UMF系列探测仪器在矿山地面塌陷成因分析方面的运用——以湖南某多金属矿地面塌陷为例

周光辉

（湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007）

UMF系列探测仪器在矿山地面塌陷成因分析方面的运用
——以湖南某多金属矿地面塌陷为例

周光辉

（湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007）

湖南省矿产资源丰富，开发利用强度大，由矿业活动引发的矿山地面塌陷灾害时有发生，造成了较大的财产损失和人员伤亡。在灾害发生后，及时查明地面塌陷的成因，是进一步采取防治措施的重要依据。UMF系列探测仪器是通过地表探针接收来至地球内部的地下磁流体的电磁波信号，提取特征信息，综合分析得出探测结果。根据探测结果、地质环境条件及巷道部署情况，综合分析得出地面塌陷的具体成因。

矿山；地面塌陷；成因分析；探测仪器

本文是以湖南某多金属矿地面塌陷为例，运用UMF系列探测仪器的探测结果，结合矿区地质环境条件和矿山巷道部署情况，综合分析得出地面塌陷的具体成因。

1 地面塌陷基本情况

2012年10月11日郴州市某多金属矿发生地面塌陷，塌陷产生的3万m3泥石堵塞下方巷道，造成5名矿工被困井下，1名矿工受伤。地表形成了一个长72 m、宽67 m、深17 m的塌陷坑。

地面塌陷坑位于该多金属矿的南部。塌陷坑呈椭圆形，长轴为72 m、短轴为67 m、可见深度为17 m。在塌陷坑的南侧和北侧分别伴随有3组和6组呈弧形的地面裂缝，裂缝长度在8～20 m之间、宽度为1～6 cm。塌陷坑面积为4800 m2，塌陷方量约为3万m3，规模为小型。

图1 地面塌陷坑，呈椭圆形Fig.1 Ground subsidence pit, oval

图2 地面塌陷坑周边的地面裂缝Fig.2 Surface cracks in the ground collapse pit

2 地质环境

2.1 地层岩性

塌陷坑下部地层依次为第四系（Q）、泥盆系中统棋梓桥组（D2q）、泥盆系中统跳马涧组（D2t）。

第四系（Q）：下部为由砾石、砂及粘土组成的残坡积，厚度约6 m；上部为该矿露天开采的剥离废弃土，主是由砂砾粘土，结构松散，厚度在17～20 m之间。

棋梓桥组（D2q）：为灰色厚层纹层状灰岩，生物屑云灰岩、中厚层层孔虫灰岩夹云灰岩，局部地段为白云质灰岩或白云岩，厚度约180～450 m。该地层为矿体直接顶板，是矿井开拓与采矿工程分布的主要地段。

跳马涧组（D2t）：该地层岩性为浅灰色厚层细粒石英砂岩、粉砂岩、页岩，底部为含砾石石英砂岩，上部夹1～2层（厚约0.5 m）的灰岩、白云质灰岩。

2.2 工程地质特征

棋梓桥组中的灰岩、生物屑云灰岩、层孔虫灰岩夹云灰岩，在地表浅部裂隙较发育，特别是地表以下的100 m深度内发育有溶洞，其裂隙与溶洞发育地段。

原生结构面特征：白云岩灰岩、石灰岩为厚层状，微晶至中细粒晶质结构，层间结构面间距较大，结构面较粗糙、结合较好，不易滑动；砂岩为厚－中厚层构造，层状结构面发育，结构面含泥质较多，较光滑，易于滑动。

次生结构面特征：白云岩、白云质灰岩、石灰岩中节理、裂隙较为发育，宽达0.1～1.0 cm，多被方解石及铅锌矿脉等所充填，多为闭合裂隙；砂岩中风化节理、裂隙较为发育，密度较大，一般1～10 cm可见一条，以剪切及张裂隙为主，裂隙充填较小，宽度小，岩体较破碎。

2.3 岩体风化带、岩溶发育特征

岩体风化带特征：区内岩体风化较强烈，强风化带深度一般为10～30 m，最深可达50 m，风化的白云岩、灰岩及砂岩极为破碎，f值在4～6以下。坚硬的矽卡岩、花岗斑岩在风化带中强度低，稳固性较差。

岩溶发育特征：地表及深部具岩溶现象，节理、裂隙较发育，宽达0.1～1 cm。据钻孔揭露，浅部裂隙较发育，随埋深增加裂隙发育程度逐渐减弱。该矿在开采过中曾遇到溶洞，体积在千余立方左右。

2.4 矿体围岩工程地质特征

矿体围岩主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩，岩石坚硬稳固，局部地段由于风化剥蚀、裂隙节理的破坏影响，使其稳固性降低。

2.5 塌陷坑附近矿体特征

1号含白钨矿、锡石、辉铋磁铁矿体赋存标高730～600 m；矿体以似层状或透镜状的形态产于矽卡岩的上部或矽卡岩中，为含铋和锡的磁铁矿矿体（局部地段含WO3）。矿体走向近于南北，其倾向与倾角受花岗岩体与棋梓桥组灰岩接触带所形成矽卡岩形态控制，变化较大。

2.6 周边矿山开采历史概况

该区域开采历史悠久，矿床开采技术条件复杂，在矿山上部老窿、采空区较多。塌陷坑区域范围内在2010年前为两个矿山采矿空间重叠区，整合以后为现该矿主要开采区。紧邻矿山有2个，开采标高分别为890～200 m、850～248 m。加之以前民采在浅部形成的采空区，在垂直空间上形成了多个层次的采空区，地下开采情况复杂（图3）。

3 UMF系列探测仪器探测及数据分析

3.1 探测方法原理

UMF系列探测仪器是在地表通过探针接收来自地下磁流体的电磁波信号，经探测电缆到地下磁流体探测仪，由探测仪提取特征信息并送上位机综合分析得出探测结果。

3.2 采空区探测原理

矿区地下岩石裂缝、溶洞（或采空区、老窑）中分充水（极低阻）、塌陷、全空（极高阻）等多种形式。UMF系列仪器以地下磁流体向地表发射的电磁波为信号源，通过探针和探测装置接收来自地球内部的电磁波，分析该电磁波穿透不同地质体所形成的不同信号。地下水的持续运动反馈到地面的电磁波是动态信息，固体矿产及岩层反馈的是静态信息，极低、高阻地质体对电磁波具有吸收、折射、反射等作用。

3.3 UMF探测仪探针部署

本次探测是围绕塌陷坑周围部署探针，以塌陷坑西侧11 m处为起点往南部署8处探针，编号依次为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8；起点往北部署8处探针，编号依次为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8，探针之间距离为4～10 m，探测深度为40～220 m（4）。

3.4 探测分析结论

据图5至图8探测数据图分析可得以下结论：

1）距地面高度约95～160 m（标高+665～+600 m）对应频率范围280.68～98.95 Hz，探针A1B1之间有裂隙信号，可能为采空区。

2）距地面高度约130 m（标高+630 m）对应频率为149.89 Hz，探针A8A7、A7A6、A6A5之间有裂隙信号，可能为巷道。

3）距地面高度约110 m（标高+650 m）对应频率范围为209.35 Hz，探针A1B1、B1B2、B3B4、 B4B5、B6B7、A8B8之间有裂隙信号，可能为巷道。

图3 地面塌陷周边矿山分析图Fig.3 Analysis of ground collapse

图4 探测点平面部署示意图Fig.4 Schematic diagram of the detection point plan

4）距地面高度约175 m（标高+585 m）对应频率为82.71 Hz，探针B5B6之间有水信号；距地面高度约200 m（标高+560 m）对应频率为63.33 Hz，探针B3B4之间有水信号；距地面高度约205 m（标高+555 m）对应频率为60.28 Hz，探针A1B1之间有水信号；距地面高度约210 m（标高+550 m）对应频率为57.44 Hz，探针A3A2之间有水信号。可能有地下水，流动方向为B5B6—B3B4—A1B1—A3A2。

5）距地面高度约90 m（标高+670 m）对应频率为312.73 Hz，探针B6B7、B7B8之间有水信号。

6）距地面高度约75 m（标高+685 m）对应频率为450.33 Hz，探针B6B7之间有水信号。

3.5 综合分析结论

1）根据探测结论在距地面高度约95～160 m（标高：+665～+600 m），可能为采空区，这一结论与矿体在该区域的垂直分布范围（+730～+600 m）吻合，与矿山生产巷道在该区域的垂直开采水平范围吻合（+640 m开采水平、+616 m开采水平）。

图5 探测数据图Fig.5 Detection data

图7 探测数据图Fig.7 Detection data

2）根据探测结论在距地面高度约130 m（标高+630 m），可能有巷道分布；距地面高度约110 m（标高+650 m），可能有巷道分布。这一结论与该矿在该区域巷道垂直分布（+640 m、～+610 m、+600 m）大致吻合。

4 成因总结

根据前面的分析，探测数据与实际的情况在矿体空间分布范围、矿山采空区范围、矿山开采巷道较吻合，说明在探测点A1B1之间地面下标高+665～+600 m部位存在采空区，产生地面塌陷的原因可能是矿山在开采过程中破坏了采空区的力学平衡，导致采空区顶板垮塌，引发了地面塌陷（图9、10）。

图6 探测数据图Fig.6 Detection data

图8 探测数据图Fig.8 Detection data

图9 仪器探测分析剖面图Fig.9 Analytical profle of instrument detection

图10 综合分析剖面图Fig.10 Comprehensive analysis section

[1]方先知.湖南省矿山地质环境问题成因分析[J].国土资源导刊,2005年第四期.

[2]曾玉清,李贵仁.湖南矿山地质环境问题的成因及变化趋势[J].国土资源导刊,2005年（理论与实践）.

[3]杨永田.河北省矿山开发对地质环境的影响及保护[J].中国煤炭地质,2009,21(S1): 4-5+25.

[4]刘晓龙,刘占宁.矿山地质环境综合评价方法研究[J].地质灾害与环境保护,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

*第一作者简介 周光辉，男，1982年生，工程师，从事水文地质、工程地质、环境地质调查与评价工作。E-mail: 283826031@qq.com

2016-11-6；改回日期：2016-11-23。