矿区地表岩移与地裂缝分布动态监测分析

曹佳兴

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引 言

地下开采活动引起的地表沉降和变形一直以来都是矿山工程和岩石力学研究的重要内容，也是众多学者关注的矿山开采难题[1]。针对矿区地表岩移与地裂缝分布，多种研究理论逐渐呈现[2-6]。SBAS-InSAR技术[7]、三维激光扫描与DInSAR联合监测[8]、时序雷达干涉[9]、GPS[10]等多种监测手段也逐渐应用于现场工程中。

矿山环境地质问题复杂多变，因地而异。对甘肃某矿矿区来讲，开采引发的地质环境问题主要有以下特点：随着地下开采进度的加大，以地裂缝为显著宏观特征的地表破坏问题日益突出。随着开采深度的不断加深，采空区的不断增加，破坏了岩体的原有应力平衡状态，出现巷道底板开裂，支护结构变形等，进而引起地表下沉、地面塌陷等。随着生产的不断扩大，矿区内修建基础设施，对山体开挖形成的边坡，受爆破扰动，出现崩塌、滑坡等危害。存在的这些环境问题直接影响着甘肃某矿矿区的绿色发展，同时解决矿产开采活动与绿色健康的自然环境之间的矛盾也是我国矿业开发急需解决的重要问题之一。众多学者针对该矿区地表岩移特征进行了多方面研究[11-14]。因此，对矿区地表环境进行长周期、高密度的动态监测、分析研究，客观的地质环境评价，不仅可为矿区资源的合理开采、地质环境整治提供指导，对矿区内生态文明建设与经济的绿色发展具有重要促进作用。

1 工程背景

1.1 矿区地质特征

甘肃某矿二矿区矿石超基性岩长3000余米，除东端第四系下埋藏300余块外，其余均出露于表面。含矿岩体两端窄中间宽，受F17断层(图中未标出,也未说明)的影响最宽处达527 m以下。总体走向北西50°左右，向西南倾斜，倾角50°～80°[15]。岩体有分支，大型海绵状陨石状富矿体主要分布在下部。富矿体位于中心，贫矿体位于富矿体的周围、顶部或一侧，如图1所示，矿体围岩及顶板主要为二辉橄榄岩，其次为大理岩。

图1 二矿区1#矿体1150平面示意图

矿体在40排附近被F17断层错动，水平断层间距130～260 m，垂直断层间距90～150 m，2号矿体以贫矿为主，富矿仅占储量的41.29%。贫矿体中下部以透镜体形式富集，分布在34～52之间行。行矿体顶板以二辉橄榄岩为主，斜长岩次之。底板岩石以大理岩为主，其次为橄榄岩、辉石等，围岩相对稳定，底板不稳定。

1.2 二矿区充填条件

二采(应该是)区在下分层机械化板区采用水平进路胶结充填采矿法，二采区工程采用无轨机械化掘进，是近年来机械化程度最高的现代有色金属地下矿山。中国项目的第二阶段，回采顺序为先上盘后下盘，先两翼后中间，回采方法是隔一采一的，如图2所示，正常情况下，盘区只有2、3条进路同时回采。接近结束后，应准备填料，充填骨料为-3 mm棒磨砂和选矿尾砂。胶凝材料为425#散装普通硅酸盐水泥。辅助材料为干粉煤灰[16]。

图2 二矿区下向分层机械化水平进路胶结充填采法示意图

2 二矿区地表岩移特征

2.1 二矿区地表岩移监测

2.1.1 水平位移

在二矿区建立三个GPS监测点(14-4、14-5、14-6)，用于监测矿区水平位移量，测点布置如图3所示，监测期从2001年到2017年，以每半年作为监测时段汇总数据并进行分析。

图3 GPS监测点位置示意图

水平位移量如图4所示，图中显示了随时间的变化，最大位移量累计变化趋势图，由图可以看出在有效监测期间，三个监测点去显现变化趋势基本保持一致，由此反映最大累计水平位移量随着时间的推移呈近线性变化。累计水平位移量分别2183 mm、2295 mm、2307 mm。对比三个监测点的水平位移量大小可以看出，位移变形严重区域的测点，水平位移量变化速率表现为逐年递增的特征。

图4 累计水平位移量变化图

2.1.2 垂直位移

与水平位移监测方法类似，在二矿区建立三个监测点(14-1、14-2、14-3)，测点布置如图3所示，用于监测二矿区岩体垂直位移量，从2001年到2017年，以每半年为监测时段对监测数据进行汇总分析，如图5所示。图中显示了各监测点累计垂直位移变化特征。从图4可以看出，在2001年到2017年监测时期内，各监测点累计垂直位移变化呈近线性变化。沉降量分别3457 mm、3469 mm、3478 mm，对比三个监测点的水平位移量大小可以看出，位移变形严重区域的测点，水平位移量变化速率表现为逐年递增的特征，分析结果与图4一致。

图5 累计沉降量变化图

2.1.3 位移矢量

根据水平和垂直位移监测原理，建立三个监测点(14-7、14-8、14-9)，对二矿区三维位移变化进行监测，测点布置如图3所示，以每半年为一个监测时段汇总数据并进行分析展示，如图6所示。图中显示了三个监测点的累计三维位移变化量和变化趋势。有图可以看出，从2001年到2017年，中心点最大累计三维位移的变化趋势呈近线性变化，随着时间的推移，岩体移动量逐年增大，三维位移量分别3848 mm、3845 mm、3850 mm。变化趋势及变化特征与水平位移和垂直位移变化特征基本相同，由此反映矿区岩体移动变化时，各方位岩移变化特征和趋势基本一致。

图6 三维位移量累计变化曲线

2.2 二矿区地表岩移特征

通过汇总各监测点的监测数据，绘制水平位移、垂直位移和三维位移累计变化速率曲线，如图7所示。图中显示了从2001年到2017年，以每半年为一个监测时段，共33个监测时段的监测结果。由图看出，三维位移变化速率大于垂直位移变化速率，垂直位移变化速率大于水平位移变化速率，三者变化趋势和变化特征基本一致，由此反映矿区岩体移动对各方位位移变化的影响程度和特征基本相同。对比分析水平位移、垂直位移和三维位移累计变化速率曲线，可以看出水平位移和垂直位移三维位移的最大位移速率测点位移的变化趋势是逐渐增大的，是远离中心地带的近点位移，位移速率大，位于远离中心区域的测点，位移速率小。

图7 累计位移量变化速率曲线图

在14行线建立6个GPS监测点(14-1、14-4、14-7、14-10、14-12、14-17)，测点布置如图3所示，用于监测垂直矿体走向最大厚度主断面的地表岩体沉降量，在2001年到2017年的监测期内，以每年末为监测时段对监测数据进行汇总和展示，如图8所示。图中显示了自2001年到2017年，每年的地表岩体沉降量变化曲线。由图可以看出，随着时间的推移，地表岩体沉降量逐年增加，矿体中心沉降量和沉降速率远大于矿体周围，每年的沉降趋势和特征基本保持相同。

图8 二矿区14行线主断面地表岩体移动

3 二矿区地裂缝分布特征与现场监测分析

3.1 地裂缝分布特征

根据地质资料和相关地测报告将二矿区划分为2个裂缝区，如图3所示，共计约50条地裂缝，主要分布于2～30行勘探线之间，大部分裂缝较沿不同方向均有不同程度的扩展和延伸。裂缝最大长度达1100 m，最大宽度达70 m，各裂缝水平、垂直交叉贯通[16]。

3.2 裂缝现场监测

在第一裂缝区带和第二裂缝区带各选择12条(F0～F11)比较有代表性的裂缝，在每处裂缝的两边埋置一对GPS监测点，埋设12组共计24个GPS裂缝监测点，GPS裂缝监测点的位置见测点布置如图3所示。

3.3 监测结果分析

所有监测点进行每半年一次的定期监测，对监测结果进行计算得到每个监测点的实际绝对变形量。将每组裂缝监测点的水平位移矢量投影到与被测裂缝垂直和平行的两个方向上，然后改变两个监测点同一方向的变形值，得到两个监测点的相对位移，即此处裂纹的拉伸位错和水平位错位移；再对两个监测点的高程绝对位移矢量作差，所得值为裂缝两边的沉降位移。分别对每组裂缝监测点做以监测时间为主线的对比分析，由分析结果可以看出各组裂缝监测点在三个相对位移方向的相对位移速率基本稳定。通过对地裂缝发展变化的监测，从每组监测点的变形特点以及所监测裂缝的分布形态综合分析，可以总结得出裂缝变化的几个特点。

基于GPS监测设备，对二矿区典型的12条地裂缝变形特征进行为期九年的实时监测，以每年11月份为截点对本年数据进行汇总，最后对九年的监测数据进行分析展示，绘制相对变形量变化曲线，如图9所示。图中显示了12条地裂缝在九年监测期内的相对位移变化特征，其中正值代表地裂缝沿张开的方向扩展，负值代表地裂缝沿闭合方向发展。由图可知，地裂缝F1、F2、F5、F7、F8、F9、F11沿张开方向扩展，可归纳为张裂缝。随着时间的推移，每条裂缝相对位移量均呈近线性增加，裂缝F9相对位移量最大，为159 mm，裂缝F5相对位移量最小，为32 mm，其他裂缝相对位移量介于二者之间。地裂缝F0、F3、F4、F6、F10沿闭合方向扩展，可归纳为闭裂缝。随着时间的推移，每条裂缝相对位移量同样均呈近线性增加，裂缝F4相对位移量最大，为349 mm，裂缝F6相对位移量最小，为18 mm，其他裂缝相对位移量介于二者之间。

图9 裂缝拉张方向变形

基于监测数据对二矿区典型的12条地裂缝水平方向错动变形特征分析展示，绘制相对变形量变化曲线，如图10所示。图中显示了12条地裂缝在九年监测期内的相对位移变化特征，其中正值代表地裂缝沿规定的正方向扩展变形，负值代表地裂缝沿相反方向扩展。由图可知，地裂缝F4、F6沿规定的正方向扩展，裂缝F6水平方向相对变形量和变形速率大于裂缝F4，裂缝F6水平方向相对位移量为382 mm，裂缝F4相对位移量最164 mm。地裂缝F0、F1、F2、F3、F5、F7、F8、F9、F10、F11沿相反方向扩展，地裂缝F9水平相对变形量和变形速率最大，相对变形量达418 mm，裂缝F5水平相对量最小，为8 mm，其他裂缝水平相对位移量介于二者之间。对比分析12条地裂缝的水平方向相对变形量可知，随着时间的推移，每条裂缝相对位移量均呈近线性增加，不同区域的相对变形量和变形速率有所不同。

图10 裂缝水平错动方向变形

基于监测数据对二矿区典型的12条地裂缝垂直方向错动变形特征分析展示，绘制相对变形量变化曲线，如图11所示。图中显示了12条地裂缝在九年监测期内的相对位移变化特征，其中正值代表地裂缝沿垂直向下的方向扩展变形，负值代表地裂缝沿垂直向上的方向扩展。由图可知，地裂缝F1、F3、F7、F10、F11沿垂直向下的方向扩展，裂缝F11垂直方向相对变形量和变形速率最大，相对变形量为204 mm，裂缝F10垂直方向相对位移量最小，为19 mm，其他裂缝水平相对位移量介于二者之间。地裂缝F0、F2、F4、F5、F6、F7、F8、F9沿垂直向上的方向扩展，地裂缝F4垂直相对变形量和变形速率最大，相对变形量达410 mm，裂缝F5水平相对量最小，为5 mm，其他裂缝水平相对位移量介于二者之间。对比分析12条地裂缝的水平方向相对变形量可知，随着时间的推移，每条裂缝相对位移量均呈近线性增加，不同区域的相对变形量和变形速率有所不同。分析结果与上文基本一致。

图11 裂缝沉降错动方向变形

4 结论

(1) 二矿区1#矿体伴随1150中段水平矿层的逐步采尽，致使地表变形明显增大。在矿区逐步形成近似圆形的沉降盆地，其沉降中心在14～18行线之间。二矿沉降区2001年4-5月至2017年10-11月内累积三维位移量最大为3850 mm，水平位移量最大为2307 mm，沉降量最大为3478 mm。

(2) 大面积的地表岩移已对甘肃某矿矿区地下采掘作业和地表主要设施构成威胁。由GPS监测结果来看，随着开采深度的增加，地表和井下均受采动的影响，地表及矿体发生变形和沉降。井下最大沉降量在20～40 mm，水平位移量为10～30 mm。自2001年开始监测以来每半年为一个监测时段累计沉降量达1198 mm，水平位移量达519 mm，三维位移量达1402 mm。

(3) 二矿区典型的12条地裂缝拉张方向相对位移量最大值为349 mm(F4)，最小值为18 mm(F6)；水平方向相对位移量最大值为418 mm(F9)，最小值为8 mm(F5)；沉降方向相对位移量最大值为410 mm(F4)，最小值为5 mm(F5)。