冬瓜山铜矿老鸦岭矿段地表沉降监测

方德求

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设有限公司)

冬瓜山铜矿老鸦岭矿段地表沉降监测

方德求

(铜陵有色金属集团铜冠矿山建设有限公司)

冬瓜山铜矿老鸦岭矿段经过多年开采已经进入到残矿回收阶段，遗留了大量采空区，存在地表塌陷的风险。为此，采用GPS监测系统观测地表沉降变形，通过分析各个监测站的实时监测数据评价采空区的稳定性并进行现场调查，结果表明，地表沉降GPS监测系统能够有效监测采空区的稳定性。

采空区稳定性 沉降监测 GPS监测系统

经过多年开采，冬瓜山铜矿老鸦岭矿段已经进入残矿回收阶段，为了安全开采余下的矿体，有必要建设一套地压监测系统。为此，分别从老鸦岭矿段地质条件、现场开采状况、空区分布状况以及地表形态等方面设计地表沉降监测方案，并进行布点优化[1-2]。

1 地质条件及生产概况

1.1 地质条件

老鸦岭矿段共有大小矿体144个，其中主要矿体3个，次要矿体4个，其余均为小矿体和零星矿体，主要矿体形状为似层状和透镜状。矿体呈NNE—NE走向，矿体倾向在轴部受青山背斜双峰影响，变化很大，翼部矿体北西翼倾角较陡，为50°～80°，南东翼较缓，为10°～30°。老鸦岭矿段结构面呈多枝发展态势，各种岩石均出现2组以上的优势结构面，节理频数较大，平均节理间距多在0.4 m以下。上述地质条件导致了老鸦岭矿段岩体较破碎。

1.2 生产概况

老鸦岭矿段-280 m中段以上矿体已于2005年底全部回采结束，-310 m中段也将回采完毕，正处于回采扫尾阶段，生产能力为100 t/d。目前，该矿段已进入深部开采，生产主要集中在-390 m中段，开采主矿体D-1及次矿体G-1等矿体，规划生产能力250 t/d。-430，-460，-490，-520 m等中段正在施工生产开拓工程。采用分段空场法开采，中段高度30 m或40 m，凿岩高度8～10 m，采场一般垂直于矿体走向布置，长为矿体厚，一般宽12.5 m，采用漏斗电耙出矿，在矿体较薄处采用浅孔采矿。在回采不同中段同一矿体时一般留有3～6 m的水平隔离矿柱分隔上下采空区。该矿段单个采空区的规模相对较小，空区也较分散。由于矿体呈多层楼式分布，采空区相应亦呈多层楼形式分布，位于地表浅部-40 m以上的部分采空区已塌落至地表，在地表形成塌陷坑。老鸦岭矿段开采后形成的采空区主要分布于-40～-390 m中段7#～14#勘探线，除了-190～-220 m标高的部分采空区进行了胶结或尾砂充填外，其余的采空区都未处理。各中段的采空区体积分布情况见表1。

表1 老鸦岭矿段采空区体积分布

2 方案设计

2.1 地表沉降GPS监测系统

老鸦岭矿段的地表沉降GPS监测系统由GPS监测单元(传感器系统)、数据通讯单元、数据处理与控制单元(GPSensor软件部分)等3部分组成。监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，数据通过GPRS无线通讯传输至控制中心，控制中心相关的GPSensor软件对数据进行处理分析，实时监测矿区的地表变形。系统各部分功能：①传感器系统，传感器系统即GPS监测单元，通过GPS来反应结构响应，以数字信号反馈给数据采集系统；②数据通讯，通过无线方式传输GPS采集的数据至控制中心；③数据处理和控制系统，实时接收并处理工作站系统采集的数据，并对原始数据和处理后的数据进行显示、在线评估及预警。

变形监测网络中的每台GPS接收机都同时输出GPS的原始数据格式，通过GPRS无线通讯传至控制中心。控制中心根据每台GPS接收机对应的S/N号，将获得的每个监测点的原始实时数据存储至服务器上，供软件处理，实时显示出采空区的地表沉降值。

2.2 布点设计

根据老鸦岭矿段采空区形状、采空区上部地表地形状况以及GPS监测系统的特性，监测单元由1个参考站和10个监测站组成。冬瓜山铜矿老鸦山地表沉降共布置10个GPS自动化监测点，每个断面分布3～4个监测点。监测区共包括4个滑坡断面，分别为DM-1、DM-2、DM-3、DM-4，整个选点过程兼顾了GPS卫星状况与地质滑坡带的分布。参考站布置于稳定区域内，监测站布设于老鸦岭矿段地表。

3 地表沉降监测数据分析

根据历次GPS监测数据成果，分别绘制了各个测点的水平位移值、垂直位移值与时间的关系曲线图、三维变形值与时间的关系曲线图以及三维变形矢量趋势图，其中，CQ-8点全年位移量与时间的关系曲线见图1。各测点累积最大变形值(相对于基准点)见表2，各测点数据前后变化最大值见表3。

图1 CQ-8点全年位移量与时间的关系曲线

表2 各测点累积最大变形值 m

由表2可知，X(北)方向最大累计位移发生在CQ-8点与CQ-10点处，达3 mm，而Y(东)方向累计位移量普遍达到了2 mm，H(垂直)方向最大累计位移发生在CQ-8点处，达到3mm。由表3可知，各个观测点前后位移变化值均未超过4mm，且大多数位移突变方向与原方向相反。塌陷坑近点(如CQ-3)、较远点(如CQ-1)数据偏大，且地压监测区域的西侧与南侧部分位移增量较其他区域稍偏大，即地表总体变形情况是由西到东，由南到北逐步趋于平缓。

表3 各测点数据前后变化最大值 m

综合上述分析可知，老鸦岭矿段的各个监测点的水平位移不超过3mm，垂直位移不超过2mm，表明地表既无明显裂隙产生(水平)也无明显沉降发生(垂直)，且位移量变化率也较小，较为平缓稳定，无突变现象，表明岩体层中受力状况良好，未产生应力集中，可以认为岩土层并未进入大规模塑性变形阶段，岩体并未发生破坏。

4 结 论

(1)地表位移增量最大值产生于CQ-8点处，大致是越靠近塌陷区中心，位移量越大，随着测点与塌陷区距离的增加，位移变化逐渐变小，整个地压监测区域内，西向和南向的位移变化情况较东向和北向明显。

(2)各个观测区域位移量均偏小，无突变情况发生，且无持续的单向位移产生，总体发展趋势较平缓，未出现明显的应力加速集中破坏特征。结合现场观察情况来看，该区域内地压活动基本处于平缓期，地表基本处于无沉降变形的状态。

(3)建议继续加强相关区域地压活动的监测，并建立精度较高的地压监测数据库。

[1] 魏晓明，李长洪，张 栋.GPS技术在富全铁矿地表沉降中的应用[J].现代矿业，2014(3)：42-43.

[2] 刘培正，胡永泉，张传信，等.残留矿柱回采及监测点布置的研究[J].金属矿山，2009(12)：56-60.

2015-03-14)

方德求(1962—)，男，工程师，244000 安徽省铜陵市北京路29号。