吴庄铁矿复杂地表沉降监测方法研究与实践

张 鹏 林晓飞 张传信

(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2.金属矿山安全与健康国家重点实验室；3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心；4.安徽工业大学建筑工程学院)

地表沉降监测是通过合理科学地布置观测点，运用高精度的测量仪器，按一定的时间周期和一定的测量顺序，测定地面高程，并对数据进行分析、归纳，得出高程随时间变化规律、趋势和突变的一项科研工作。

造成地表沉降的原因很多，地下开采(水、气、油、矿物)会引起地面下沉；在膨胀土、冰冻土层地区地面高程会随土中含水量的变化而变化；受地壳运动的影响地面高程也会发生变化。

岩层和地表移动的观测工作是了解和掌握地表移动规律的基本途径。监测的目的主要有以下几个方面。

(1)确定地表移动范围、岩层移动角。

(2)掌握地表移动盆地内主断面或某一方向的各种移动、变形值大小及分布规律。

(3)了解开采对地表岩移在时间上的影响，如地表发生岩移时间、发生危险变形时间及地表移动的总持续时间。

(4)验证采用某些减弱、阻止地表沉降措施的效果。

(5)通过实地调查和仪器观测，及时掌握采空区围岩及上覆盖层与地表的移动变化征兆，为地表建、构筑物的保护提供依据。

目前，地表沉降监测的各种技术、规范和标准均为了查明和研究地面沉降区的水文地质、工程地质条件和对开采地下资源引发的地面沉降而编制。针对矿山企业并没有直接适用于实际操作的规范文件。因此，本项目针对吴庄铁矿的地表较为复杂的情况，对如何开展沉降监测作出较为深入的研究，提出较为合理可行的方案，为其他类似矿山的地表沉降监测提供参考。

1 沉降监测项目概况

吴庄铁矿位于徐州北35 km，紧靠津浦铁路沿线，西临微山湖。区内交通方便，采煤电力工业发展较快，工农业生产发达，其前身为徐州利国铁矿，该矿成立于1949年10月，是个开采历史悠久的老矿山。

吴庄铁矿从2002年矿山开采以来，并没有进行地表沉降的监测，前期矿山井下涌水很大，涌水量在1 200 m3/h左右，2008年经过帷幕注浆，采矿方法改用充填法采矿等措施后，井下涌水逐步稳定在300 m3/h左右。为了能够了解矿区开采对地表沉降的影响，及时掌握矿区地表的移动范围，同时补充完善安全避险六大系统中对于地压监测的要求，需要对地表沉降进行监测。

2 地表沉降监测的环境分析

2.1 矿山开采环境

吴庄铁矿位于江苏省徐州市北38 km,座落在铜山县利国镇内。由于矿体埋藏较深，开采方式为地下开采。矿区内含水层主要为奥陶系寨山至晁所组、石炭系太原组碳酸盐岩类岩溶裂隙水，矿井涌水量可达38 400 m3/d。矿山一期开采深度范围-280～480 m，采用下盘竖井开拓，设计规模为铁原矿50万t/a，主井下设破碎系统，用底卸式单箕斗提升矿石。副井为双层双车单向罐笼带平衡锤提升。主副井布置在矿体西侧，间距50 m。全井共设计了4个开采中段，深度分别为-330、-380、-430、-480 m，设计服务年限30 a。

初步设计采用分段矿房法开采(6+4)～(4+2)线南部矿体，为了保护地表，围岩不允许崩落。设计采用条带法回采，即矿块划分为矿房和矿柱，回采矿房，留规则的间柱和底柱，用以支撑采空区的围岩，防止围岩崩落，从而不使地表陷落。

2008年后，矿山更改采矿方法为分段空场嗣后充填采矿方法，矿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，对于井下涌水的封堵也取得了良好的效果。目前矿山已经开采至-480 m水平，沉降区见图1。

图1 采矿对地表的影响范围

2.2 矿区地表环境

吴庄铁矿地表平坦，地表标高在+35 m左右，矿体北侧为吴庄。矿区地表水不发育，但灌溉渠道纵横交错，稻田广布，农田灌溉对地下水有明显的影响。矿体的正上方为耕地，地表不允许塌陷。

3 研究内容、需要解决的问题及措施

3.1 监测项目

影响地表沉降的因素有很多，表示沉降的参数也比较多。地表沉降监测定的监测线点中，需要计算出下沉值w、倾斜值i、曲率k、水平移动u、水平变形e和下沉速率v，见表1。

表1 地表移动监测变量

为计算以上地表移动参数，需要监测的项目有各个控制点和工作点的起始高程、采动后高程，起始间距、采动后间距。

3.2 监测点(线)布置遇到的问题

一般监测线设置遵循以下原则。

(1)尽量将监测点布置成直线的形式。

(2)监测线遵循地形及开采情况而定，沿走向和倾向各设置1条，并且相互垂直。走向监测线应当依据最大下沉角θ求得的主断面位置确定。

(3)监测点设置在预计的移动盆地主断面上，或者通过最大移动和变形的断面上。

(4)监测线长度应在两端或者至少一端超出采动影响范围，以便确定采动影响边界。

(5)监测点尽量布置在不受采动影响的地方，每条观测线两端设置不少于3个控制点，控制点间距一般为50 m[1]。

(6)监测点一般等间距布置，间距随着采深的增加而加大。采深超过300 m时，间距增大到50 m。本矿区地表大部分为平坦的农田，南面有灌溉用引水渠，水渠常年有水，最宽处超过20 m；北端为居民区，不允许塌陷和移动；西侧有乡道。根据徐州气象资料，本矿区最大冻土深度为24 cm。这么复杂的条件给监测点的设置带来了挑战。

监测线的布置既要考虑到充分体现地表可能的最大形变区，又要兼顾监测点便于保存和测量。

监测点标石的埋设在本次监测方案中也存在问题，由于地表为村庄、水渠和水田，标石的埋设存在以下问题。

(1)农田耕种深度为0.6 m，标石的埋设不应影响耕种，同时还需要抵御耕作对测量精度的影响。

(2)村庄道路为水泥和沥青硬化路面，标石的埋设要考虑地层沉降传至标石。

(3)控制点距离矿区较远，控制点处的标石要注意保护。

(4)地表有1条水渠，监测点需要跨过水渠，应当合理设置此处的监测距离，同时满足测量精度的要求。

3.3 监测点布置

根据矿体的赋存状况和回采的情况，监控区域为2个，K0与K4勘探线之间的4号矿体和K4与K8勘探线之间的3号矿体。其中4号矿体为主要监测区域。

设计沿4号矿体南北走向布置1条监测线V1，沿东西走向布置1条监测线H1，见图2。

图2 监测线布置

V1监测线沿地表南北乡道Y276布置，南北长约600 m。根据4号矿体的平面位置，预测的最大沉降点在y=34 000位置，为此增加1条南北线V2。考虑到地表农田情况，V2监测线沿地表田埂中的土路布置。

东西监测线H1沿东西布置，长约800 m。监测线H2沿东西布置，此线在地表可以沿地表小路布设。

其中，南北向的V1线和V2线均穿过了矿区南侧的水渠。本次设计要求监测点间距要求30～50 m(工作测点间距根据平均采深H0来决定，本矿区内各个区域的取值不再说明)，控制点间距为30 m，把2个监测点设置在水渠两岸，避开在水渠中设点。

东西向的监测线跨越了多个田块，为了减少租用村民的用地，这条线尽量布置在田埂上，东端布置在一片林地里。

通过实地考察，上述布置最大程度地减少了测量带来的先天缺陷，同时还能保证矿区地表监测符合规范要求。

3.4 监测点埋设

中国地质调查局发布的《地面沉降监测技术要求》(DD 2006-02)[2]中规定了10种标石及其埋设尺寸。根据不同地貌特征标石的类型和大小不一，见图3。但本区内标石是在农田、水渠、村庄和树林上，根据当地的耕作情况，标石埋设在地下且不能受到耕种的影响，同时还要考虑当地的冻土情况。根据上述条件，本案设计了一种水泥标石见图4。

图3 不同类型的标石举例(单位：cm)

图4 标石埋设

观测线上的控制点和工作点均需要埋设混凝土标石，坑深不小于0.6 m。应当注意埋点位置在不易被破坏又便于观测的地方。标头应标记观测点记号，标石埋设后需要稳定7 d后才可进行观测。

3.5 监测内容

监测工作的基本内容是用仪器定期测定观测点的位移量。首先要进行连接测量，即测定观测点的初始平面坐标和高程[3]。观测全面测量包含以下内容。

(1)观测站各点的水准测量。

(2)观测站内各测点之间距离测量。

(3)各测点偏离观测线方向的距离测量。

(4)地表原有建筑物、构筑物破坏情况的拍照(素描)、编录。

受制于地表村庄和耕地的影响，布置的监测线并非为直线，因此观测点偏离观测线方向的距离实际无法测量，此项本次设计不再要求必须测量。本研究不再论述测量的周期及技术要求。

3.6 监测结果分析

根据每次观测所求的移动变形值可作出移动变形曲线，并可求出相应的移动参数，求出最大下沉角，采空区上侧和下侧方向移动角、极限移动角、裂隙角的方法，见图5。监测一定的周期后，形成文字报告和附图。

图5 观测结果分析

吴庄铁矿2019年2月20日完成了地表岩移监测基础量的测量，在2019年分别在5月20日、8月20日和12月20日开展了3次测量。测得的变形量绘制图表如图6～图9。

图6 V1线ΔZ变形量

通过图7～图9的初步分析，2019年矿山的地表岩移仍处于初始阶段，3个月内的波动幅度绝大多数在±5 mm内[4]，考虑当地四季地表冻土的情况变化和测量精度的因素，可以判断出矿山地表岩移活动并未开始。矿山始终采用胶结充填法开采也是矿山岩移活动不活跃的因素之一。

图7 V2线ΔZ变形量

图8 H1线ΔZ变形量

图9 H2线ΔZ变形量

4 结 语

(1)矿床开采往往造成岩体大规模移动与地表的破坏。这不仅危及地下工程和地面建筑物，而且也给环境保护带来严重的问题。所以在新建矿山时应考虑地表下沉的控制方法。目前，地层控制最有效的方法是胶结充填和留保安矿柱。但上述方法并非在任何开采条件下都是可行的。因此，在生产中必须预测和圈定地表移动范围，将建筑物、构筑物均布置在岩层移动范围之外，而且为了合理利用土地和矿产资源，需要预先评价岩体和地表的破坏程度[5]。

(2)目前并没有完整计算岩移范围的方法，地表监测作为一种可靠、可行的手段显得尤为重要。通过地表监测，可以提供地面初始下沉与开采深度、时间的关系，地表塌陷规律，岩体移动参数，地表移动随开采深度变化的特性，地表下沉与覆盖岩层厚度及上下盘围岩强度的关系等。

(3)吴庄铁矿监测方案研究针对矿山的地表沉降监测及复杂情况下监测线、监测点和标石的具体问题提出了较好的解决方案，其监测结果也为矿山安全合理地开采、为井巷工程及地表建筑物的保护提供了有说服力的参考。