吳莊鐵礦復(fù)雜地表沉降監(jiān)測(cè)方法研究與實(shí)踐

張 鵬 林曉飛 張傳信

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心；4.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院)

地表沉降監(jiān)測(cè)是通過合理科學(xué)地布置觀測(cè)點(diǎn)，運(yùn)用高精度的測(cè)量?jī)x器，按一定的時(shí)間周期和一定的測(cè)量順序，測(cè)定地面高程，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、歸納，得出高程隨時(shí)間變化規(guī)律、趨勢(shì)和突變的一項(xiàng)科研工作。

造成地表沉降的原因很多，地下開采(水、氣、油、礦物)會(huì)引起地面下沉；在膨脹土、冰凍土層地區(qū)地面高程會(huì)隨土中含水量的變化而變化；受地殼運(yùn)動(dòng)的影響地面高程也會(huì)發(fā)生變化。

巖層和地表移動(dòng)的觀測(cè)工作是了解和掌握地表移動(dòng)規(guī)律的基本途徑。監(jiān)測(cè)的目的主要有以下幾個(gè)方面。

(1)確定地表移動(dòng)范圍、巖層移動(dòng)角。

(2)掌握地表移動(dòng)盆地內(nèi)主斷面或某一方向的各種移動(dòng)、變形值大小及分布規(guī)律。

(3)了解開采對(duì)地表巖移在時(shí)間上的影響，如地表發(fā)生巖移時(shí)間、發(fā)生危險(xiǎn)變形時(shí)間及地表移動(dòng)的總持續(xù)時(shí)間。

(4)驗(yàn)證采用某些減弱、阻止地表沉降措施的效果。

(5)通過實(shí)地調(diào)查和儀器觀測(cè)，及時(shí)掌握采空區(qū)圍巖及上覆蓋層與地表的移動(dòng)變化征兆，為地表建、構(gòu)筑物的保護(hù)提供依據(jù)。

目前，地表沉降監(jiān)測(cè)的各種技術(shù)、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均為了查明和研究地面沉降區(qū)的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件和對(duì)開采地下資源引發(fā)的地面沉降而編制。針對(duì)礦山企業(yè)并沒有直接適用于實(shí)際操作的規(guī)范文件。因此，本項(xiàng)目針對(duì)吳莊鐵礦的地表較為復(fù)雜的情況，對(duì)如何開展沉降監(jiān)測(cè)作出較為深入的研究，提出較為合理可行的方案，為其他類似礦山的地表沉降監(jiān)測(cè)提供參考。

1 沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目概況

吳莊鐵礦位于徐州北35 km，緊靠津浦鐵路沿線，西臨微山湖。區(qū)內(nèi)交通方便，采煤電力工業(yè)發(fā)展較快，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，其前身為徐州利國(guó)鐵礦，該礦成立于1949年10月，是個(gè)開采歷史悠久的老礦山。

吳莊鐵礦從2002年礦山開采以來，并沒有進(jìn)行地表沉降的監(jiān)測(cè)，前期礦山井下涌水很大，涌水量在1 200 m3/h左右，2008年經(jīng)過帷幕注漿，采礦方法改用充填法采礦等措施后，井下涌水逐步穩(wěn)定在300 m3/h左右。為了能夠了解礦區(qū)開采對(duì)地表沉降的影響，及時(shí)掌握礦區(qū)地表的移動(dòng)范圍，同時(shí)補(bǔ)充完善安全避險(xiǎn)六大系統(tǒng)中對(duì)于地壓監(jiān)測(cè)的要求，需要對(duì)地表沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)的環(huán)境分析

2.1 礦山開采環(huán)境

吳莊鐵礦位于江蘇省徐州市北38 km,座落在銅山縣利國(guó)鎮(zhèn)內(nèi)。由于礦體埋藏較深，開采方式為地下開采。礦區(qū)內(nèi)含水層主要為奧陶系寨山至晁所組、石炭系太原組碳酸鹽巖類巖溶裂隙水，礦井涌水量可達(dá)38 400 m3/d。礦山一期開采深度范圍-280～480 m，采用下盤豎井開拓，設(shè)計(jì)規(guī)模為鐵原礦50萬t/a，主井下設(shè)破碎系統(tǒng)，用底卸式單箕斗提升礦石。副井為雙層雙車單向罐籠帶平衡錘提升。主副井布置在礦體西側(cè)，間距50 m。全井共設(shè)計(jì)了4個(gè)開采中段，深度分別為-330、-380、-430、-480 m，設(shè)計(jì)服務(wù)年限30 a。

初步設(shè)計(jì)采用分段礦房法開采(6+4)～(4+2)線南部礦體，為了保護(hù)地表，圍巖不允許崩落。設(shè)計(jì)采用條帶法回采，即礦塊劃分為礦房和礦柱，回采礦房，留規(guī)則的間柱和底柱，用以支撐采空區(qū)的圍巖，防止圍巖崩落，從而不使地表陷落。

2008年后，礦山更改采礦方法為分段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V方法，礦山建立了地表充填站和井下充填管路。充填至今回采率得到了提高，對(duì)于井下涌水的封堵也取得了良好的效果。目前礦山已經(jīng)開采至-480 m水平，沉降區(qū)見圖1。

圖1 采礦對(duì)地表的影響范圍

2.2 礦區(qū)地表環(huán)境

吳莊鐵礦地表平坦，地表標(biāo)高在+35 m左右，礦體北側(cè)為吳莊。礦區(qū)地表水不發(fā)育，但灌溉渠道縱橫交錯(cuò)，稻田廣布，農(nóng)田灌溉對(duì)地下水有明顯的影響。礦體的正上方為耕地，地表不允許塌陷。

3 研究?jī)?nèi)容、需要解決的問題及措施

3.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

影響地表沉降的因素有很多，表示沉降的參數(shù)也比較多。地表沉降監(jiān)測(cè)定的監(jiān)測(cè)線點(diǎn)中，需要計(jì)算出下沉值w、傾斜值i、曲率k、水平移動(dòng)u、水平變形e和下沉速率v，見表1。

表1 地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)變量

為計(jì)算以上地表移動(dòng)參數(shù)，需要監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目有各個(gè)控制點(diǎn)和工作點(diǎn)的起始高程、采動(dòng)后高程，起始間距、采動(dòng)后間距。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)(線)布置遇到的問題

一般監(jiān)測(cè)線設(shè)置遵循以下原則。

(1)盡量將監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置成直線的形式。

(2)監(jiān)測(cè)線遵循地形及開采情況而定，沿走向和傾向各設(shè)置1條，并且相互垂直。走向監(jiān)測(cè)線應(yīng)當(dāng)依據(jù)最大下沉角θ求得的主斷面位置確定。

(3)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在預(yù)計(jì)的移動(dòng)盆地主斷面上，或者通過最大移動(dòng)和變形的斷面上。

(4)監(jiān)測(cè)線長(zhǎng)度應(yīng)在兩端或者至少一端超出采動(dòng)影響范圍，以便確定采動(dòng)影響邊界。

(5)監(jiān)測(cè)點(diǎn)盡量布置在不受采動(dòng)影響的地方，每條觀測(cè)線兩端設(shè)置不少于3個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)間距一般為50 m[1]。

(6)監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般等間距布置，間距隨著采深的增加而加大。采深超過300 m時(shí)，間距增大到50 m。本礦區(qū)地表大部分為平坦的農(nóng)田，南面有灌溉用引水渠，水渠常年有水，最寬處超過20 m；北端為居民區(qū)，不允許塌陷和移動(dòng)；西側(cè)有鄉(xiāng)道。根據(jù)徐州氣象資料，本礦區(qū)最大凍土深度為24 cm。這么復(fù)雜的條件給監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置帶來了挑戰(zhàn)。

監(jiān)測(cè)線的布置既要考慮到充分體現(xiàn)地表可能的最大形變區(qū)，又要兼顧監(jiān)測(cè)點(diǎn)便于保存和測(cè)量。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)石的埋設(shè)在本次監(jiān)測(cè)方案中也存在問題，由于地表為村莊、水渠和水田，標(biāo)石的埋設(shè)存在以下問題。

(1)農(nóng)田耕種深度為0.6 m，標(biāo)石的埋設(shè)不應(yīng)影響耕種，同時(shí)還需要抵御耕作對(duì)測(cè)量精度的影響。

(2)村莊道路為水泥和瀝青硬化路面，標(biāo)石的埋設(shè)要考慮地層沉降傳至標(biāo)石。

(3)控制點(diǎn)距離礦區(qū)較遠(yuǎn)，控制點(diǎn)處的標(biāo)石要注意保護(hù)。

(4)地表有1條水渠，監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要跨過水渠，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置此處的監(jiān)測(cè)距離，同時(shí)滿足測(cè)量精度的要求。

3.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)礦體的賦存狀況和回采的情況，監(jiān)控區(qū)域?yàn)?個(gè)，K0與K4勘探線之間的4號(hào)礦體和K4與K8勘探線之間的3號(hào)礦體。其中4號(hào)礦體為主要監(jiān)測(cè)區(qū)域。

設(shè)計(jì)沿4號(hào)礦體南北走向布置1條監(jiān)測(cè)線V1，沿東西走向布置1條監(jiān)測(cè)線H1，見圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)線布置

V1監(jiān)測(cè)線沿地表南北鄉(xiāng)道Y276布置，南北長(zhǎng)約600 m。根據(jù)4號(hào)礦體的平面位置，預(yù)測(cè)的最大沉降點(diǎn)在y=34 000位置，為此增加1條南北線V2?？紤]到地表農(nóng)田情況，V2監(jiān)測(cè)線沿地表田埂中的土路布置。

東西監(jiān)測(cè)線H1沿東西布置，長(zhǎng)約800 m。監(jiān)測(cè)線H2沿東西布置，此線在地表可以沿地表小路布設(shè)。

其中，南北向的V1線和V2線均穿過了礦區(qū)南側(cè)的水渠。本次設(shè)計(jì)要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距要求30～50 m(工作測(cè)點(diǎn)間距根據(jù)平均采深H0來決定，本礦區(qū)內(nèi)各個(gè)區(qū)域的取值不再說明)，控制點(diǎn)間距為30 m，把2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在水渠兩岸，避開在水渠中設(shè)點(diǎn)。

東西向的監(jiān)測(cè)線跨越了多個(gè)田塊，為了減少租用村民的用地，這條線盡量布置在田埂上，東端布置在一片林地里。

通過實(shí)地考察，上述布置最大程度地減少了測(cè)量帶來的先天缺陷，同時(shí)還能保證礦區(qū)地表監(jiān)測(cè)符合規(guī)范要求。

3.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局發(fā)布的《地面沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)要求》(DD 2006-02)[2]中規(guī)定了10種標(biāo)石及其埋設(shè)尺寸。根據(jù)不同地貌特征標(biāo)石的類型和大小不一，見圖3。但本區(qū)內(nèi)標(biāo)石是在農(nóng)田、水渠、村莊和樹林上，根據(jù)當(dāng)?shù)氐母髑闆r，標(biāo)石埋設(shè)在地下且不能受到耕種的影響，同時(shí)還要考慮當(dāng)?shù)氐膬鐾燎闆r。根據(jù)上述條件，本案設(shè)計(jì)了一種水泥標(biāo)石見圖4。

圖3 不同類型的標(biāo)石舉例(單位：cm)

圖4 標(biāo)石埋設(shè)

觀測(cè)線上的控制點(diǎn)和工作點(diǎn)均需要埋設(shè)混凝土標(biāo)石，坑深不小于0.6 m。應(yīng)當(dāng)注意埋點(diǎn)位置在不易被破壞又便于觀測(cè)的地方。標(biāo)頭應(yīng)標(biāo)記觀測(cè)點(diǎn)記號(hào)，標(biāo)石埋設(shè)后需要穩(wěn)定7 d后才可進(jìn)行觀測(cè)。

3.5 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

監(jiān)測(cè)工作的基本內(nèi)容是用儀器定期測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)的位移量。首先要進(jìn)行連接測(cè)量，即測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)的初始平面坐標(biāo)和高程[3]。觀測(cè)全面測(cè)量包含以下內(nèi)容。

(1)觀測(cè)站各點(diǎn)的水準(zhǔn)測(cè)量。

(2)觀測(cè)站內(nèi)各測(cè)點(diǎn)之間距離測(cè)量。

(3)各測(cè)點(diǎn)偏離觀測(cè)線方向的距離測(cè)量。

(4)地表原有建筑物、構(gòu)筑物破壞情況的拍照(素描)、編錄。

受制于地表村莊和耕地的影響，布置的監(jiān)測(cè)線并非為直線，因此觀測(cè)點(diǎn)偏離觀測(cè)線方向的距離實(shí)際無法測(cè)量，此項(xiàng)本次設(shè)計(jì)不再要求必須測(cè)量。本研究不再論述測(cè)量的周期及技術(shù)要求。

3.6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)每次觀測(cè)所求的移動(dòng)變形值可作出移動(dòng)變形曲線，并可求出相應(yīng)的移動(dòng)參數(shù)，求出最大下沉角，采空區(qū)上側(cè)和下側(cè)方向移動(dòng)角、極限移動(dòng)角、裂隙角的方法，見圖5。監(jiān)測(cè)一定的周期后，形成文字報(bào)告和附圖。

圖5 觀測(cè)結(jié)果分析

吳莊鐵礦2019年2月20日完成了地表巖移監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)量的測(cè)量，在2019年分別在5月20日、8月20日和12月20日開展了3次測(cè)量。測(cè)得的變形量繪制圖表如圖6～圖9。

圖6 V1線ΔZ變形量

通過圖7～圖9的初步分析，2019年礦山的地表巖移仍處于初始階段，3個(gè)月內(nèi)的波動(dòng)幅度絕大多數(shù)在±5 mm內(nèi)[4]，考慮當(dāng)?shù)厮募镜乇韮鐾恋那闆r變化和測(cè)量精度的因素，可以判斷出礦山地表巖移活動(dòng)并未開始。礦山始終采用膠結(jié)充填法開采也是礦山巖移活動(dòng)不活躍的因素之一。

圖7 V2線ΔZ變形量

圖8 H1線ΔZ變形量

圖9 H2線ΔZ變形量

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)礦床開采往往造成巖體大規(guī)模移動(dòng)與地表的破壞。這不僅危及地下工程和地面建筑物，而且也給環(huán)境保護(hù)帶來嚴(yán)重的問題。所以在新建礦山時(shí)應(yīng)考慮地表下沉的控制方法。目前，地層控制最有效的方法是膠結(jié)充填和留保安礦柱。但上述方法并非在任何開采條件下都是可行的。因此，在生產(chǎn)中必須預(yù)測(cè)和圈定地表移動(dòng)范圍，將建筑物、構(gòu)筑物均布置在巖層移動(dòng)范圍之外，而且為了合理利用土地和礦產(chǎn)資源，需要預(yù)先評(píng)價(jià)巖體和地表的破壞程度[5]。

(2)目前并沒有完整計(jì)算巖移范圍的方法，地表監(jiān)測(cè)作為一種可靠、可行的手段顯得尤為重要。通過地表監(jiān)測(cè)，可以提供地面初始下沉與開采深度、時(shí)間的關(guān)系，地表塌陷規(guī)律，巖體移動(dòng)參數(shù)，地表移動(dòng)隨開采深度變化的特性，地表下沉與覆蓋巖層厚度及上下盤圍巖強(qiáng)度的關(guān)系等。

(3)吳莊鐵礦監(jiān)測(cè)方案研究針對(duì)礦山的地表沉降監(jiān)測(cè)及復(fù)雜情況下監(jiān)測(cè)線、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和標(biāo)石的具體問題提出了較好的解決方案，其監(jiān)測(cè)結(jié)果也為礦山安全合理地開采、為井巷工程及地表建筑物的保護(hù)提供了有說服力的參考。