UMF系列探測儀器在礦山地面塌陷成因分析方面的運用
——以湖南某多金屬礦地面塌陷為例

周光輝

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙 410007）

UMF系列探測儀器在礦山地面塌陷成因分析方面的運用
——以湖南某多金屬礦地面塌陷為例

周光輝

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙 410007）

湖南省礦產資源豐富，開發利用強度大，由礦業活動引發的礦山地面塌陷災害時有發生，造成了較大的財產損失和人員傷亡。在災害發生后，及時查明地面塌陷的成因，是進一步采取防治措施的重要依據。UMF系列探測儀器是通過地表探針接收來至地球內部的地下磁流體的電磁波信號，提取特征信息，綜合分析得出探測結果。根據探測結果、地質環境條件及巷道部署情況，綜合分析得出地面塌陷的具體成因。

礦山；地面塌陷；成因分析；探測儀器

本文是以湖南某多金屬礦地面塌陷為例，運用UMF系列探測儀器的探測結果，結合礦區地質環境條件和礦山巷道部署情況，綜合分析得出地面塌陷的具體成因。

1 地面塌陷基本情況

2012年10月11日郴州市某多金屬礦發生地面塌陷，塌陷產生的3萬m3泥石堵塞下方巷道，造成5名礦工被困井下，1名礦工受傷。地表形成了一個長72 m、寬67 m、深17 m的塌陷坑。

地面塌陷坑位于該多金屬礦的南部。塌陷坑呈橢圓形，長軸為72 m、短軸為67 m、可見深度為17 m。在塌陷坑的南側和北側分別伴隨有3組和6組呈弧形的地面裂縫，裂縫長度在8～20 m之間、寬度為1～6 cm。塌陷坑面積為4800 m2，塌陷方量約為3萬m3，規模為小型。

圖1 地面塌陷坑，呈橢圓形Fig.1 Ground subsidence pit, oval

圖2 地面塌陷坑周邊的地面裂縫Fig.2 Surface cracks in the ground collapse pit

2 地質環境

2.1 地層巖性

塌陷坑下部地層依次為第四系（Q）、泥盆系中統棋梓橋組（D2q）、泥盆系中統跳馬澗組（D2t）。

第四系（Q）：下部為由礫石、砂及粘土組成的殘坡積，厚度約6 m；上部為該礦露天開采的剝離廢棄土，主是由砂礫粘土，結構松散，厚度在17～20 m之間。

棋梓橋組（D2q）：為灰色厚層紋層狀灰巖，生物屑云灰巖、中厚層層孔蟲灰巖夾云灰巖，局部地段為白云質灰巖或白云巖，厚度約180～450 m。該地層為礦體直接頂板，是礦井開拓與采礦工程分布的主要地段。

跳馬澗組（D2t）：該地層巖性為淺灰色厚層細粒石英砂巖、粉砂巖、頁巖，底部為含礫石石英砂巖，上部夾1～2層（厚約0.5 m）的灰巖、白云質灰巖。

2.2 工程地質特征

棋梓橋組中的灰巖、生物屑云灰巖、層孔蟲灰巖夾云灰巖，在地表淺部裂隙較發育，特別是地表以下的100 m深度內發育有溶洞，其裂隙與溶洞發育地段。

原生結構面特征：白云巖灰巖、石灰巖為厚層狀，微晶至中細粒晶質結構，層間結構面間距較大，結構面較粗糙、結合較好，不易滑動；砂巖為厚－中厚層構造，層狀結構面發育，結構面含泥質較多，較光滑，易于滑動。

次生結構面特征：白云巖、白云質灰巖、石灰巖中節理、裂隙較為發育，寬達0.1～1.0 cm，多被方解石及鉛鋅礦脈等所充填，多為閉合裂隙；砂巖中風化節理、裂隙較為發育，密度較大，一般1～10 cm可見一條，以剪切及張裂隙為主，裂隙充填較小，寬度小，巖體較破碎。

2.3 巖體風化帶、巖溶發育特征

巖體風化帶特征：區內巖體風化較強烈，強風化帶深度一般為10～30 m，最深可達50 m，風化的白云巖、灰巖及砂巖極為破碎，f值在4～6以下。堅硬的矽卡巖、花崗斑巖在風化帶中強度低，穩固性較差。

巖溶發育特征：地表及深部具巖溶現象，節理、裂隙較發育，寬達0.1～1 cm。據鉆孔揭露，淺部裂隙較發育，隨埋深增加裂隙發育程度逐漸減弱。該礦在開采過中曾遇到溶洞，體積在千余立方左右。

2.4 礦體圍巖工程地質特征

礦體圍巖主要為灰巖、白云質灰巖、白云巖，巖石堅硬穩固，局部地段由于風化剝蝕、裂隙節理的破壞影響，使其穩固性降低。

2.5 塌陷坑附近礦體特征

1號含白鎢礦、錫石、輝鉍磁鐵礦體賦存標高730～600 m；礦體以似層狀或透鏡狀的形態產于矽卡巖的上部或矽卡巖中，為含鉍和錫的磁鐵礦礦體（局部地段含WO3）。礦體走向近于南北，其傾向與傾角受花崗巖體與棋梓橋組灰巖接觸帶所形成矽卡巖形態控制，變化較大。

2.6 周邊礦山開采歷史概況

該區域開采歷史悠久，礦床開采技術條件復雜，在礦山上部老窿、采空區較多。塌陷坑區域范圍內在2010年前為兩個礦山采礦空間重疊區，整合以后為現該礦主要開采區。緊鄰礦山有2個，開采標高分別為890～200 m、850～248 m。加之以前民采在淺部形成的采空區，在垂直空間上形成了多個層次的采空區，地下開采情況復雜（圖3）。

3 UMF系列探測儀器探測及數據分析

3.1 探測方法原理

UMF系列探測儀器是在地表通過探針接收來自地下磁流體的電磁波信號，經探測電纜到地下磁流體探測儀，由探測儀提取特征信息并送上位機綜合分析得出探測結果。

3.2 采空區探測原理

礦區地下巖石裂縫、溶洞（或采空區、老窯）中分充水（極低阻）、塌陷、全空（極高阻）等多種形式。UMF系列儀器以地下磁流體向地表發射的電磁波為信號源，通過探針和探測裝置接收來自地球內部的電磁波，分析該電磁波穿透不同地質體所形成的不同信號。地下水的持續運動反饋到地面的電磁波是動態信息，固體礦產及巖層反饋的是靜態信息，極低、高阻地質體對電磁波具有吸收、折射、反射等作用。

3.3 UMF探測儀探針部署

本次探測是圍繞塌陷坑周圍部署探針，以塌陷坑西側11 m處為起點往南部署8處探針，編號依次為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；起點往北部署8處探針，編號依次為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，探針之間距離為4～10 m，探測深度為40～220 m（4）。

3.4 探測分析結論

據圖5至圖8探測數據圖分析可得以下結論：

1）距地面高度約95～160 m（標高+665～+600 m）對應頻率范圍280.68～98.95 Hz，探針A1B1之間有裂隙信號，可能為采空區。

2）距地面高度約130 m（標高+630 m）對應頻率為149.89 Hz，探針A8A7、A7A6、A6A5之間有裂隙信號，可能為巷道。

3）距地面高度約110 m（標高+650 m）對應頻率范圍為209.35 Hz，探針A1B1、B1B2、B3B4、 B4B5、B6B7、A8B8之間有裂隙信號，可能為巷道。

圖3 地面塌陷周邊礦山分析圖Fig.3 Analysis of ground collapse

圖4 探測點平面部署示意圖Fig.4 Schematic diagram of the detection point plan

4）距地面高度約175 m（標高+585 m）對應頻率為82.71 Hz，探針B5B6之間有水信號；距地面高度約200 m（標高+560 m）對應頻率為63.33 Hz，探針B3B4之間有水信號；距地面高度約205 m（標高+555 m）對應頻率為60.28 Hz，探針A1B1之間有水信號；距地面高度約210 m（標高+550 m）對應頻率為57.44 Hz，探針A3A2之間有水信號。可能有地下水，流動方向為B5B6—B3B4—A1B1—A3A2。

5）距地面高度約90 m（標高+670 m）對應頻率為312.73 Hz，探針B6B7、B7B8之間有水信號。

6）距地面高度約75 m（標高+685 m）對應頻率為450.33 Hz，探針B6B7之間有水信號。

3.5 綜合分析結論

1）根據探測結論在距地面高度約95～160 m（標高：+665～+600 m），可能為采空區，這一結論與礦體在該區域的垂直分布范圍（+730～+600 m）吻合，與礦山生產巷道在該區域的垂直開采水平范圍吻合（+640 m開采水平、+616 m開采水平）。

圖5 探測數據圖Fig.5 Detection data

圖7 探測數據圖Fig.7 Detection data

2）根據探測結論在距地面高度約130 m（標高+630 m），可能有巷道分布；距地面高度約110 m（標高+650 m），可能有巷道分布。這一結論與該礦在該區域巷道垂直分布（+640 m、～+610 m、+600 m）大致吻合。

4 成因總結

根據前面的分析，探測數據與實際的情況在礦體空間分布范圍、礦山采空區范圍、礦山開采巷道較吻合，說明在探測點A1B1之間地面下標高+665～+600 m部位存在采空區，產生地面塌陷的原因可能是礦山在開采過程中破壞了采空區的力學平衡，導致采空區頂板垮塌，引發了地面塌陷（圖9、10）。

圖6 探測數據圖Fig.6 Detection data

圖8 探測數據圖Fig.8 Detection data

圖9 儀器探測分析剖面圖Fig.9 Analytical profle of instrument detection

圖10 綜合分析剖面圖Fig.10 Comprehensive analysis section

[1]方先知.湖南省礦山地質環境問題成因分析[J].國土資源導刊,2005年第四期.

[2]曾玉清,李貴仁.湖南礦山地質環境問題的成因及變化趨勢[J].國土資源導刊,2005年（理論與實踐）.

[3]楊永田.河北省礦山開發對地質環境的影響及保護[J].中國煤炭地質,2009,21(S1): 4-5+25.

[4]劉曉龍,劉占寧.礦山地質環境綜合評價方法研究[J].地質災害與環境保護,2014年9月.

Application of UMF Series Detecting Instrument in the Cause Analysis of Mine Ground Collapse——A Case Study on the Ground Subsidence of a Multi Metal Mine in Hunan

Zhou Guanghui
(Hunan Geological Environment Monitoring Station, Changsha Hunan 410007)

Hunan , rich in mineral resources, development and utilization of large, mining activity caused by the mine ground collapse disaster occurs, resulting in a greater loss of property and casualties.After the disaster, it is an important basis to fnd out the cause of the ground collapse in time and to take the measures of prevention and control.UMF series detecting instrument is to receive the electromagnetic wave signal of underground magnetic fluid from the earth's interior through the earth's surface probe, to extract the characteristic information, and to analyze the results.According to the detection results, geological environment conditions and the deployment of the roadway, comprehensive analysis of the specifc causes of the ground subsidence.

mine; ground collapse; cause analysis; detection instrument

P694

B

1672-5603（2016）04-093-4

*第一作者簡介 周光輝，男，1982年生，工程師，從事水文地質、工程地質、環境地質調查與評價工作。E-mail: 283826031@qq.com

2016-11-6；改回日期：2016-11-23。