梅金华

(湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007)



典型金属矿山地面塌陷监测技术研究：以冷水江锡矿山地区为例

梅金华

(湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007)

摘要：以冷水江锡矿山地区的地质环境条件为基础，结合采空塌陷区的分布特征，布置了地表形变、岩层内部、地表和建筑物裂缝的监测点与监测设施，通过各监测数据分析，对研究区内现有的监测设备的适用范围及优缺点进行了对比分析，对区内的监测网点与监测频率进行了有效优化，提出了同类矿山监测网点布设的总体思路，为同类矿山开展矿山地质环境监测提供了参考依据。

关键词：金属矿山；地面塌陷；监测技术；锡矿山地区；冷水江

美国等发达国家已经做了很多有关矿山地面塌陷监测工作，特别是单体矿山已经达到真正实时监测的阶段，监测内容包括地面位移、地裂缝、地下位移、地下水位等监测，监测技术采用常规监测、自动观测、GPS和卫星遥感等结合。我国目前矿区地面塌陷的监测主要以地面调查或常规的水准仪、全站仪等手段为主，受外界因素影响极大，精度不高，监测手段单一，缺乏统一标准，监测数据可比性和共享性受到限制。

锡矿山是世界著名的“锑都”，开采历史悠久，大面积采空导致地表出现大范围沉陷、塌陷等地质灾害，对人民群众生命财产安全构成严重威胁。主要采空区包括：宝大兴采空区，总面积1.6km2；南冶炼厂采空塌陷区，地表下沉面积已扩展到59.92万m2；株木山采空塌陷区，不均匀沉降区长约500m，宽约300m，面积1.21万m2，地表最大下沉值271mm。为总结典型金属矿山地面塌陷的监测技术方法，国土资源部于2009年在冷水江锡矿山锑矿区建立了全国第一个监测示范区，通过“产、学、研”相结合的方式，总结锡矿山锑矿区多年来开展地面塌陷监测取得的实践经验，开展理论研究和监测技术方法总结，提出一套成熟的金属矿山地面塌陷监测技术方法，为类似条件下矿山地形变监测提供示范或借鉴模式。

1研究区地质概况

监测示范区位于锡矿山锑矿北矿闭坑矿山的宝大兴塌陷区内，面积为0.53km2，地表范围北起锡矿山矿务局一中，南至建安公司、工人文化宫一带，东西宽150～400m，南北长1600m。

区内主要出露石炭系和泥盆系两套地层，各锑矿层主要赋存于泥盆系佘田桥组砂岩段、灰岩段及棋梓桥组上部灰岩中。其中佘田桥组灰岩段中之矿体分布最广，规模最大，矿体形态简单，受地层层位及构造破碎带控制，呈层状或似层状产出。研究区处于多种构造体系复合部位，褶皱、断裂发育，其中北东向断裂为主要控矿构造，并破坏了褶皱的完整性。矿区内未发现岩体，仅在矿区东部见有一煌斑岩脉，走向30°～35°，宽3～15m，脉中见捕虏体，沿走向、倾向均有分支现象。区内水文地质条件复杂，主要含水层为石炭系壶天群，岩溶发育，富水性强；其次为石炭系梓门桥组中上部，岩溶发育中等，富水性中等。主要隔水层为石炭系测水组上部至梓门桥组下部、测水组下部至石磴子组上部、刘家塘段、泥塘里段至兔子塘段、长龙界段至佘田桥组页岩段。

2研究区采空区分布及地面塌陷情况

采空区分布特征与矿体的分布特征具有一致性，采空矿场的大小与矿体大小基本一致，开采范围内千疮百孔，采空区上下重叠，纵横交错(图1)。地下老窿采空区星罗棋布，地表塌陷成片成带出现。在老窿测量中均可见到一些较大的采空矿场中顶部、腰部、底部有巷道相连。采空矿场的最大容积为15000m3，在采空矿场的左、右、上、下随时可见到同样的采空矿场，标高有相同的，有错开的。

3研究区地面塌陷监测及数据分析

3.1地表变形监测布置及数据分析

3.1.1地表监测网布置

监测采用GPS、全站仪和水准仪等仪器。2009～2010年，在0.53km2研究区内共布设监测桩123个，由基准点、工作基点、监测点组成。基准点采用已有的3个国家级基准点，其中矿区内1个，矿区外2个；在未受开采影响的区域布设全站仪工作基点10个；其余监测点110个。根据2009～2010年前几期监测数据分析结果，结合地面塌陷形成机制特点，将五窿道附近如红军旧址，陶塘街和矿山小学等建筑物密集区划分为重点监测地区，加密监测点，其他划为普通监测区。监测点沿矿体走向和倾向方向布置观测线，见图1。

图1　研究区地表变形和岩层内部移动监测点部署图

3.1.2地表变形监测数据分析

以2009年第一期监测数据作为基准，从横、纵坐标X、Y方向位移量来统计分析2010～2014年期间的地表水平位移和累计沉降量，显示研究区内大部分区域基本稳定，局部地区仍发生了较大沉降，但不同地段沉降量的大小有着较大的差别，区内监测点水平位移变形最大的为(GB04)4.2cm。沉降变形形成了以红军旧址、矿山小学为中心的两个明显的沉降区，矿山小学沉降量最大，累计沉降量为5.8cm，平均累计沉降量为1.5cm。其外围椭圆形地段的沉降量在20～30mm之间，主要分布在红军旧址和矿山小学周边，20～30mm的沉降区明显加大。小于20mm的沉降量主要分布在矿山乡政府、矿山中学等地。总体上监测区沉降量平稳，沉降速率呈降低趋势，年平均沉降量为1.2cm左右，沉降面积变化不大。地面沉降量平面等值线见图2。

图2　研究区监测点累计下沉量等值线图

3.2岩层内部位移监测布置及数据分析

3.2.1岩层内部位移监测点布置

监测设备采用钻孔测斜仪、TDR和多点位移计，观测深度以观测到矿体直接顶板为宜，观测层位分别为佘田桥组中段和上段，锡矿山组长龙界段，锡矿山组兔子塘段。在不稳定区域及相对稳定区域布置了7处岩层内部位移监测孔(图1)。6个监测孔安装了钻孔测斜仪，用于监测开采引起的岩层内部水平位移变形，采用人工测量，观测间距为0.5m；2个监测孔同时装了TDR，用来与钻孔倾斜仪对比监测；1个孔安装了多点位移计，自动监测岩层内部垂直位移，4个探头分别监测埋深8m、15m、31m和40m。

3.2.2岩层内部位移监测数据分析

1)红军驻地旧址孔(ZK2)。ZK2钻孔倾斜仪采集到的测斜数据中可以分析出在10～15m处，测斜管向南方向受很大的作用力，导致其偏移近10.5mm；东西向基本稳定。从同轴电缆TDR数据可以分析出钻孔变形不是由于剪切或拉伸力引起。

2)陶唐街1号孔(ZK5)。从测斜数据南北向曲线中可以看出，在10～12m处测斜管向南方向受很大的作用力，导致其偏移近10 mm。东西方向在中2012年数据有向东移动的趋势，主要发生在6～7m处和36～37m处，累计最大位移量为9mm，10～12m处也为数据不稳定区。测孔的6.7m处以上为填土，6.7m以下37m处以上为硅质灰岩，以下为矿洞顶板，矿洞已用不规则碎石填埋，地层变化与数据监测结果一致。同轴电缆TDR数据可以分析出，在12～13m处，同轴电缆有明显的变形，这与测斜数据南北向变化有很好的一致性，在14～15m处也有形变发生。

3)红军驻地旧址监测孔(ZK7)。对埋深8m岩体多点位移计监测的沉降数据采用时间序列法分析，反映出了时间的延长对于岩体沉降量有着显著的相关关联性，排除季节性波动后，随观测时间的延长，埋深8m的岩体沉降逐渐加重，沉降速率趋于平稳化。根据变量自相关和互相关分析(图3)，图中上下2条直线代表可信区间，当滞后数Lag值分别等于2，3，5，10，13时，沉降量的自相关关系系数超出可信区间，表现为高度的自相关；而当Lag值等于其它数值时，沉降量的自相关关系则很差。研究区的沉降量与时间的互相关CCF值平稳，分布于置信区间内，也反映出沉降量与时间是成很紧密的互关系，沉降量随监测时间持续平稳的变化，与时间成显著的相关关系。

图3　自相关(ACF)和互相关(CCF)图

3.3地表裂缝监测及数据分析

采用在研究区以南的肖家岭安装1套地裂缝拉杆位移监测仪，及传感器、接收发射系统，实现远距离传输、多点同测及实时传输。根据监测数据分析(图4)，肖家岭的4个监测点均未监测到较大的位移变化，监测到的最大位移变化为2号监测点压缩变形1.3mm，且是较突然的尖锋现象，其余时间段变形和缓。这与近年来肖家岭附近矿山相继闭坑停采对地面扰动减小有关。

图4　肖家岭岩体裂缝1、2、3、4号监测点拉杆位移监测曲线

根据以上监测数据分析，地表、岩层内部和地表裂缝位移监测结果一致性较好：监测区变形整体呈现出沉陷盆地一翼(研究区位于锡矿山老矿山背斜东翼)的特征，整体水平移动朝向呈SE30°方向移动。如红军驻地旧址监测孔(ZK2)深部测斜曲线2012年南偏10.5mm、东西向基本稳定，而ZK2附近地表位移监测点GB10、GB11、GB12相应的水平位移量X方向分别为7mm、3mm及6mm，Y方向分别为-15mm、-14mm及-17mm；陶唐街1号监测孔(ZK5)测斜曲线南偏10 mm、东移9mm，其附近陶唐街地表位移监测点J48、GB05相应的水平位移量X方向分别为10mm和14mm，Y方向分别为-9mm和-12mm，而陶唐街地表建筑物东西走向裂缝位移监测到的最大位移变化为3.65mm、呈拉张趋势。地表塌陷的直接原因来源于富矿岩层应力释放，监测变形明显的区域为顶板页岩段，走向和倾向上不同的水平位移变化特征，反映了岩层力学参数的不同。

4地面塌陷监测技术研究

4.1监测仪器的选取

监测仪器选取遵循原则：仪器灵敏度和长期稳定性，监测数据可靠性；传统仪器与遥感监测相结合，大范围监测与小范围监测相结合；多类型仪器，形成组合监测方法。

4.2监测仪器性能及适宜性对比分析

根据研究区监测仪器运行情况，对各种监测仪器的适用条件、优缺点、初期投入、运行费用及自动化程度进行了对比分析总结，供同类型矿山环境监测仪器的选用及优化组合。

表1　监测仪器对比分析表

4.3地表变形监测网的优化

通过多次的观测数据分析，结合研究区的工程地质条件、矿体顶板特征和采空区分布，将地表变形重点监测区和普通监测区，优化监测网点。把监测重点集中在矿体埋藏较浅，矿体顶板厚度较小，采深/采厚小于30m，岩性主要以破损程度较大的页岩的地区，对地面变形较明显的地段根据采空区资料加密监测桩密度，由原来的观测间距50～100m增加到30～50m。对变形不明显的地段观测间距调整为100～200m。共布设了7条观测线，其中重点监测区6条观测线，普通监测区1条观测线。

4.4监测频率优化和确定

观测频率取决于地面塌陷的变化特征：趋势特征、周期特征与平稳随机变量的特征。

以浅部地层(8m)变形监测频率优化为例进行监测频率优化研究，对浅部监测数据进行一次差分平稳化时间序列、监测数据谱周期、谱密度、平稳化残差频率、平稳化残差自相关频率等多种处理后，可以判别出来，周期和谱密度均分映出单一的时间序列周期，为塌陷不断加重的态势；数据方差验证了前期数据的波动性，后期当频数大于或等于2时，数据呈现稳定性，方差趋于0。

运用ARMA模型对地面塌陷数据进行建模，利用该模型模拟结果与实测结果对比分析，图5可看出模拟数据和实测数据非常吻合，且残差AFC和PAFC均很低，趋于0，说明模型模拟结果可靠。

将模型进行线性概化分析，根据图7和图8概

图5　模拟值与实测值对比关系

图6　模拟值残差相关性分布图

图7　模拟线性概化

图8　模拟残差相关性分布图

化结果可看出：每条直线的数据值接近于相同，反映各自的特征，可用单点值来代替，也就是说该曲线可用最少接近于4个点来反映变化趋势。故基于一年的监测数据的观测趋势可用4个值来演化，监测频率最少应为4次/a。同理，深部地层(40m)变形监测频率也可以优化为4次/a。

5结论

矿山地面塌陷监测技术方法研究是基于查明矿区水文地质、工程地质、矿体顶板特征及采空区分布特征而开展的一项地表、地下立体空间性的矿山地质环境监测工作，目的是及时掌握矿山地质环境在时间和空间上的变化。地表形变监测主要采用GPS、全站仪和水准仪，重点监测区的频率不低于4次/a，一般监测区的频率可以1a/次。岩体内部位移监测可以采用TDR、固式钻孔测斜仪与多点位移计相结合的方式共同开展，监测数据互相对比，可获得相对准确的位移变化值，且多点位移计能较好排除干扰，能累计位移变化量。监测频率为不低于4次/a。建议其他矿区根据地质环境条件适当调整监测仪器、监测线的密度及监测频率。

参考文献

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收稿日期：2016-02-10

基金项目：湖南省国土资源厅项目“典型金属矿山地面塌陷监测技术研究”资助(编号：2012-18)

作者简介：梅金华(1972-)，女，湖南常德人，本科学历，研究方向为矿山地质环境监测评价。

中图分类号：X141

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)07-0092-05

Research into monitoring technology of typical metal mine’s ground subsidence：take Lengshuijiang tin mining area as an example

MEI Jin-hua

(Hunan Province Geological Environmental Monitoring Station，Changsha 410007，China)

Abstract:Based on geological environmental conditions of Lengshuijiang tin mining area，combined with the distribution characteristics of mining subsidence area，the monitoring points and monitoring facilities for surface deformation，strata inside，surface and building cracks are arranged.Through the analysis of the monitoring data，the applicable scope，advantages and disadvantages of the existing monitoring equipment in the study area are compared and analyzed，and the monitoring network and monitoring frequency are optimized，then the general idea of the layout of the same kind of mine monitoring network is put forward，and the reference basis for the development of geological environmental monitoring in the same kind of mine is provided.

Key words：metal mine；ground subsidence；monitoring technology；tin mining area;Lengshuijiang