基于多參數綜合物探的礦山開采區塌陷隱患探測研究

張 哲

（山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014）

礦產資源是現代社會發展所需要的資源中非常重要的一部分，但由于礦山地質管理工作的延遲啟動和礦山產量的增加，缺乏完善的立法，導致個人違法亂紀開采礦山，環境破壞和污染日益嚴重，礦山地質災害日益突出。我國研究人員分析了采礦活動引起的環境問題，從力學的角度考察了地面沉降、沉降區坍塌等各種地質問題的形成機制，及其影響因素。在積極轉變經濟增長方式的同時，采取有針對性的填埋措施，在沉降區入口設置攔阻壩。從生態恢復工作入手，建立一整套適合礦區發展的管理制度。

1 基于多參數綜合物探的礦山開采區塌陷隱患探測

1.1 提取礦山開采區塌陷特征

地面塌陷隱患主要由地下巖溶和地下開采引起，地面沉降主要以地下熔融地形分布為主，地下開采地面沉降主要沿礦路蔓延。基礎規模可能不如地下巖溶引起的地面沉降，但地下開采引起的地面沉降往往是由人類直接活動引起的，其發生是突然的。地面塌陷主要是由于礦體開采后形成的，導致采巷上部未支護或支護結構老化，上方巖土低于支護結構或被破壞的剪應力大于上部基巖的剪切或抗拉強度，上部基巖和塊體將局部坍塌或彎曲。隨著礦區的擴大，移動的巖石和土層會不斷擴大，因此，也會在一定程度導致開采區塌陷。上部基巖和土體可形成三個帶：洞穴勘探區、裂縫區和彎曲變形區。這三個區域之間的界線不是很清楚，當然也可能無法同時看到。在塌陷區外緣區域，地表向盆地中心傾斜，引起拉伸變形。在拉伸變形嚴重時，地表就會出現拉伸裂紋。

開采地面沉降面積主要是由于礦山某年第一礦體采用地面沉降開采法，以及當地村民在地下（地上）非法開采所致。由于地面的人工開采活動，產生一定范圍的礦區，表層土層松散。在連續降雨條件下，土壤充滿水并增加重量，但土壤軟化并導致坍塌。此外，礦山排水形成的水由于侵蝕、運輸和水壓等動力條件，進一步誘發和加劇地表變形和塌陷。塌陷坑周圍的裂縫初步形成了地表水下滲的通道，因此雨季的雨水擴散成地表水，漏斗狀發展成盆狀，對中土施加水壓。地下水是地面塌陷的“催化劑”，在擴大塌陷坑平面面積的同時，降低了整個溶洞的強度參數。

1.2 測量地面高精度重力

根據前人理論可知，如果洞穴頂部的巖石和土壤密集地裂成塊狀或碎片，或者如果洞穴處于松散的土層中，則頂部會坍塌成拱形。對于破頂的洞穴或土洞的屋頂，如果洞內沒有水流動，體積就會松散膨脹。當它坍塌到一定高度時，洞穴就完全關閉了。此時，它被認為是一個洞穴。現在支持空間并且不再向上擴展。在雨季如果巖石結構完整，滲透率低，則對水體重量的影響可以忽略不計。選用CV-5重力儀測量地面高精度重力，采用校準系數標定法，雙向往復觀測法兩次重復觀測，臨時重力基點（編號C0，值為0）。調查區域被設置為所有區域的高程起點和重力測量點。對工作中使用的設備進行動態、靜態和一致性測試，以確保設備滿足工作需求，并確保測量數據真實可靠。在山區高原地區，布格重力是一個大范圍的負值。山體越高，負值的異常越大。實際觀測是地形改正和布基改正（高度改正和中級改正）。得到（包括）和正常場校正后的異常場，如下公式1所示。

公式1中：Δyo表示研究中的布格重力參數；Δyc表示對實際觀測值校正的地形區域；δyφ表示對實際觀測值的布格校正。通過去除該地區Bouguet重力異常的雙線性趨勢面異常，去除上地幔和下地殼產生的重力異常，留下上地殼巖石產生的重力，得到殘余重力，完成地面高精度重力的測量工作。反映了隱蔽花崗巖體的深層形態和局部地質構造中礦層密度變化的影響。

1.3 基于多參數綜合物探定位隱患位置

面對復雜的地區，特別是黃土覆蓋的地區，礦區山體地表凹凸不平，地形復雜多變，隱患分布不規則，埋藏深度較深。地震對巖體的影響有兩個。一是地震作用直接產生水平地震力，二是地震力的作用降低了結構面的力學參數。需要動態載荷下結構表面的特殊機械參數。弱化分析尚不成熟，現有分析正在考慮中。水平地震波場數值的表現形式，如下公式2所示。

公式2中：E表示在某一時刻；t表示處于二維空間上的某一點的位移；?、p、V分別表示拉梅系數。經過上述數值計算后，能體現出更全面的地質構造，以及更豐富的成巖信息，其中更全面的地質構造縱波信息，如下表1所示。

表1 各介質巖體縱波信息

根據地質構造以及豐富成巖信息的獲取，基于多種參數綜合物探的方法更便于精準定位礦山開采區塌陷隱患位置。

2 塌陷隱患探測試驗

2.1 試驗準備

本次試驗提取某處存在塌陷隱患礦區C，實驗前在c礦區內共打3個鉆孔，總進尺為94.8m，平均鉆進效率為12.77m/h。打孔中采用的鉆機設備為張家口探礦機械廠生產的SL-400A型全液壓履帶式動力頭鉆機。

2.2 塌陷隱患位置探測結果

為了驗證文中基于多參數綜合物探方法在塌陷隱患探測中的優勢，分別選取雷達探測方法、高光譜遙感影像探測方法（為方便表示分別設置為傳統方法1、傳統方法2），共同對C礦區塌陷特征及位置展開測試。三種探測方法探測得到的三維成像，如下圖1所示。

觀察圖1中三種方法探測的成像可知，傳統方法1探測出兩處塌陷隱患，傳統方法2探測出1處塌陷隱患，而文中多參數綜合物探方法，探測出多處塌陷隱患。因此，得出文中方法在塌陷隱患探測數量上均優于其他兩種傳統方法。

圖1 三種方法對C區的探測結果

3 結語

綜合物探技術是集合多種探測方法為一體的高效方法，通過長期的應用和不斷的改進，目前已被應用于各行各界探測中。本文根據礦山開采區塌陷特點，采用多參數綜合物探方法，根據試驗結果得出，文中方法在探測塌陷隱患數量上優于其他兩種傳統方法，適用于礦山開采區的塌陷隱患探測中。文中方法目前存在著探測時間長的缺點，針對這一問題，今后會進行相關研究工作。