曹佳興

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引 言

地下開采活動引起的地表沉降和變形一直以來都是礦山工程和巖石力學(xué)研究的重要內(nèi)容，也是眾多學(xué)者關(guān)注的礦山開采難題[1]。針對礦區(qū)地表巖移與地裂縫分布，多種研究理論逐漸呈現(xiàn)[2-6]。SBAS-InSAR技術(shù)[7]、三維激光掃描與DInSAR聯(lián)合監(jiān)測[8]、時(shí)序雷達(dá)干涉[9]、GPS[10]等多種監(jiān)測手段也逐漸應(yīng)用于現(xiàn)場工程中。

礦山環(huán)境地質(zhì)問題復(fù)雜多變，因地而異。對甘肅某礦礦區(qū)來講，開采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題主要有以下特點(diǎn)：隨著地下開采進(jìn)度的加大，以地裂縫為顯著宏觀特征的地表破壞問題日益突出。隨著開采深度的不斷加深，采空區(qū)的不斷增加，破壞了巖體的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，出現(xiàn)巷道底板開裂，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等，進(jìn)而引起地表下沉、地面塌陷等。隨著生產(chǎn)的不斷擴(kuò)大，礦區(qū)內(nèi)修建基礎(chǔ)設(shè)施，對山體開挖形成的邊坡，受爆破擾動，出現(xiàn)崩塌、滑坡等危害。存在的這些環(huán)境問題直接影響著甘肅某礦礦區(qū)的綠色發(fā)展，同時(shí)解決礦產(chǎn)開采活動與綠色健康的自然環(huán)境之間的矛盾也是我國礦業(yè)開發(fā)急需解決的重要問題之一。眾多學(xué)者針對該礦區(qū)地表巖移特征進(jìn)行了多方面研究[11-14]。因此，對礦區(qū)地表環(huán)境進(jìn)行長周期、高密度的動態(tài)監(jiān)測、分析研究，客觀的地質(zhì)環(huán)境評價(jià)，不僅可為礦區(qū)資源的合理開采、地質(zhì)環(huán)境整治提供指導(dǎo)，對礦區(qū)內(nèi)生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)的綠色發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。

1 工程背景

1.1 礦區(qū)地質(zhì)特征

甘肅某礦二礦區(qū)礦石超基性巖長3000余米，除東端第四系下埋藏300余塊外，其余均出露于表面。含礦巖體兩端窄中間寬，受F17斷層(圖中未標(biāo)出,也未說明)的影響最寬處達(dá)527 m以下。總體走向北西50°左右，向西南傾斜，傾角50°～80°[15]。巖體有分支，大型海綿狀隕石狀富礦體主要分布在下部。富礦體位于中心，貧礦體位于富礦體的周圍、頂部或一側(cè)，如圖1所示，礦體圍巖及頂板主要為二輝橄欖巖，其次為大理巖。

圖1 二礦區(qū)1#礦體1150平面示意圖

礦體在40排附近被F17斷層錯(cuò)動，水平斷層間距130～260 m，垂直斷層間距90～150 m，2號礦體以貧礦為主，富礦僅占儲量的41.29%。貧礦體中下部以透鏡體形式富集，分布在34～52之間行。行礦體頂板以二輝橄欖巖為主，斜長巖次之。底板巖石以大理巖為主，其次為橄欖巖、輝石等，圍巖相對穩(wěn)定，底板不穩(wěn)定。

1.2 二礦區(qū)充填條件

二采(應(yīng)該是)區(qū)在下分層機(jī)械化板區(qū)采用水平進(jìn)路膠結(jié)充填采礦法，二采區(qū)工程采用無軌機(jī)械化掘進(jìn)，是近年來機(jī)械化程度最高的現(xiàn)代有色金屬地下礦山。中國項(xiàng)目的第二階段，回采順序?yàn)橄壬媳P后下盤，先兩翼后中間，回采方法是隔一采一的，如圖2所示，正常情況下，盤區(qū)只有2、3條進(jìn)路同時(shí)回采。接近結(jié)束后，應(yīng)準(zhǔn)備填料，充填骨料為-3 mm棒磨砂和選礦尾砂。膠凝材料為425#散裝普通硅酸鹽水泥。輔助材料為干粉煤灰[16]。

圖2 二礦區(qū)下向分層機(jī)械化水平進(jìn)路膠結(jié)充填采法示意圖

2 二礦區(qū)地表巖移特征

2.1 二礦區(qū)地表巖移監(jiān)測

2.1.1 水平位移

在二礦區(qū)建立三個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)(14-4、14-5、14-6)，用于監(jiān)測礦區(qū)水平位移量，測點(diǎn)布置如圖3所示，監(jiān)測期從2001年到2017年，以每半年作為監(jiān)測時(shí)段匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

圖3 GPS監(jiān)測點(diǎn)位置示意圖

水平位移量如圖4所示，圖中顯示了隨時(shí)間的變化，最大位移量累計(jì)變化趨勢圖，由圖可以看出在有效監(jiān)測期間，三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)去顯現(xiàn)變化趨勢基本保持一致，由此反映最大累計(jì)水平位移量隨著時(shí)間的推移呈近線性變化。累計(jì)水平位移量分別2183 mm、2295 mm、2307 mm。對比三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移量大小可以看出，位移變形嚴(yán)重區(qū)域的測點(diǎn)，水平位移量變化速率表現(xiàn)為逐年遞增的特征。

圖4 累計(jì)水平位移量變化圖

2.1.2 垂直位移

與水平位移監(jiān)測方法類似，在二礦區(qū)建立三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(14-1、14-2、14-3)，測點(diǎn)布置如圖3所示，用于監(jiān)測二礦區(qū)巖體垂直位移量，從2001年到2017年，以每半年為監(jiān)測時(shí)段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，如圖5所示。圖中顯示了各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)垂直位移變化特征。從圖4可以看出，在2001年到2017年監(jiān)測時(shí)期內(nèi)，各監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)垂直位移變化呈近線性變化。沉降量分別3457 mm、3469 mm、3478 mm，對比三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移量大小可以看出，位移變形嚴(yán)重區(qū)域的測點(diǎn)，水平位移量變化速率表現(xiàn)為逐年遞增的特征，分析結(jié)果與圖4一致。

圖5 累計(jì)沉降量變化圖

2.1.3 位移矢量

根據(jù)水平和垂直位移監(jiān)測原理，建立三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)(14-7、14-8、14-9)，對二礦區(qū)三維位移變化進(jìn)行監(jiān)測，測點(diǎn)布置如圖3所示，以每半年為一個(gè)監(jiān)測時(shí)段匯總數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析展示，如圖6所示。圖中顯示了三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)三維位移變化量和變化趨勢。有圖可以看出，從2001年到2017年，中心點(diǎn)最大累計(jì)三維位移的變化趨勢呈近線性變化，隨著時(shí)間的推移，巖體移動量逐年增大，三維位移量分別3848 mm、3845 mm、3850 mm。變化趨勢及變化特征與水平位移和垂直位移變化特征基本相同，由此反映礦區(qū)巖體移動變化時(shí)，各方位巖移變化特征和趨勢基本一致。

圖6 三維位移量累計(jì)變化曲線

2.2 二礦區(qū)地表巖移特征

通過匯總各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制水平位移、垂直位移和三維位移累計(jì)變化速率曲線，如圖7所示。圖中顯示了從2001年到2017年，以每半年為一個(gè)監(jiān)測時(shí)段，共33個(gè)監(jiān)測時(shí)段的監(jiān)測結(jié)果。由圖看出，三維位移變化速率大于垂直位移變化速率，垂直位移變化速率大于水平位移變化速率，三者變化趨勢和變化特征基本一致，由此反映礦區(qū)巖體移動對各方位位移變化的影響程度和特征基本相同。對比分析水平位移、垂直位移和三維位移累計(jì)變化速率曲線，可以看出水平位移和垂直位移三維位移的最大位移速率測點(diǎn)位移的變化趨勢是逐漸增大的，是遠(yuǎn)離中心地帶的近點(diǎn)位移，位移速率大，位于遠(yuǎn)離中心區(qū)域的測點(diǎn)，位移速率小。

圖7 累計(jì)位移量變化速率曲線圖

在14行線建立6個(gè)GPS監(jiān)測點(diǎn)(14-1、14-4、14-7、14-10、14-12、14-17)，測點(diǎn)布置如圖3所示，用于監(jiān)測垂直礦體走向最大厚度主斷面的地表巖體沉降量，在2001年到2017年的監(jiān)測期內(nèi)，以每年末為監(jiān)測時(shí)段對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和展示，如圖8所示。圖中顯示了自2001年到2017年，每年的地表巖體沉降量變化曲線。由圖可以看出，隨著時(shí)間的推移，地表巖體沉降量逐年增加，礦體中心沉降量和沉降速率遠(yuǎn)大于礦體周圍，每年的沉降趨勢和特征基本保持相同。

圖8 二礦區(qū)14行線主斷面地表巖體移動

3 二礦區(qū)地裂縫分布特征與現(xiàn)場監(jiān)測分析

3.1 地裂縫分布特征

根據(jù)地質(zhì)資料和相關(guān)地測報(bào)告將二礦區(qū)劃分為2個(gè)裂縫區(qū)，如圖3所示，共計(jì)約50條地裂縫，主要分布于2～30行勘探線之間，大部分裂縫較沿不同方向均有不同程度的擴(kuò)展和延伸。裂縫最大長度達(dá)1100 m，最大寬度達(dá)70 m，各裂縫水平、垂直交叉貫通[16]。

3.2 裂縫現(xiàn)場監(jiān)測

在第一裂縫區(qū)帶和第二裂縫區(qū)帶各選擇12條(F0～F11)比較有代表性的裂縫，在每處裂縫的兩邊埋置一對GPS監(jiān)測點(diǎn)，埋設(shè)12組共計(jì)24個(gè)GPS裂縫監(jiān)測點(diǎn)，GPS裂縫監(jiān)測點(diǎn)的位置見測點(diǎn)布置如圖3所示。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

所有監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行每半年一次的定期監(jiān)測，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行計(jì)算得到每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際絕對變形量。將每組裂縫監(jiān)測點(diǎn)的水平位移矢量投影到與被測裂縫垂直和平行的兩個(gè)方向上，然后改變兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)同一方向的變形值，得到兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的相對位移，即此處裂紋的拉伸位錯(cuò)和水平位錯(cuò)位移；再對兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的高程絕對位移矢量作差，所得值為裂縫兩邊的沉降位移。分別對每組裂縫監(jiān)測點(diǎn)做以監(jiān)測時(shí)間為主線的對比分析，由分析結(jié)果可以看出各組裂縫監(jiān)測點(diǎn)在三個(gè)相對位移方向的相對位移速率基本穩(wěn)定。通過對地裂縫發(fā)展變化的監(jiān)測，從每組監(jiān)測點(diǎn)的變形特點(diǎn)以及所監(jiān)測裂縫的分布形態(tài)綜合分析，可以總結(jié)得出裂縫變化的幾個(gè)特點(diǎn)。

基于GPS監(jiān)測設(shè)備，對二礦區(qū)典型的12條地裂縫變形特征進(jìn)行為期九年的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以每年11月份為截點(diǎn)對本年數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，最后對九年的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析展示，繪制相對變形量變化曲線，如圖9所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測期內(nèi)的相對位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿張開的方向擴(kuò)展，負(fù)值代表地裂縫沿閉合方向發(fā)展。由圖可知，地裂縫F1、F2、F5、F7、F8、F9、F11沿張開方向擴(kuò)展，可歸納為張裂縫。隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對位移量均呈近線性增加，裂縫F9相對位移量最大，為159 mm，裂縫F5相對位移量最小，為32 mm，其他裂縫相對位移量介于二者之間。地裂縫F0、F3、F4、F6、F10沿閉合方向擴(kuò)展，可歸納為閉裂縫。隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對位移量同樣均呈近線性增加，裂縫F4相對位移量最大，為349 mm，裂縫F6相對位移量最小，為18 mm，其他裂縫相對位移量介于二者之間。

圖9 裂縫拉張方向變形

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對二礦區(qū)典型的12條地裂縫水平方向錯(cuò)動變形特征分析展示，繪制相對變形量變化曲線，如圖10所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測期內(nèi)的相對位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿規(guī)定的正方向擴(kuò)展變形，負(fù)值代表地裂縫沿相反方向擴(kuò)展。由圖可知，地裂縫F4、F6沿規(guī)定的正方向擴(kuò)展，裂縫F6水平方向相對變形量和變形速率大于裂縫F4，裂縫F6水平方向相對位移量為382 mm，裂縫F4相對位移量最164 mm。地裂縫F0、F1、F2、F3、F5、F7、F8、F9、F10、F11沿相反方向擴(kuò)展，地裂縫F9水平相對變形量和變形速率最大，相對變形量達(dá)418 mm，裂縫F5水平相對量最小，為8 mm，其他裂縫水平相對位移量介于二者之間。對比分析12條地裂縫的水平方向相對變形量可知，隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對位移量均呈近線性增加，不同區(qū)域的相對變形量和變形速率有所不同。

圖10 裂縫水平錯(cuò)動方向變形

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對二礦區(qū)典型的12條地裂縫垂直方向錯(cuò)動變形特征分析展示，繪制相對變形量變化曲線，如圖11所示。圖中顯示了12條地裂縫在九年監(jiān)測期內(nèi)的相對位移變化特征，其中正值代表地裂縫沿垂直向下的方向擴(kuò)展變形，負(fù)值代表地裂縫沿垂直向上的方向擴(kuò)展。由圖可知，地裂縫F1、F3、F7、F10、F11沿垂直向下的方向擴(kuò)展，裂縫F11垂直方向相對變形量和變形速率最大，相對變形量為204 mm，裂縫F10垂直方向相對位移量最小，為19 mm，其他裂縫水平相對位移量介于二者之間。地裂縫F0、F2、F4、F5、F6、F7、F8、F9沿垂直向上的方向擴(kuò)展，地裂縫F4垂直相對變形量和變形速率最大，相對變形量達(dá)410 mm，裂縫F5水平相對量最小，為5 mm，其他裂縫水平相對位移量介于二者之間。對比分析12條地裂縫的水平方向相對變形量可知，隨著時(shí)間的推移，每條裂縫相對位移量均呈近線性增加，不同區(qū)域的相對變形量和變形速率有所不同。分析結(jié)果與上文基本一致。

圖11 裂縫沉降錯(cuò)動方向變形

4 結(jié)論

(1) 二礦區(qū)1#礦體伴隨1150中段水平礦層的逐步采盡，致使地表變形明顯增大。在礦區(qū)逐步形成近似圓形的沉降盆地，其沉降中心在14～18行線之間。二礦沉降區(qū)2001年4-5月至2017年10-11月內(nèi)累積三維位移量最大為3850 mm，水平位移量最大為2307 mm，沉降量最大為3478 mm。

(2) 大面積的地表巖移已對甘肅某礦礦區(qū)地下采掘作業(yè)和地表主要設(shè)施構(gòu)成威脅。由GPS監(jiān)測結(jié)果來看，隨著開采深度的增加，地表和井下均受采動的影響，地表及礦體發(fā)生變形和沉降。井下最大沉降量在20～40 mm，水平位移量為10～30 mm。自2001年開始監(jiān)測以來每半年為一個(gè)監(jiān)測時(shí)段累計(jì)沉降量達(dá)1198 mm，水平位移量達(dá)519 mm，三維位移量達(dá)1402 mm。

(3) 二礦區(qū)典型的12條地裂縫拉張方向相對位移量最大值為349 mm(F4)，最小值為18 mm(F6)；水平方向相對位移量最大值為418 mm(F9)，最小值為8 mm(F5)；沉降方向相對位移量最大值為410 mm(F4)，最小值為5 mm(F5)。