基于GPS监测的浅埋阔个沙也金矿地表变形规律研究

孙英翔

摘要：地表沉降是严重威胁矿山安全开采的主要因素之一，同时也是影响地表生态环境的重大问题之一。阔个沙也金矿矿体埋深极浅，采矿活动对地表影响不可忽视，以该矿山地表沉降为研究对象，基于GPS测量技术对矿山开采地表沉降特征和变形规律开展了监测分析，得到了不同监测阶段的地表沉降和水平移动曲线。沉降量最大的监测点是GC1，沉降量为-9.2 mm。工作面在推进的过程中形成了GC1和GC8 2个监测点位置的沉降区，GC1位置的漏斗相对较大，沉陷范围超过9 mm。不同监测点的x方向位移均呈现波动变化规律。监测结果为矿区变形规律研究提供了重要参考。

关键词：采矿活动;GPS监测;变形分析;地表沉降;水平移动

引 言

随着矿产资源开采推进，地下采空区数量逐渐累积，采空区上方地表围岩的力学平衡被破坏，造成地表塌陷及变形现象。这种变形问题容易引起主要井筒位移与变形、露天矿边坡的移动与变形及矿山重要建（构）筑物的移动与变形。为了矿区生产安全和生态环境保护，开展地表沉降监测和分析成为矿山开采过程中的重要内容之一，对确保主要井筒、主要建（构）筑物及沉降区域的地表安全，解释沉降与变形产生的原因和了解掌握其规律具有重要意义。

目前，国内对于矿山地表沉降智能监测与预警系统的研究相对较少，主要在沉降监测和数据解析方面取得了一定的进展[1-3]。对于金属矿山，地表沉降一般与矿山岩层结构及力学性质、采矿工作面附近的岩体力学特征、选择的采矿方法及参数等有关，由于金属矿山地质条件更加复杂，因此需要加强矿区地表沉降监测研究。刘海昭[4]针对阿希金矿开采技术条件及采空区分布情况开展了采空区对地表影响研究，发现在地表形成位移约为1 cm的影响区域，其东西范围约120 m，南北范围约400 m，一旦地表在采空区影响下发生位移，其影响范围将非常大。廉海等[5]采用Flac软件对石人沟铁矿地下开采过程导致的地表沉降规律进行了模拟，发现地下开采过程中底板的拉应力容易导致顶底板发生竖直向下位移，且随着矿房不断开采，最大下沉值发生在采空区中部上方。

在现场监测方面，学者采用多种方法开展地表沉降监测分析工作，如数字近景摄影测量技术[6]、三维激光扫描技术[7-8]和GIS监测分析技术[9-12]、雷达监测[13-14]等。张智华[13]基于InSAR技术并结合ArcGIS软件开展了矿山开采沉降监测，实现了较高精度判别沉陷方向。陈优良等[14]采用D-InSAR“双轨”差分干涉测量方法研究了河北省邯郸市某矿区地表形变规律。贺跃光等[15]讨论了构造应力作用下的地表移动规律，提出采用急倾斜崩落采矿法开采金属矿山与急倾煤矿，其地表沉陷属构造应力作用下的地表移动规律范畴。

本文针对托里县招金北疆矿业有限公司阔个沙也金矿（下称“阔个沙也金矿”）地下开采活动引起地表变形的问题，根据矿山地质条件、开采方法和地表移动情况，布设了变形监测点，采用基于GPS静态测量与水准测量相结合的方法开展了地表沉降位移和水平位移监测，获得了一定周期内的沉降位移数据，研究成果将为类似矿山地表变形问题提供借鉴。

1 工程背景

阔个沙也金矿位于新疆维吾尔自治区塔城地区托里县庙尔沟镇萨尔哈木斯，矿区中心地理坐标：东经84°26′27″、北纬45°23′45″。矿区距克拉玛依市70 km，奎屯市130 km，均为国道和省道，省道至矿区有1.50 km的简易便道相通，交通便利。该矿区海拔标高为750～769 m，相对高差2～5 m，为低山丘陵地带，地势总的特点是南东高，北西低，地形坡度较缓，一般10°～30°。

2021年第1期/第42卷 采矿工程采矿工程 黄 金

矿区地形地貌单一，地势平缓，地表排水通畅，矿体围岩岩体以坚硬沉积变质层状岩组为主，属第三类层状岩类，无软弱岩石夹层，基本不存在松散岩组。区内断层构造破碎较不发育。根据文献[16]，该矿床类型属中低温热液型金矿床，矿床并非单一地质因素作用下形成，而是多种因素同时或相连作用形成，即为多成因。地层或岩体中的金元素在温度、压力、浓度等条件的不断变化下，经过多次活化、迁移后，最终在有利的环境中发生富集，金矿的物质来源多元，成矿因素多种，成矿物质经过多次活化、迁移、再富集而成。

矿体的顶底板均位于凝灰质砂岩和变砂岩中，岩石坚硬，裂隙发育较差，岩石质量优良，岩体完整，稳固性良好，矿体的强度虽有所降低，但也属坚硬、半坚硬岩石，岩石质量较好，稳固性也较好。矿区地下水富水性较弱，岩石物理化学性质稳定，不会产生遇水腐蚀软化现象。矿床总体工程地质条件较好，巷道基本无需支护，只需局部进行简单支护，矿床的顶底板稳固。

阔个沙也金矿为采选一体化矿山，采用地下开采方式，矿体为急倾斜薄矿体，矿体埋深极浅（近地表）。矿石及上下盘围岩中等以上稳固，采矿方法为浅孔留矿采矿法，矿房回采按阶梯或水平分层推进，根据现场实际情况预留矿柱及顶柱，对大放矿结束后的采空区进行废石充填，有效减少地下开采对地表环境产生的影响。

2 沉降监测及结果分析

2.1 变形监测范围及基准点布置

阔个沙也金矿矿体埋深极浅，早期民采曾出现采透地面事故。同时，矿山廠区距离采场较近，地下采矿活动对地表的影响必须引起重视。因此，采用GPS监测方法开展了矿区地表位移监测工作。监测区域主要围绕地面厂房区域，监测范围包括550 m中段、600 m中段、650 m中段、700 m中段和750 m中段，监测点空间分布及高程特征见图1。依据JGJ 8—2016 《建筑变形测量规范》水准基准点应埋设在基岩层或原状土层中，深埋混凝土基准点标石，也可埋设在年代久远的永久性构筑物上。根据现场实际，本次水准基准点选择在原状土层中，监测的基准点形式见图2，现场监测点位置坐标见表1。

2.2 变形监测精度及方法

本次变形测量等级划分为三级，变形点的高程中误差±1.0 mm，相邻变形点的高差中误差±0.5 mm，每站高差中误差小于0.3 mm，往返较差环线闭合差小于0.6n mm（n为测站数），监测已测高差较差小于0.8n mm;水平位移变形点的点位中误差±10.0 mm，测角中误差小于±2.5″，最弱边相对中误差≤1/40 000。受地形及厂房影响，此次变形监测的基准点与各监测点不尽通视，但矿区地形开阔，基准点与各监测点附近无建筑物或树木遮挡，无大面积水域及电磁波干扰，故平面测量采用GPS静态测量技术，使用STONEXS3Ⅱ全星系GPS接收机（静态测量平面精度±2.5 mm+1×10-6），高程测量采用精密二等水准方法，使用苏一光DSZ1型精密水准仪观测（每公里高程中误差小于±0.7 mm），铟钢瓦水准标尺。

2.3 结果分析及讨论

2.3.1 地表沉降位移

在研究区域共开展了5次测量，测量间隔时间约20～35 d。每次测量采用相同的观测路线和观测方法，使用同一台仪器设备，固定观测人员，在基本相同的环境和条件下工作。水准测量按精密二等测量要求，每公里高差中误差小于±2.0 mm，环线单程往测，闭合差小于4L mm（L为环线长度，以km为单位），水平位移观测，相对于基点的坐标中误差不应超过3 mm。每次测得监测点坐标及高程数据后，根据“沉降量=后一次测量高程-前一次测量高程”计算得出监测点沉降变化情况，监测沉降结果见表2。

本次监测期间，矿山地下开采活动正常进行，日出矿量600 t，日掘进量400 t，开采范围集中在200～370 m，因此通过变形监测数据，可以了解监测期间井下正常开采过程中岩体移动在地表上的动态反映，达到此次地表变形监测的目的。不同监测点沉降分析结果见图3。結果表明，本次沉降监测中沉降量最大的监测点是GC1，沉降量为-9.2 mm，GC8次之。根据测量结果与数据分析，该矿区未发生明显变化。

地表监测点沉降分布见图4。从图4可以看出：该工作面在推进的过程中形成了2个沉陷漏斗，即GC1和GC8 2个监测点位置，GC1位置的漏斗相对较大，沉陷范围超过9 mm。GC3、GC4和GC6位置的沉降位移较小。

2.3.2 水平位移

共开展5次水平位移测量，得到4组相对位移结果（第1组相对位移为0），监测统计结果见表3。

水平方向不同测量次数位移曲线结果见图5。

从图5可以看出：不同监测点的x方向位移均呈现波动变化规律，其中GC10监测点的水平x负方向位移变化最大，GC8监测点次之，GC7监测点的x正方向位移最大;GC3监测点的y负方向发生较大位移，GC6监测点次之，GC13监测点发生较大的y正方向位移，且呈现持续增大趋势。

根据水平累计位移移动方向云图（见图6），不同监测点的水平位移并未出现一致的移动变形，每个监测点的移动方向比较复杂，GC10、GC12、GC4与GC13、GC5之间呈现比较大的反向相对位移，有较大机率引起地表裂缝，对该区域的地表建筑物应加大监测频率，一旦出现较大变形应尽快采取相应保护或撤离措施。

通过以上测量结果与数据分析，该矿区未发生明显变化，但矿区发生变形是客观存在的。因此，在地下开采过程中，要继续加大对工程各个环节的把控力度与关注度，否则会造成难以弥补、无法预期的后果。阔个沙也金矿应当引入监测制度，对矿区地表移动带及井塔等建筑物进行常态化变形监测或实时变形监测，并建立监测数据库，对数据进行分析，确定及完善变形区域，掌握变形趋势，为变形区的防治和治理提供数据支持，对矿区的防灾减灾有重要的意义，进一步保证地下开采活动的正常进行。

3 结 论

1）采用基于GPS静态测量与水准测量相结合的方法开展了地表位移沉降监测，沉降监测中沉降量最大的监测点是GC1，沉降量为-9.2 mm，GC8次之。工作面在推进的过程中形成了2个沉陷区，即GC1和GC8 2个监测点位置，GC1位置的漏斗相对较大，沉陷范围超过9 mm。GC3、GC4和GC6位置的沉降位移较小。

2）不同监测点的x方向位移均呈现波动变化规律，其中GC10监测点的水平x负方向位移变化最大，GC8监测点次之，GC7监测点的x正方向位移最大;GC3监测点的y负方向发生较大位移，GC6监测点次之，GC13监测点发生较大的y正方向位移，且呈现持续增大趋势;各监测点的移动方向比较复杂，GC10、GC12、GC4与GC13、GC5之间呈现比较大的反向相对移动位移，有较大机率引起地表裂缝，需要加大地表变形及沉降监测频率。

[参 考 文 献]

[1] 黄平路，陈从新，肖国峰，等.复杂地质条件下矿山地下开采地表变形规律的研究[J].岩土力学，2009，30（10）：3 020-3 024.

[2] 侯春来，吴爱祥，王贻明.高速公路下开采的地表沉降控制与预测[J].矿业研究与开发，2016，36（5）：23-27.

[3] 田海忠.地表沉陷区的综合治理及沉陷区生态恢复研究[J].科技传播，2013，5（20）：45，35.

[4] 刘海昭.阿希金矿采空区对地表构筑物影响分析及监测方案研究[J].湖南有色金属，2019，35（3）：5-9.

[5] 廉海，魏秀泉，甘德清.地下开采引起地表沉陷的数值模拟[J].西部探矿工程，2006，18（12）：299-301.

[6] 杨化超，邓喀中，张书毕，等.数字近景摄影测量技术在矿山地表沉陷监测中的应用研究[J].中国图象图形学报，2008（3）：148-153.

[7] 刘元旭，张克奇.基于三维激光扫描全站仪的矿山开采沉陷监测方法[J].青海大学学报（自然科学版），2019，37（4）：70-76.

[8] 柏雯娟.用三维激光扫描技术监测矿山开采沉陷[J].金属矿山，2017（1）：132-135.

[9] 马大喜，荣明明，卢志刚.基于GIS矿山地表沉陷时空效应分析[J].现代矿业，2015（5）：124-127.

[10] 王瑞，林敏，卢志刚.基于VB的某铁矿山地表沉陷预警信息系统开发[J].金属矿山，2016（10）：136-141.

[11] 于广明，张春会，李振宇，等.基于GIS的矿山开采沉陷预测电算化研究[J].岩土力学，2004，25（增刊1）：52-56.

[12] 姜岩，高均海.合成孔径雷达干涉测量技术在矿山开采地表沉陷监测中的应用[J].矿山测量，2003，1（1）：5-7.

[13] 张智华.ArcGIS软件在矿山开采沉陷监测中的应用[J].世界有色金属，2018（21）：37-39.

[14] 陈优良，王之玉，栗正刚，等.基于D-InSAR的矿山地表沉陷监测研究[J].化工矿物与加工，2019（8）：10-14.

[15] 贺跃光，颜荣贵，曾卓乔.构造应力作用下的地表移动规律研究[J].矿冶工程，2000，20（3）：12-14.

[16] 秦明，郭京林.新疆托里包古图阔个沙也金矿成矿特征及成因分析[J].世界有色金属，2018（16）：127-128.