厚大矿体充填条带开采岩层损伤与地表沉降联合监测研究

摘" 要：厚大矿体资源的开采面临施工难、采动地压大的难题，而采用以厢式充填法为主的分层条带充填开采在杉树垭磷矿实现顺利应用。为研究厚大矿体充填条带开采岩层损伤与地表沉降，采用地质雷达的方法，监测得到厚大磷矿层分层条带充填开采产生的顶板损伤深度在8.5 m左右，采动影响范围较低，厢式充填采矿法在厚大矿体开采中应用效果较好。厚大矿体的矿柱在5～10 m范围内存在明显的岩层裂隙，而充填体的裂隙节理主要分布在17 m范围内，超过17 m深度的充填体裂隙数目明显降低，表现出完整性的提升。通过DS-InSAR地表位移监测方法，研究得到2019—2023年，401段和402段的地表沉陷最大值为47 mm，且总体上变化不均匀而出现明显波动性，表明厚大矿体开采并未对地表沉陷造成明显影响。

关键词：磷矿；地质雷达；采动应力；DS-InSAR；地表位移

中图分类号：TD326" " " "文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2025）05-0112-05

Abstract： The mining of thick and large ore body resources faces difficulties in construction and high mining ground pressure. However， layered strip filling mining based on box filling method has been successfully applied in Shanshuya Phosphate Mine. In order to study the rock formation damage and surface subsidence in thick and large ore bodies filled strip mining， the geological radar method was used to monitor and determine that the depth of roof damage caused by layered strip filling mining in thick and large phosphorus ore layers was about 8.5 m， and the mining influence range was relatively low. The box-filling mining method has a good application effect in the mining of thick and large ore bodies. There are obvious rock fractures in the range of 5 to 10 m in the pillars of thick and large ore bodies， while the crack joints of the filling body are mainly distributed in the range of 17 m. The number of cracks in the filling body beyond 17 m is significantly reduced， showing an improvement in integrity. Through the DS-InSAR ground displacement monitoring method， it is found that from 2019 to 2023， the maximum value of surface subsidence in sections 401 and 402 is 47 mm， and the overall change is uneven and there is obvious fluctuation， indicating that the mining of thick and large ore bodies has not significantly affected surface subsidence.

Keywords： phosphate ore; geological radar; mining stress; DS-InSAR; ground displacement

磷矿资源是世界上重要的战略资源，属于不可再生的资源，具有不可代替性[1]。推行安全高效的磷矿开采技术，努力提高资源的回采率和开发利用率，是当前我国资源开发利用的原则之一[2]。在目前磷矿开采过程中，相较于其他矿体，受限于自身所固有的开采技术条件及矿体的赋存条件和其产状的特殊性，在开采过程中往往会使岩层结构发生破坏损伤从而引起覆岩破断导致大量节理裂隙产生，延伸至地表后发生地表沉降，严重影响生态环境保护[3-6]。因此，在开采过程中探索安全可靠、高效合理的监测技术，对于预防潜在的地质灾害及生态环境修复具有重要意义。

随着测绘技术的快速发展，国内学者针对采矿引起的岩层损伤及地表沉陷进行了诸多深入的研究[7-9]。敖嫩等[10]采用现场实地调查与统计分析的手段，分析了鄂尔多斯地区地裂缝形成的原因，提出了解决地裂缝问题的防治方法；朱鹏程[11]基于无人机测量技术提出了地表水平移动变形的监测方法，在南屯煤矿应用效果良好；周安民[12]针对开采沉陷数据采集时序问题，提出了基于滤波算法+遥感测绘技术的新型监测方法，准确率可达95%以上；张丽媛等[13]采用无人机和InSAR多源手段联合应用的方法，实现了对矿区开采沉陷的有效监测；杨中辉等[14]运用模糊层次分析法对黄土沟壑区开采沉陷进行了综合评价，具有较高推广价值；此外还有学者利用SBAS-InSAR技术对开采沉陷进行了分析研究[15-16]；李涛等[17]构建了基于DBD-Net的InSAR开采沉陷盆地监测网络；惠甜甜等[18]将SBAS-InSAR技术和LSTM-GS模型相结合获取了时序累积沉降值。

综上所述，学者们对于开采引起的覆岩损伤与地表沉陷监测已取得了诸多成果，但对于不同矿区由于其地质条件的特殊性、复杂性，在监测方面缺乏联合有效的手段对其进行分析研究。本文以杉树垭磷矿充填条带开采为工程背景，通过联合地质雷达井下监测和DS-InSAR地表沉陷监测，为矿区厚大磷矿体充填开采产生的岩层损伤与地表沉降进行透明化、精细化分析，并为相关厚大矿体开采工程提供参考与指导。

1" 工程概况

1.1" 厚大矿体开采概况

杉树垭磷矿的开采面临着矿床厚度增大的挑战，使得传统房柱式开采方法的应用受到了限制。为此，该矿进行开采方法的革新，针对厚大矿体采用分层充填条带开采方法。图1为该矿正在开采的四采区平面图。

1.2" 分层充填条带开采

针对四采区水平或缓倾斜厚大矿体，采用分层充填条带开采，即厢式充填采矿法，其采矿作业流程如图2所示。

针对四采区厚大磷矿层，先在矿块两边和中间分别施工上、下部通道，条带矿房回采工艺采用分层开采，即先由上部通道进行切顶，再由下部通道进行降低完成全矿层回采。矿块内胶结充填条带和干式充填条带间隔布置，分2步回采，先回采胶结充填条带，待回采完所有胶结充填条带，进行胶结充填，充填体达到一定强度后再回采干式充填条带，待回采完干式充填条带，进行干式充填。采用凿岩台车凿岩，每次回采步距2.5～3 m，回采崩下矿石由铲运机搬运到上、下部通道附近的集中装载点装入坑内卡车，经由中段运输巷道运至采区溜井，由此完成厚大矿体的开采和采空区的充填作业。

2" 岩层采动损伤地质雷达监测

2.1" 地质雷达监测原理

随着开采矿体的厚度增大，其开采对岩层的损伤范围需要进一步监测，尤其是厚大矿体开采后顶板的岩层损伤范围。同时，由于采用充填体来置换条带的矿石，充填体的支撑性能需要进行监测，可对矿柱支撑帮部和充填体支撑帮部进行对比监测，评估置换前后的性能。此处，采用基于高频电磁波技术的地质雷达，包括括激发装置100 MHz天线以及触摸屏数字视频记录器（DVL）。

2.2" 顶板岩层采动损伤监测

在厚大矿体开采区域进行测点的选择，选取至少3处顶板相较平整的区域进行布置监测。需保障测点范围处于受矿房开采的扰动区域内，且尽量选择采场的中部区域。综合地质雷达顶板损伤区监测结果，分析评估厚大矿体的开采扰动对于顶板的损伤范围，监测的现场图与结果如图3所示。

通过对顶板30 m深度范围进行地质雷达探测，测线0～3 m部分由于顶板周围有金属，数据受干扰程度较大；通过观察检测结果发现岩层裂隙集中在4～8.5 m处；超过9 m的岩层基本完整性和致密性较好，未受到采动损伤。由此说明，厚大矿体开采产生的顶板损伤深度在8.5 m左右。

2.3" 巷帮岩层、充填体采动损伤监测

条带开采充填开采前期是需要矿柱支撑顶板，而后期会由充填体置换矿柱，由充填体来支撑顶板。因此，对比矿柱和充填体在采动影响下的损伤范围将利于分析和评价充填体的性能。在现场由地质雷达探测30 m范围的矿柱和充填体，如图4所示。

矿柱受采动损伤的范围明显分布在10 m内，其浅部同样受到支护体、金属网等干扰，监测到的裂隙分布不明显，结果显示5～10 m范围内存在明显的岩层裂隙，而超过10 m深度的岩层基本无明显的裂隙带，岩层的致密性未受到影响。充填体的整个监测范围的致密性相较原生矿柱明显较差，且裂隙节理主要分布在17 m范围内，越浅部的区域裂隙数目越多，而超过17 m深度的充填体裂隙数目明显降低，表现出完整性的提升。通过两者采动损伤范围监测结果的直观对比，说明充填体相较原生矿柱受到厚大矿体开采损伤的程度高，且充填体边界区域（17 m之内）的支撑性能不能完全比肩矿柱，深部区域的充填体性能显著提升，可以实现较好的支撑效果。

3" 厚大矿体开采地表沉陷监测

3.1" DS-InSAR地表沉陷监测原理

由于时序InSAR技术在变形计算上应用稳定相位的散射体，实现了高相干性，这可应对常规技术的时空相干性缺失及延迟的问题，但其在矿山采空区地表中植被较少的低相干地区监测点密度低，在应用上遇到阻碍。DS-InSAR技术可对其缺陷进行弥补，它应用分布式散射体，并集成同质像元识别和相位优化，可较好地应用于矿上开采后采空区地表沉陷量的监测，其生成时间序列形变图的步骤原理如图5所示。

3.2" 开采沉陷监测区域选择

董家河河床两岸下伏存在四采区401和402 两个块段，2019—2023年两个块段进行着厚层矿体高强度开采、充填作业。通过井下平面图的位置信息，采用DS-InSAR调取董家河附近401和402 两个块段地表区域近5年的天通卫星数据，即2019—2023年的地表位移数据。对董家河沿岸采区进行井下采掘工程平面图、卫星地表地势图和累计变形数据图进行对照，如图6所示。

将矿区四采区的401分段和402分段在卫星云图与地表沉陷监测数据图上进行标注，可以得到401段和402段区域的地表沉陷数据。在图6的监测区域累计变形量图中，出现变形量的点均会被展示，包括抬升量和下沉量。监测可得，2019—2023年，两个区域地表的局部抬升与局部下沉并存，而重点关注的是发生下沉的区域。

3.3" 区域地表位移监测分析

调取四采区401分段区域2019—2023年的累计变形量，其包含抬升和沉降量。通过结果对比分析出最大位移沉降数据点，并对数据进行按月份的统计，得到位移量时间变化过程，如图7所示。

401分段的地表区域内，西侧存在抬升区域和位移不变区域，而中部和东侧均为发生沉陷区。根据数据的定位，得到最大沉降点的最大沉降量为47 mm，平均值为24 mm，总体上呈现缓慢波动下沉的情况，且趋势逐渐变缓。最大沉降点的位置在401分段对应地表的东北区域，为河流沿岸公路边坡侧，而此处地下的矿体并未进行大规模充分的开采，其沉降的原因与降雨冲刷和滚石滑坡等情况相关。

同样调取四采区402分段区域在2019—2023年的累计变形量，按月统计和分析出最大位移沉降数据点的变化过程，如图8所示。

402分段的地表区域内，西侧、北侧和东南侧存在明显的地表抬升，而中部及南侧存在沉陷区和位移不变区域。根据数据的定位，最大沉降点的变化波动较大，正位移与负位移交替，最大沉降量为32 mm，平均值为15 mm。由此说明，此处地表为山体，其表面的抬升与降低交替存在，说明其变化与地下采矿活动的相关性不充分。

4" 结论

1）地质雷达监测得到厚大磷矿层分层条带充填开采产生的顶板损伤深度在8.5 m左右，采动影响范围较低，厢式充填采矿法在厚大矿体开采中应用效果较好。

2）厚大矿体的矿柱在5～10 m范围内存在明显的岩层裂隙，而充填体的裂隙节理主要分布在17 m范围内，超过17 m深度的充填体裂隙数目明显降低，表现出完整性的提升。

3）401分段和402分段的地表沉陷最大值为47 mm，且总体上变化不均匀而出现明显波动性，表明厚大矿体开采并未对地表沉陷造成明显影响。

参考文献：

[1] 贾晗，刘军省，焦森，等.长江经济带磷矿资源开发与生态保护现状分析及对策建议[J].中国矿业，2021，30（2）：67-72.

[2] 高林，芦庆和，梁维，等.上向分段充填开采覆岩移动变形及影响范围预测——以贵州某磷矿为例[J].化工矿物与加工，2023，52（9）：59-65.

[3] 陈冉丽，王红军，刁鑫鹏，等.InSAR形变监测在开采沉陷损害鉴定及稳定性评价中的应用[J].测绘通报，2023（12）：106-111.

[4] 武毅艺，何满潮，李辉，等.深部多形式应用交岔点围岩失稳机理及能量演化研究（英文）[J].Journal of Central South University， 2024，31（3）：890-911.

[5] 余华婷，徐连满，李玮哲，等.地表开采沉陷监测技术研究[J].科技创新与应用，2023，13（20）：183-186.

[6] 何满潮，武毅艺，高玉兵，等.深部采矿岩石力学进展[J].煤炭学报，2024，49（1）：75-99.

[7] 张明媚，薛永安.多煤层重复开采地表下沉系数演变研究[J].煤炭工程，2024，56（2）：152-156.

[8] 杨泽发，马泽林，乔思宇.基于InSAR技术的开采沉陷影响边界划定方法[J].金属矿山，2023（1）：119-125.

[9] 夏元平.基于InSAR/GIS的矿区地下非法开采监测关键技术研究[J].测绘学报，2024，53（2）：394.

[10] 敖嫩，王汉元，刘宏磊，等.鄂尔多斯高强度煤炭开采区地裂缝发育特征[J].能源与环保，2023，45（3）：251-256，262.

[11] 朱鹏程.基于无人机的矿区地表水平移动监测方法[J].地理空间信息，2024，22（3）：16-19，23.

[12] 周安民.基于遥感测绘技术的矿山开采沉陷监测方法研究[J].采矿技术，2022，22（6）：69-72.

[13] 张丽媛，张兆江，刘阔，等.基于多源数据的矿区形变监测研究——以邯郸万年矿为例[J].测绘与空间地理信息，2023，46（9）：31-35.

[14] 杨中辉，李培现，郝登程，等.黄土沟壑区煤矿开采地面沉陷灾害危险性评价[J].能源与环保，2024，46（3）：239-244.

[15] 李博，张雨欣，白喜成，等.红柳林煤矿采空区地面沉陷InSAR监测与分析[J].中国矿业，2023，32（8）：55-62.

[16] 周健，周大伟，安士凯，等.基于SBAS-InSAR的西部开采沉陷超前影响角反演研究[J].金属矿山，2023（4）：168-173.

[17] 李涛，邹英杰，范洪冬，等.基于DBD-Net的InSAR矿区开采沉陷盆地检测方法[J].煤矿安全，2024，55（4）：177-186.

[18] 惠甜甜，刘长星，王圣杰，等.基于SBAS-InSAR技术和LSTM-GS模型的矿区开采沉陷预测[J].地理空间信息，2022，20（8）：13-17.