软弱破碎矿岩开采下地面沉降分析与预测

黄小忠 李国平

（安徽马钢矿业资源集团姑山矿业有限公司）

采矿活动会对环境造成很大的影响，是导致地面沉降的主要诱导因素之一［1-3］。据统计，仅由于煤矿开采就导致全国每年新增沉陷土地至少5.9万km2，且呈现加剧趋势［4］。地面沉降还会对房屋等基础设施造成不同程度的损坏，严重影响周围居民的正常生活［5］。骆祖江等［6］的研究表明，地面沉降会导致地下可采水资源的减少。因此，对地面沉降进行监测是矿山安全生产的重点工作［7］。随着环境保护力度的加大和相关严格法规的出台，矿山对沉陷区域的生态治理修复迫在眉睫［8-9］。国内某铁矿历经多年高强度回采导致围岩极破碎，稳定性差，回采难度较大。此外，矿山在地表开展地质环境治理工程过程中发现沉降缝，自地面沉降监测以来，地表沉降范围和沉降量不断扩大，沉降盆地中心的沉降速度有加快的迹象，导致矿山附近部分地段开裂。

因此，为了减少矿山地面沉降带来的生态环境破坏，本研究根据沉降区现有地面沉降监测数据，先分析沉降区域时空演化规律［10］，然后建立数理统计模型预测地面沉降发展趋势，为治理提供数据支撑。

1 工程概况

国内某铁矿开采矿段分布于11～18勘探线。该矿段主要赋存在-100～-300 m，根据矿体的开采技术条件，主要采用水平进路充填法开采。矿段有20个矿体，主要有2号主矿体，其余为小矿体。矿区的岩矿石根据岩（土）体成因、性状、结构及物理力学性质，可分第四系松散土壤类，坚硬、半坚硬岩石类，破碎、松软、软弱岩石类，具体参数见表1。矿山主要有多个开采水平。2018年矿山对采区的地面沉降进行连续监测，采区地表10个监测点的最大累计沉降量为24 mm，最小累计沉降量为7 mm，平均累计沉降量为15.5 mm，最大沉降速度为0.079 mm/d。根据2018年监测数据分析，矿山地表沉降处于缓慢变形阶段和稳定状态。

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2 地面沉降动态变化特征

2019年1月开始，矿山在监测区域布置了7条监测线，沿每条监测线布置若干地面沉降监测点，共计34个监测点。统计数据得整个累计沉降量变化过程分为3个阶段。2019年1—7月，累积最大沉降量的增长速率较快（1.44 mm/d）；2019年8—10月，累积最大沉降量增长速率较平缓（1.28 mm/d）；2020年5月—11月，累积最大沉降量增长速率陡增（最大达到了1.56 mm/d），该阶段累积最大沉降量为1 078 mm。根据《煤矿采空区岩土工程勘察规范》，地表沉降按先后顺序可以分为初始期、活跃期和衰退期。其中地表开始沉降，即沉降量大于0时为初始期，当地表沉降速度达到1.7 mm/d时为活跃期，从活跃期结束到整个地表移动期结束（沉降速度为零）为衰退期。根据该规范和沉降区的地面沉降监测数据，目前沉降区最大沉降速度为1.56 mm/d，表明当前该沉降区已经处于沉降初始期的末期，且沉降速度平均以每月增加0.01 mm/d的速度加速下沉，如果后续继续按照这个速度，预计16个月左右将进入地面沉降活跃期。

根据最新的地面沉降监测数据，截至2020年11月13日，监测区域内有多点水平位移超过1 000 mm，其中沉降区水平位移主要方向为东北方向，扩展速度最快为1.73 mm/d，最大水平位移累计量为1 168.5 mm。由于矿山充填站位于主沉降区的东北方向，如果沉降盆地按照目前态势继续向东北方向扩展，将有可能对该充填站造成不利影响，建议尽快在该方向加密布置地面沉降监测点，预测未来沉降的发生趋势。

3 基于数理统计模型的地面沉降预测

为了深入研究沉降区地面沉降变化规律，利用监测点4-2和监测点4-5的监测数据及其对应的开采量，构建基于数理统计的地面沉降模型，对研究区的地面沉降进行模拟和预测。上述2个监测点历经17个月的数据采集，分别建立数理统计模型，结果如图1、图2所示。

从图1可知，4-2点的累计沉降量和累计开采量之间具有较好的二次曲线关系，曲线拟合的确定系数R2达到了0.996 5。从图2可知，4-5监测点的累计沉降量和累计开采量之间具有良好的指数函数关系y=1.756 3e2.0382x，曲线拟合的确定系数R2达到了0.685。

为了检验数理统计模拟的准确性，通过从历史监测数据中随机选取的5个数据点对上述模型进行检验。结果表明，4-2监测点统计模型的平均精度达96.4%，可见模型的误差很小，可以利用该模型对该点的地面沉降量进行预测。利用该模型对最近一个月的累计沉降量进行预测，预测精度为99.5%。同理，4-5监测点统计模型的平均精度为65.6%，对最近一个月的累计沉降量预测精度为82.6%。综上所述，上述数理模型能够对研究区的地面沉降进行有效预测，可为矿山建立地面沉降预防机制提供基础数据。

4 地面沉降成因分析

4.1 开采量对地面沉降的影响

为了定量研究地面沉降与沉降区范围内开采量之间的关系，选取沉降范围内的4-2和4-5监测点数据为对象，开展相关性分析。绘制出2个监测点的累计沉降量和累计开采量的关系曲线，如图3和图4所示。从图3和图4中可以看出，各监测点的累计沉降量与其累计开采量之间具有明显的正相关关系，尤其是4-2点累计沉降量曲线和累计开采量曲线基本走势一致。为此，利用SPSS19.0软件对2个监测点累计沉降量与累计相关系数进行计算，计算结果表明，4-2监测点的相关系数为99.2%，4-5点的相关系数为75%。

4.2 充填工艺对地面沉降的影响

通过结合矿山开采情况和充填位置及其充填工艺等，重点阐明充填工艺对地面沉降的影响程度。根据物探解译成果，在所有布置的各个物探监测线上几乎都有类似的封闭低速区，物探解译为松散区，如表2和图5所示。根据物探解译成果，横波速度VS小于1 000 m/s的松散区的总体积达到了237.45万m3。整个地面沉降区的分布基本和各水平采区分布一致。从图5知，松散区在不同水平分布存在差异，这是由于充填工艺较差导致充填体强度不够，从而在地压作用下破碎形成的。

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地面沉降盆地已经超过了目前布置的地面沉降点的监测范围，而且该沉降盆地无论是垂直沉降还是水平扩展都呈现加速态势，需要对该沉降区进行工程治理，遏制地面沉降，以确保矿山采区的安全生产以及保护地面的生态环境。因此，应加快对研究区的地面监测点的点位和监测频率优化，特别是目前研究区的地面沉降已经进入了沉降初始期的末期，即将进入到活跃期。建立完善的监测网络能为制定相应的预防机制和应急预案提供基础数据。此外，可以通过地面施工注浆孔对充填不良区域进行充填加固，并根据其充填效果和对上覆关键层的修复效果进一步开展后续治理工程。如果修复不理想，可以通过改进充填工艺等方式提高充填体强度和充填接顶率，以减少矿山地表沉降。

5 结 论

（1）矿山沉降区当前已经处于沉降初始期的末期，如果后续继续按照该速度下沉的话，预计16个月左右将进入地面沉降活跃期。

（2）4-2点累计开采量与累计沉降量的相关系数为99.2%，4-5点相应的相关系数为75%，证明了研究区地面沉降与沉降区地下开采活动具有很强的正相关关系。

（3）采区范围内形成了沉降盆地，而且该沉降盆地无论是垂直沉降还是水平扩展都呈现加速态势，需要对该沉降区进行工程治理。

（4）围岩软弱、采矿扰动大、矿体赋存条件差和充填工艺不佳等是导致矿山地面沉降的主要因素。