掘工程平面圖、衛(wèi)星地表地勢(shì)圖和累計(jì)變形數(shù)據(jù)圖進(jìn)行對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)圖上進(jìn)行標(biāo)注，可以得到401段和402段區(qū)域的地表沉陷數(shù)據(jù)。在圖6的監(jiān)測(cè)區(qū)域累計(jì)變形量圖中，出現(xiàn)變形量的點(diǎn)均會(huì)被展示，包括抬升量和下沉量。監(jiān)測(cè)可得，2019—2023年，兩個(gè)區(qū)域地表的局部抬升與局部下沉并存，而重點(diǎn)關(guān)注的是發(fā)生下沉的區(qū)域。

3.3" 區(qū)域地表位移監(jiān)測(cè)分析

調(diào)取四采區(qū)401分段區(qū)域2019—2023年的累計(jì)變形量，其包含抬升和沉降量。通過(guò)結(jié)果對(duì)比分析出最大位移沉降數(shù)據(jù)點(diǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行按月份的統(tǒng)計(jì)，得到位移量時(shí)間變化過(guò)程，如圖7所示。

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

同樣調(diào)取四采區(qū)402分段區(qū)域在2019—2023年的累計(jì)變形量，按月統(tǒng)計(jì)和分析出最大位移沉降數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化過(guò)程，如圖8所示。

402分段的地表區(qū)域內(nèi)，西側(cè)、北側(cè)和東南側(cè)存在明顯的地表抬升，而中部及南側(cè)存在沉陷區(qū)和位移不變區(qū)域。根據(jù)數(shù)據(jù)的定位，最大沉降點(diǎn)的變化波動(dòng)較大，正位移與負(fù)位移交替，最大沉降量為32 mm，平均值為15 mm。由此說(shuō)明，此處地表為山體，其表面的抬升與降低交替存在，說(shuō)明其變化與地下采礦活動(dòng)的相關(guān)性不充分。

4" 結(jié)論

1）地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)得到厚大磷礦層分層條帶充填開(kāi)采產(chǎn)生的頂板損傷深度在8.5 m左右，采動(dòng)影響范圍較低，廂式充填采礦法在厚大礦體開(kāi)采中應(yīng)用效果較好。

2）厚大礦體的礦柱在5～10 m范圍內(nèi)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(nèi)，超過(guò)17 m深度的充填體裂隙數(shù)目明顯降低，表現(xiàn)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(xiàn)明顯波動(dòng)性，表明厚大礦體開(kāi)采并未對(duì)地表沉陷造成明顯影響。

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