方德求

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設有限公司)

冬瓜山銅礦老鴉嶺礦段地表沉降監(jiān)測

方德求

(銅陵有色金屬集團銅冠礦山建設有限公司)

冬瓜山銅礦老鴉嶺礦段經(jīng)過多年開采已經(jīng)進入到殘礦回收階段，遺留了大量采空區(qū)，存在地表塌陷的風險。為此，采用GPS監(jiān)測系統(tǒng)觀測地表沉降變形，通過分析各個監(jiān)測站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)評價采空區(qū)的穩(wěn)定性并進行現(xiàn)場調(diào)查，結果表明，地表沉降GPS監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效監(jiān)測采空區(qū)的穩(wěn)定性。

采空區(qū)穩(wěn)定性 沉降監(jiān)測 GPS監(jiān)測系統(tǒng)

經(jīng)過多年開采，冬瓜山銅礦老鴉嶺礦段已經(jīng)進入殘礦回收階段，為了安全開采余下的礦體，有必要建設一套地壓監(jiān)測系統(tǒng)。為此，分別從老鴉嶺礦段地質條件、現(xiàn)場開采狀況、空區(qū)分布狀況以及地表形態(tài)等方面設計地表沉降監(jiān)測方案，并進行布點優(yōu)化[1-2]。

1 地質條件及生產(chǎn)概況

1.1 地質條件

老鴉嶺礦段共有大小礦體144個，其中主要礦體3個，次要礦體4個，其余均為小礦體和零星礦體，主要礦體形狀為似層狀和透鏡狀。礦體呈NNE—NE走向，礦體傾向在軸部受青山背斜雙峰影響，變化很大，翼部礦體北西翼傾角較陡，為50°～80°，南東翼較緩，為10°～30°。老鴉嶺礦段結構面呈多枝發(fā)展態(tài)勢，各種巖石均出現(xiàn)2組以上的優(yōu)勢結構面，節(jié)理頻數(shù)較大，平均節(jié)理間距多在0.4 m以下。上述地質條件導致了老鴉嶺礦段巖體較破碎。

1.2 生產(chǎn)概況

老鴉嶺礦段-280 m中段以上礦體已于2005年底全部回采結束，-310 m中段也將回采完畢，正處于回采掃尾階段，生產(chǎn)能力為100 t/d。目前，該礦段已進入深部開采，生產(chǎn)主要集中在-390 m中段，開采主礦體D-1及次礦體G-1等礦體，規(guī)劃生產(chǎn)能力250 t/d。-430，-460，-490，-520 m等中段正在施工生產(chǎn)開拓工程。采用分段空場法開采，中段高度30 m或40 m，鑿巖高度8～10 m，采場一般垂直于礦體走向布置，長為礦體厚，一般寬12.5 m，采用漏斗電耙出礦，在礦體較薄處采用淺孔采礦。在回采不同中段同一礦體時一般留有3～6 m的水平隔離礦柱分隔上下采空區(qū)。該礦段單個采空區(qū)的規(guī)模相對較小，空區(qū)也較分散。由于礦體呈多層樓式分布，采空區(qū)相應亦呈多層樓形式分布，位于地表淺部-40 m以上的部分采空區(qū)已塌落至地表，在地表形成塌陷坑。老鴉嶺礦段開采后形成的采空區(qū)主要分布于-40～-390 m中段7#～14#勘探線，除了-190～-220 m標高的部分采空區(qū)進行了膠結或尾砂充填外，其余的采空區(qū)都未處理。各中段的采空區(qū)體積分布情況見表1。

表1 老鴉嶺礦段采空區(qū)體積分布

2 方案設計

2.1 地表沉降GPS監(jiān)測系統(tǒng)

老鴉嶺礦段的地表沉降GPS監(jiān)測系統(tǒng)由GPS監(jiān)測單元(傳感器系統(tǒng))、數(shù)據(jù)通訊單元、數(shù)據(jù)處理與控制單元(GPSensor軟件部分)等3部分組成。監(jiān)測單元跟蹤GPS衛(wèi)星并實時采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過GPRS無線通訊傳輸至控制中心，控制中心相關的GPSensor軟件對數(shù)據(jù)進行處理分析，實時監(jiān)測礦區(qū)的地表變形。系統(tǒng)各部分功能：①傳感器系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)即GPS監(jiān)測單元，通過GPS來反應結構響應，以數(shù)字信號反饋給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)通訊，通過無線方式傳輸GPS采集的數(shù)據(jù)至控制中心；③數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)，實時接收并處理工作站系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并對原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)進行顯示、在線評估及預警。

變形監(jiān)測網(wǎng)絡中的每臺GPS接收機都同時輸出GPS的原始數(shù)據(jù)格式，通過GPRS無線通訊傳至控制中心?？刂浦行母鶕?jù)每臺GPS接收機對應的S/N號，將獲得的每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)存儲至服務器上，供軟件處理，實時顯示出采空區(qū)的地表沉降值。

2.2 布點設計

根據(jù)老鴉嶺礦段采空區(qū)形狀、采空區(qū)上部地表地形狀況以及GPS監(jiān)測系統(tǒng)的特性，監(jiān)測單元由1個參考站和10個監(jiān)測站組成。冬瓜山銅礦老鴉山地表沉降共布置10個GPS自動化監(jiān)測點，每個斷面分布3～4個監(jiān)測點。監(jiān)測區(qū)共包括4個滑坡斷面，分別為DM-1、DM-2、DM-3、DM-4，整個選點過程兼顧了GPS衛(wèi)星狀況與地質滑坡帶的分布。參考站布置于穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，監(jiān)測站布設于老鴉嶺礦段地表。

3 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)歷次GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，分別繪制了各個測點的水平位移值、垂直位移值與時間的關系曲線圖、三維變形值與時間的關系曲線圖以及三維變形矢量趨勢圖，其中，CQ-8點全年位移量與時間的關系曲線見圖1。各測點累積最大變形值(相對于基準點)見表2，各測點數(shù)據(jù)前后變化最大值見表3。

圖1 CQ-8點全年位移量與時間的關系曲線

表2 各測點累積最大變形值 m

由表2可知，X(北)方向最大累計位移發(fā)生在CQ-8點與CQ-10點處，達3 mm，而Y(東)方向累計位移量普遍達到了2 mm，H(垂直)方向最大累計位移發(fā)生在CQ-8點處，達到3mm。由表3可知，各個觀測點前后位移變化值均未超過4mm，且大多數(shù)位移突變方向與原方向相反。塌陷坑近點(如CQ-3)、較遠點(如CQ-1)數(shù)據(jù)偏大，且地壓監(jiān)測區(qū)域的西側與南側部分位移增量較其他區(qū)域稍偏大，即地表總體變形情況是由西到東，由南到北逐步趨于平緩。

表3 各測點數(shù)據(jù)前后變化最大值 m

綜合上述分析可知，老鴉嶺礦段的各個監(jiān)測點的水平位移不超過3mm，垂直位移不超過2mm，表明地表既無明顯裂隙產(chǎn)生(水平)也無明顯沉降發(fā)生(垂直)，且位移量變化率也較小，較為平緩穩(wěn)定，無突變現(xiàn)象，表明巖體層中受力狀況良好，未產(chǎn)生應力集中，可以認為巖土層并未進入大規(guī)模塑性變形階段，巖體并未發(fā)生破壞。

4 結 論

(1)地表位移增量最大值產(chǎn)生于CQ-8點處，大致是越靠近塌陷區(qū)中心，位移量越大，隨著測點與塌陷區(qū)距離的增加，位移變化逐漸變小，整個地壓監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，西向和南向的位移變化情況較東向和北向明顯。

(2)各個觀測區(qū)域位移量均偏小，無突變情況發(fā)生，且無持續(xù)的單向位移產(chǎn)生，總體發(fā)展趨勢較平緩，未出現(xiàn)明顯的應力加速集中破壞特征。結合現(xiàn)場觀察情況來看，該區(qū)域內(nèi)地壓活動基本處于平緩期，地表基本處于無沉降變形的狀態(tài)。

(3)建議繼續(xù)加強相關區(qū)域地壓活動的監(jiān)測，并建立精度較高的地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。

[1] 魏曉明，李長洪，張 棟.GPS技術在富全鐵礦地表沉降中的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(3)：42-43.

[2] 劉培正，胡永泉，張傳信，等.殘留礦柱回采及監(jiān)測點布置的研究[J].金屬礦山，2009(12)：56-60.

2015-03-14)

方德求(1962—)，男，工程師，244000 安徽省銅陵市北京路29號。