基于多参数综合物探的矿山开采区塌陷隐患探测研究

张 哲

（山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014）

矿产资源是现代社会发展所需要的资源中非常重要的一部分，但由于矿山地质管理工作的延迟启动和矿山产量的增加，缺乏完善的立法，导致个人违法乱纪开采矿山，环境破坏和污染日益严重，矿山地质灾害日益突出。我国研究人员分析了采矿活动引起的环境问题，从力学的角度考察了地面沉降、沉降区坍塌等各种地质问题的形成机制，及其影响因素。在积极转变经济增长方式的同时，采取有针对性的填埋措施，在沉降区入口设置拦阻坝。从生态恢复工作入手，建立一整套适合矿区发展的管理制度。

1 基于多参数综合物探的矿山开采区塌陷隐患探测

1.1 提取矿山开采区塌陷特征

地面塌陷隐患主要由地下岩溶和地下开采引起，地面沉降主要以地下熔融地形分布为主，地下开采地面沉降主要沿矿路蔓延。基础规模可能不如地下岩溶引起的地面沉降，但地下开采引起的地面沉降往往是由人类直接活动引起的，其发生是突然的。地面塌陷主要是由于矿体开采后形成的，导致采巷上部未支护或支护结构老化，上方岩土低于支护结构或被破坏的剪应力大于上部基岩的剪切或抗拉强度，上部基岩和块体将局部坍塌或弯曲。随着矿区的扩大，移动的岩石和土层会不断扩大，因此，也会在一定程度导致开采区塌陷。上部基岩和土体可形成三个带：洞穴勘探区、裂缝区和弯曲变形区。这三个区域之间的界线不是很清楚，当然也可能无法同时看到。在塌陷区外缘区域，地表向盆地中心倾斜，引起拉伸变形。在拉伸变形严重时，地表就会出现拉伸裂纹。

开采地面沉降面积主要是由于矿山某年第一矿体采用地面沉降开采法，以及当地村民在地下（地上）非法开采所致。由于地面的人工开采活动，产生一定范围的矿区，表层土层松散。在连续降雨条件下，土壤充满水并增加重量，但土壤软化并导致坍塌。此外，矿山排水形成的水由于侵蚀、运输和水压等动力条件，进一步诱发和加剧地表变形和塌陷。塌陷坑周围的裂缝初步形成了地表水下渗的通道，因此雨季的雨水扩散成地表水，漏斗状发展成盆状，对中土施加水压。地下水是地面塌陷的“催化剂”，在扩大塌陷坑平面面积的同时，降低了整个溶洞的强度参数。

1.2 测量地面高精度重力

根据前人理论可知，如果洞穴顶部的岩石和土壤密集地裂成块状或碎片，或者如果洞穴处于松散的土层中，则顶部会坍塌成拱形。对于破顶的洞穴或土洞的屋顶，如果洞内没有水流动，体积就会松散膨胀。当它坍塌到一定高度时，洞穴就完全关闭了。此时，它被认为是一个洞穴。现在支持空间并且不再向上扩展。在雨季如果岩石结构完整，渗透率低，则对水体重量的影响可以忽略不计。选用CV-5重力仪测量地面高精度重力，采用校准系数标定法，双向往复观测法两次重复观测，临时重力基点（编号C0，值为0）。调查区域被设置为所有区域的高程起点和重力测量点。对工作中使用的设备进行动态、静态和一致性测试，以确保设备满足工作需求，并确保测量数据真实可靠。在山区高原地区，布格重力是一个大范围的负值。山体越高，负值的异常越大。实际观测是地形改正和布基改正（高度改正和中级改正）。得到（包括）和正常场校正后的异常场，如下公式1所示。

公式1中：Δyo表示研究中的布格重力参数；Δyc表示对实际观测值校正的地形区域；δyφ表示对实际观测值的布格校正。通过去除该地区Bouguet重力异常的双线性趋势面异常，去除上地幔和下地壳产生的重力异常，留下上地壳岩石产生的重力，得到残余重力，完成地面高精度重力的测量工作。反映了隐蔽花岗岩体的深层形态和局部地质构造中矿层密度变化的影响。

1.3 基于多参数综合物探定位隐患位置

面对复杂的地区，特别是黄土覆盖的地区，矿区山体地表凹凸不平，地形复杂多变，隐患分布不规则，埋藏深度较深。地震对岩体的影响有两个。一是地震作用直接产生水平地震力，二是地震力的作用降低了结构面的力学参数。需要动态载荷下结构表面的特殊机械参数。弱化分析尚不成熟，现有分析正在考虑中。水平地震波场数值的表现形式，如下公式2所示。

公式2中：E表示在某一时刻；t表示处于二维空间上的某一点的位移；∂、p、V分别表示拉梅系数。经过上述数值计算后，能体现出更全面的地质构造，以及更丰富的成岩信息，其中更全面的地质构造纵波信息，如下表1所示。

表1 各介质岩体纵波信息

根据地质构造以及丰富成岩信息的获取，基于多种参数综合物探的方法更便于精准定位矿山开采区塌陷隐患位置。

2 塌陷隐患探测试验

2.1 试验准备

本次试验提取某处存在塌陷隐患矿区C，实验前在c矿区内共打3个钻孔，总进尺为94.8m，平均钻进效率为12.77m/h。打孔中采用的钻机设备为张家口探矿机械厂生产的SL-400A型全液压履带式动力头钻机。

2.2 塌陷隐患位置探测结果

为了验证文中基于多参数综合物探方法在塌陷隐患探测中的优势，分别选取雷达探测方法、高光谱遥感影像探测方法（为方便表示分别设置为传统方法1、传统方法2），共同对C矿区塌陷特征及位置展开测试。三种探测方法探测得到的三维成像，如下图1所示。

观察图1中三种方法探测的成像可知，传统方法1探测出两处塌陷隐患，传统方法2探测出1处塌陷隐患，而文中多参数综合物探方法，探测出多处塌陷隐患。因此，得出文中方法在塌陷隐患探测数量上均优于其他两种传统方法。

图1 三种方法对C区的探测结果

3 结语

综合物探技术是集合多种探测方法为一体的高效方法，通过长期的应用和不断的改进，目前已被应用于各行各界探测中。本文根据矿山开采区塌陷特点，采用多参数综合物探方法，根据试验结果得出，文中方法在探测塌陷隐患数量上优于其他两种传统方法，适用于矿山开采区的塌陷隐患探测中。文中方法目前存在着探测时间长的缺点，针对这一问题，今后会进行相关研究工作。