錫礦山銻礦區地面變形監測點布置與數據分析

梅金華，蘭建梅

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙 410007）

錫礦山銻礦區地面變形監測點布置與數據分析

梅金華*，蘭建梅

（湖南省地質環境監測總站，湖南 長沙 410007）

以冷水江錫礦區的地質環境條件為基礎，結合監測區采空區的分布特征，布設了以GPS、全站儀和水準儀聯合監測的地表變形監測網。通過前期監測數據分析和變形機理研究，對監測網點進行了有效優化，并提出了地表變形監測網點布設的總體思路，為同類礦山開展變形監測提供了參考依據。

地面變形；監測點布置；數據分析

0 引言

國外在20世紀80年代開始就利用GPS對礦區地面變形進行監測，如美國、瑞士、韓國、澳大利亞等發達國家已經做了很多工作，特別是單體礦山已經達到真正實時監測的階段。我國目前已將GPS 、TDR、光纖光柵位移與應變、鉆孔傾斜等技術應用于滑坡、大壩、城市地面變形和礦區地面沉降，并已在水電、鐵路、公路、礦山等部門對數百個地面塌陷區進行了長時間的監測。

2009年國土資源部啟動了“國家級地質環境監測與預報”項目，選擇湖南省冷水江市錫礦山地區作為全國首個礦山地質環境監測示范區，開展金屬礦山地質環境監測預警研究和示范區建設工作，本文以該課題研究為基礎，對寶大興采空地面變形區監測點布置與數據分析進行系統地總結與分析，可為同類型金屬礦山變形監測提供參考。

1 區域背景

1.1 地質背景

錫礦山是世界著名的“銻都”，開采歷史悠久，大面積采空導致地表出現大范圍沉陷、塌陷等地質災害，對人民群眾生命財產安全構成嚴重威脅。主要采空區有：寶大興采空區、南冶煉廠采空塌陷區、株木山采空塌陷區。本次地面變形監測示范區位于錫礦山銻礦區中北部寶大興塌陷區，其地表范圍為：北起錫局一中，南至錫礦山礦務局建安公司、工人文化宮一帶，東西寬窄處150 m，寬處400 m，南北長1600 m，監測區域覆蓋面積為0.53 km2。

錫礦山銻礦區出露的地層主要有：下石炭統，灰巖夾砂頁巖為主，巖溶發育中等，巖石完整性較好，對區內礦業活動影響小至較小；中上石炭統壺天群，以灰巖及白云巖為主，穿層裂隙間距一般大于1.5 m，巖體完整性好，巖溶較發育，對區內礦業活動影響小；上泥盆統錫礦山組，主要為中厚層泥晶灰巖，夾砂質灰巖，上部夾頁巖，該層巖溶發育，常見溶斗、溶洞，裂隙較發育，對礦山地面建筑有一定影響；上泥盆統余田橋組，上部為頁巖段地層，是礦山銻礦體頂部封蓋層，對礦床開采影響較大；中部為灰巖段地層，為主要含礦地層，一般情況下巖體完整性好、穩固性較好，但靠近礦化部位經常出現層間破碎帶，對礦體開采工程地質影響較大；下部為砂巖段地層，以似層狀白云母砂巖、粉砂巖為主。

錫礦山銻礦區構造復雜：平面展布為一軸向北東30°，向南北兩端傾伏的半邊背斜（稱錫礦山背斜），其西翼有F75斷裂，東翼有煌斑巖脈穿切和北東向斷裂。半邊背斜內北東向次級褶皺發育，呈左行雁列展布，其軸向為北東45°。區內主要斷裂以F75為代表，它是由數條彼此平行的裂面所組成的斷裂帶，走向北東30°、傾向北西、傾角45～70°，長約20 km；斷裂面上陡下緩，最寬40～60 m、最窄只有1～2 m；斷距各處不一，最大達900余米（艷山紅），往南北兩端逐漸變小，對礦田成礦起主要控制作用。

錫礦山為以充填為主、交代為輔的中低溫熱液礦床，受地層層位及構造破碎帶控制控制，呈層狀或似層狀產出。礦體多以泥質巖層、頁巖層為礦體頂板，而礦體底面具穿層現象。從礦體與地層層位關系上看，層狀礦體集中在佘田橋組中段上部中，隨著層位變低，礦體規模變小，連續性變差。

1.2 采空區分布特征

寶大興地區總面積1.6 km2，其中采空區面積0.5 km2，該區屬老礦山礦床的中部地段，礦體位于F72和F3斷層之間，似層狀產出，傾向南東、走向北東，傾角一般小于45°，礦體厚薄不均，厚者大于6 m，薄處0.5 m，均厚2 m左右，于2000年閉坑停采。

采空區的分布特征與礦體的分布特征具有一致性，礦體呈現似層狀產出，且隨離F75斷層距離加大礦體逐漸變小。開采范圍內千瘡百孔，采空區上下重疊，縱橫交錯。累計采空區體積約20 萬m3左右，單個采場最大面積達1400 m2，空區體積達8000 m3，有些采空區已與地表塌透貫通，有些相鄰的采空區逐漸連成一片；并且礦山正向深部開采，使其采空區規模不斷擴大。采空區上部覆巖厚度最薄處不足15 m，一般100 m左右。

1.3 地面變形特征

據觀測資料，寶大興地區地面沉降最大值5 cm，一般2～3 cm。該區共有房屋1239棟，居民8878人，由于地面下沉，房屋開裂現象普遍，已受損1012棟，受損率82%，受損房屋主要分布于長龍界、陶塘居委會、光榮居委會、礦務局居委會、譚家居委會、新生村一組、洞下村、礦山中學、礦山鄉政府等地。

錫礦山自開采100多年來，寶大興地區有記錄發生的規模較大的突發性地面塌陷41起，歷史上造成了300多人傷亡。近年來，該地區地面塌陷活動加劇，呈頻發態勢。2002年6月，寶大興光榮居委會肖家嶺地段發生塌陷，塌坑直徑80余米，深30余米，地面所有建筑全部被破壞，并造成山體開裂及滑坡；2009年5月，陶塘一組塌陷，寬1 m，深2 m。

2 地面塌陷監測點的布置與優化

2009～2010年底，在寶大興0.53 km2的巖移盆地范圍內共布設地面塌陷監測點123個，監測點由基準點、工作基點、監測點組成。基準點采用已有的3個國家級基準點，在未受開采影響的區域布設全站儀工作基點10個，地表變形監測點110個。監測點沿礦體走向和傾向布置，按網格狀布設。

地表監測網建立后，定期開展了地面塌陷監測工作。其中2009年共完成地表位移監測1次、2010年共完成地表位移監測6次，監測測頻率為2月/次。根據2009～2010年的監測數據特征分析，監測區整體基本穩定，但局部仍存有塌陷。在充分研究區內地面塌陷機理研究的基礎上，2011年開展了地表位移監測網的優化工作，由原來的110個監測點優化為30個左右（監測點優化前和優化后布置見圖1），監測手段仍以為GPS、全站儀和水準儀聯合監測為主，監測頻率仍為2月/次。重點沿觀測線方向布置監測點，并劃分出重點監測區和普通監測區。在五窿道附近如紅軍舊址，陶塘街和礦山小學等建筑物密集的重點監測地區測點加密，增設監測樁14個，其中基準點1個，普通地表位移監測樁13個，其中紅軍舊址處新增設10個監測樁，礦山小學處新增加3個監測樁，監測點距、線距為30～50 m；普通監測區觀測間距為100～200 m。

圖1 寶大興地區采空區地表位移監測點布置圖（優化前和優化后對比）Fig.1 Layout of Ground displacenment monitoring points of Baodaxing Goaf（Comparison before and after optimization）

3 監測數據分析

以2009年12月第一期監測數據為基準，根據2010～2014年監測區部分期次地表水平位移和累計沉降量觀測數據資料統計，截至2014年12月研究區內監測點中水平位移變形最大的為（GB04）4.2 cm，從橫、縱坐標X、Y方向位移量統計來看，X方向東偏和西邊監測點數目相當，Y方向監測點以南偏居多；沉降變形最大的為礦山小學附近（J60），累計沉降量為5.8 cm，平均累計沉降量為1.5 cm。監測結果表明，研究區內大部分區域基本穩定，局部地區仍發生了較大沉降，沉降量和往年監測結果持平沉降速率呈降低趨勢，年平均沉降量為1.2 cm左右，沉降面積變化不大。

南北縱向沉降量變化：南起陶塘居委會，北至礦山小學，全長500 m，縱穿陶塘街，共設監測點21個。從獲得的數據分析：自陶塘居委會至礦山小學，出現兩個地面沉降中心，即紅軍舊址和礦山小學，地面沉降量分別為34 mm和58 mm，自兩個沉降中心向外沉降量逐漸減少，多在10～20 mm之間。

東西縱向沉降量變化：東起陶塘居委會，西至礦山鄉政府后山K12，共設監測點6個，從獲得的數據分析：出現兩個地面沉降中心，即紅軍舊址和礦山小學，地面沉降量分別為24 mm 和52 mm。自兩個沉降中心向外沉降量逐漸減少，多在0～20 mm之間。

將2009-2014年累計沉降量觀測數據繪制成地面沉降量平面等值線圖（圖2）如下：

圖2 研究區2014年12月監測點累計下沉量等值線圖Fig.2 Contour map of cumulative settlemfent of monitoring points in December 2014

4 總結

本文以冷水江錫礦山銻礦區2009～2014年地面變形監測數據為基礎，對監測點的布置進行了分析研究，根據監測數據分析，監測點須沿礦體走向和傾向方向布置觀測線，但監測點的布置可以根據以下原則進行監測點優化：（1）把監測重點集中在礦體埋藏較淺，礦體頂板厚度較小，采深/采厚小于30，巖性主要以破損程度較大的頁巖的地區；（2）地面變形較明顯的地段提高監測的頻率、密度、精度；變形不明顯的地段降低監測頻率；（3）不穩定區域需根據采空區資料（地質雷達探測資料），加密監測樁密度，由原來的50～100 m增至30～50 m；（4）經濟最優化原則。

從監測結果來分析，研究區已形成了以紅軍舊址、礦山小學為中心的兩個明顯的沉降區，礦山小學沉降量最大，超過52 mm；其外圍橢圓形地段的沉降量在20～30 mm之間，主要分布在紅軍舊址和礦山小學周邊，20～30 mm的沉降區明顯加大。在以后的監測工作中應加強重點監測區的監測。

/reference

［1］ 張兵.礦山地表移動變形靜動態預計系統研究與開發［D］.中國礦業大學（北京）碩士論文，2005.

［2］ 高均海.煤礦區地表沉陷監測的GPS與D-InSAR關鍵技術研究［D］.中國礦業大學（北京）博士論文，2008.

［3］ 胡熊偉.湖南錫礦山超大型銻礦床成礦地質背景及礦床成因［D］，中國地質科學院研究生部博士論文，1995.

［4］ 傅鶴林，周中等.地質災害預測預報國內外現狀，湘南學院學報，第27 卷第2 期，2006 年.

資料來源于：＜＜典型金屬礦山地面塌陷監測技術研究>>科研項目.

Layout of the Ground Deformation Monitoring and Data Analysis in Xikuangshan Antimony Ore Zone

Mei Jinhua，Lan Jinamei
（General Geological Environmental Monitoring Station of Hunan，Changsha Hunan 410007）

Basing on geological environmental conditions of stannary area in Lengshuijiang，and combining with the distribution characteristics of mined-out area in the monitoring region，we established surface deformation monitoring network with GPS，total-station and leveling instruments.Through the analysis of monitoring data in early stage and the research of deformation mechanism，the monitoring network has been optimized effectively.Moreover，the author presents an overall thought of the network layout for monitoring surface deformation，which also could be used as a reference for sim ilar mines to carry out the deformation monitoring.

ground deformation； monitoring point arrangement； data analysis

P208

A

1672-5603（2016）02-036-4

*第一作者簡介 梅金華，女，1972年生，地質調查與礦產勘查高級工程師，現任湖南省地質環境監測總站礦山室主任，從事礦山地質環境調查評價與監測。E-mail:292381529@qq.com

2016-4-21；改回日期：2016-5-10。