D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.02.004 第30卷第2期 北京科技大学学报 Vol.30 No.2 2008年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2008 北名河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 蔡美峰李春雷谢谟文李晓璐 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要根据北洺河铁矿覆岩整体性差的特点，将基于地理信息系统(GIS)和概率积分法的MSDAS-GIS系统应用于采用无 底柱分段崩落法的金属矿山的开采沉陷预计·通过GS建模全面反映矿区的三维地理，地质信息及其内在属性，利用GS的 空间分析和图形显示功能对理论预计结果和现场监测结果进行综合分析，从而直观反映出开采沉陷对周围环境的影响程度 及范围. 关键词金属矿山：无底柱分段崩落法；开采沉陷：预计：地理信息系统：地表变形：概率积分法 分类号TD802 Subsidence prediction and surface deformation monitoring and analysis in Beim- inghe Iron Mine,China CAI Meifeng,LI Chunlei,XIE Mowen,LI Xiaolu School of Civil and Environment Engineering University of Science and Technology Beijing Beijing 100083.China ABSTRACT According to poor integrality of overlaying rock in Beiminghe Iron Mine,China.a research was done for predicting the subsidence of metal mines based on geographic information system(GIS)and probability-integral method.A three-dimensional(3D) calculating model related to geographic,geologic and inherent information was built.By using the effective spatial analytical function and the drawing tool of GIS,the analysis results intuitively show the degree and scope of mining subsidence. KEY WORDS metal mine:sublevel caving method without sill pillar:mining subsidence:prediction:geographic information system (GIS):surface deformation:probability-integral method 开采沉陷(mining subsidence)是地下矿山，特 数据，数据具有多源性和空间性特点[.现有开采 别是采用崩落法和空场法开采的矿山开采过程中出 沉陷预计模型的分析结果大多数以二维的剖面线或 现的普遍现象，它是由于地下开采引起岩层和地表 等值线图的形式输出，这种表达很不直观，不能 产生连续的移动、变形和非连续破坏的结果， 全面反映开采沉陷影响的时间性、空间性、动态性以 为了充分开采地下矿产资源，同时又最大限度 及和周围环境的关联性，因此如何利用计算机技术 地减少由于开采沉陷造成的损失，必须在开采前就 实现开采沉陷预测的动态化、可视化是亟待攻克的 开采过程中将出现的沉陷状况作一个正确的预测， 难题 以指导安全生产，在我国，开采沉陷预计的主要方 GIS的发展始于20世纪60年代，将空间数据 法有典型曲线法、负指数函数法、概率积分法和 处理、属性数据处理、空间分析与模型分析等技术与 数值分析法，概率积分法在煤矿开采沉陷预计中有 计算机技术紧密结合，具有很强的空间表现力-]， 很广泛的应用，但在金属矿山中应用很少 GIS能够对复杂的地球空间数据进行采集、储存、分 开采沉陷是一个复杂的时间一空间问题]，涉 类、检索查询、分析建模，从而为实现开采沉陷动态 及的资料、信息复杂繁多，既有井下、地面不同空间 化、可视化提供了一个不可多得的、多学科集成的基 位置的信息，又包括地质、采矿、基建、测绘等领域的 础平台.GS基本的空间分析能力不能满足复杂的 专业研究领域要求，但可以利用GS良好的集成技 收稿日期：2006-12-03修回日期：2007-01-24 术实现与专业模型在技术上的互补. 基金项目：国家“十五“科技攻关项目(Na,2004BA615A一18) 作者简介：蔡美蜂(1943一)，男，教授，博士
北 河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 蔡美峰 李春雷 谢谟文 李晓璐 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 根据北 河铁矿覆岩整体性差的特点将基于地理信息系统（GIS）和概率积分法的 MSDAS-GIS 系统应用于采用无 底柱分段崩落法的金属矿山的开采沉陷预计．通过 GIS 建模全面反映矿区的三维地理、地质信息及其内在属性利用 GIS 的 空间分析和图形显示功能对理论预计结果和现场监测结果进行综合分析从而直观反映出开采沉陷对周围环境的影响程度 及范围． 关键词 金属矿山；无底柱分段崩落法；开采沉陷；预计；地理信息系统；地表变形；概率积分法 分类号 TD802 Subsidence prediction and surface deformation monitoring and analysis in Beiminghe Iron MineChina CAI MeifengLI ChunleiXIE MowenLI Xiaolu School of Civil and Environment EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT According to poor integrality of overlaying rock in Beiminghe Iron MineChinaa research was done for predicting the subsidence of metal mines based on geographic information system （GIS） and probability-integral method．A three-dimensional （3D） calculating model related to geographicgeologic and inherent information was built．By using the effective spatial analytical function and the drawing tool of GISthe analysis results intuitively show the degree and scope of mining subsidence． KEY WORDS metal mine；sublevel caving method without sill pillar；mining subsidence；prediction；geographic information system （GIS）；surface deformation；probability-integral method 收稿日期：2006-12-03 修回日期：2007-01-24 基金项目：国家“十五”科技攻关项目（No．2004BA615A－18） 作者简介：蔡美峰（1943－）男教授博士 开采沉陷（mining subsidence） ［1］是地下矿山特 别是采用崩落法和空场法开采的矿山开采过程中出 现的普遍现象它是由于地下开采引起岩层和地表 产生连续的移动、变形和非连续破坏的结果． 为了充分开采地下矿产资源同时又最大限度 地减少由于开采沉陷造成的损失必须在开采前就 开采过程中将出现的沉陷状况作一个正确的预测 以指导安全生产．在我国开采沉陷预计的主要方 法有典型曲线法、负指数函数法、概率积分法［2］ 和 数值分析法．概率积分法在煤矿开采沉陷预计中有 很广泛的应用但在金属矿山中应用很少． 开采沉陷是一个复杂的时间－空间问题［3］涉 及的资料、信息复杂繁多既有井下、地面不同空间 位置的信息又包括地质、采矿、基建、测绘等领域的 数据数据具有多源性和空间性特点［4］．现有开采 沉陷预计模型的分析结果大多数以二维的剖面线或 等值线图的形式输出这种表达很不直观［5］不能 全面反映开采沉陷影响的时间性、空间性、动态性以 及和周围环境的关联性因此如何利用计算机技术 实现开采沉陷预测的动态化、可视化是亟待攻克的 难题． GIS 的发展始于20世纪60年代将空间数据 处理、属性数据处理、空间分析与模型分析等技术与 计算机技术紧密结合具有很强的空间表现力［6－7］． GIS 能够对复杂的地球空间数据进行采集、储存、分 类、检索查询、分析建模从而为实现开采沉陷动态 化、可视化提供了一个不可多得的、多学科集成的基 础平台．GIS 基本的空间分析能力不能满足复杂的 专业研究领域要求但可以利用 GIS 良好的集成技 术实现与专业模型在技术上的互补． 第30卷 第2期 2008年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．2 Feb．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．02．004
,110 北京科技大学学报 第30卷 2.2北洛河铁矿开采沉陷三维计算模型 1工程概况 计算采用日本九州大学环境工程科学研究中心 北洺河铁矿隶属于邯邢治金矿山管理局，其矿 开发的MSDAS-GIS系统).该系统是利用栅格技 体位于河北省武安市上团村北1km的北名河河床 术，通过对地表网格点进行计算来实现开采沉陷预 下，为国内典型的河床下赋存的大型地下金属矿山， 计的，由于北洺河铁矿一50m水平采场即将开采完 主矿体长1620m,宽92~376m,厚度40~160m不 毕，为方便与实际观测数据进行对比，取一50m水 等，双背斜构造，倾角6~60°，平均矿体埋深为 平采场为例进行预计，由于地表高程平均为280m, 136~679m,矿体形态在平面上为向南突出的“新 所以一50m矿体埋深为330m,近水平开采，倾角不 月形，地质储量为7909.71万t,采用无底柱分段 大于6°，其三维计算模型如图2所示 崩落采矿方法进行开采，设计年产量180万t,服务 年限为35a·经过几年的开采，开采沉陷引起岩层 -50m水平采场 公 与地表的剧烈移动，在措施井附近的地表形成两个 塌陷坑，其中较大的一个塌陷坑的塌陷区东西宽约 20m,南北宽约15m,造成措施井被迫废弃，靠近塌 通西风井公路 陷坑周边地表的裂缝很多，裂缝宽度最大的达到 400mm左右8]，严重的影响了安全生产，并对周边 环境造成了不良的影响.北名河铁矿离改道后的河 道距离比较近，如果对开采沉陷可能造成的危险不 北河 100200m 能进行可靠的预测，这种近水体采矿常常会发生淹 井事故，引起灾难性的后果，为减小开采沉陷造成 北河 的危害，必须进行较为准确的开采沉陷预计， 北名河铁矿上覆岩层整体性差，有近百米的砾 厂区及生活区 石层，且采用无底柱分段崩落法开采，地表仅一年多 即出现强烈的采动影响，造成覆岩的破碎和松散，因 此采用概率积分法对北名河铁矿进行开采沉陷预计 图1北名河铁矿空间模型 Fig.1 Space model of Beiminghe iron mine 是适当的.由于以上原因，本文采用基于GS和概 率积分法的MSDAS--GIS[]分析系统进行北名河开 采沉陷进行研究，指导安全生产 2基于GS的计算模型 2.1矿区GS空间模型建立 地表计算网格为 要实现北名河铁矿开采沉陷预计及其可视化， 10m×12m 采深为330m 必须先建立矿区GIS空间模型，在原始资料（矿区 -50m采场 地形图、矿区总平面图、采场平面图等)收集与整理 采厚为15m 基础上，把矿区CAD图形资料转换成为ARC/ INFO环境下的图形，转换后的图形数据还需要经 过一系列数据预处理，包括修改错误，建立正确的拓 扑关系，构造特征属性表，以及将特征属性与相应的 图2北名河铁矿三维计算模型 Coverage特征相连接，最终建立的北洺河铁矿GIS Fig.2 3D calculation model of Beiminghe iron mine 空间模型如图1所示 2.3 预计参数 由于GI$具有空间坐标与现实世界精确对应 一50m水平采场三维计算模型反映了矿体及 的特点，因此北名河铁矿GIS空间模型真实地反映 地表计算点的空间地理信息，但没有开采预计所需 了矿区实际的空间地理信息，并包含了与矿区相关 的计算参数，因此需通过MSDAS-GIS系统的前处 的属性信息，为北名河开采沉陷预计、分析及可视化 理功能把计算参数赋予三维计算模型，进行开采沉 奠定了良好的基础 陷预计主要用到五个参数：宽深比(W/H),下沉系
1 工程概况 北 河铁矿隶属于邯邢冶金矿山管理局其矿 体位于河北省武安市上团村北1km 的北 河河床 下为国内典型的河床下赋存的大型地下金属矿山． 主矿体长1620m宽92～376m厚度40～160m 不 等双背斜构造倾角 6～60°平均矿体埋深为 136～679m．矿体形态在平面上为向南突出的“新 月形”地质储量为7909∙71万 t采用无底柱分段 崩落采矿方法进行开采设计年产量180万 t服务 年限为35a．经过几年的开采开采沉陷引起岩层 与地表的剧烈移动在措施井附近的地表形成两个 塌陷坑其中较大的一个塌陷坑的塌陷区东西宽约 20m南北宽约15m造成措施井被迫废弃靠近塌 陷坑周边地表的裂缝很多裂缝宽度最大的达到 400mm 左右［8］严重的影响了安全生产并对周边 环境造成了不良的影响．北 河铁矿离改道后的河 道距离比较近如果对开采沉陷可能造成的危险不 能进行可靠的预测这种近水体采矿常常会发生淹 井事故引起灾难性的后果．为减小开采沉陷造成 的危害必须进行较为准确的开采沉陷预计． 北 河铁矿上覆岩层整体性差有近百米的砾 石层且采用无底柱分段崩落法开采地表仅一年多 即出现强烈的采动影响造成覆岩的破碎和松散因 此采用概率积分法对北 河铁矿进行开采沉陷预计 是适当的．由于以上原因本文采用基于 GIS 和概 率积分法的 MSDAS-GIS ［9］分析系统进行北 河开 采沉陷进行研究指导安全生产． 2 基于 GIS 的计算模型 2∙1 矿区 GIS 空间模型建立 要实现北 河铁矿开采沉陷预计及其可视化 必须先建立矿区 GIS 空间模型．在原始资料（矿区 地形图、矿区总平面图、采场平面图等）收集与整理 基础上把矿区 CAD 图形资料转换成为 ARC／ INFO环境下的图形．转换后的图形数据还需要经 过一系列数据预处理包括修改错误建立正确的拓 扑关系构造特征属性表以及将特征属性与相应的 Coverage 特征相连接．最终建立的北 河铁矿 GIS 空间模型如图1所示． 由于 GIS 具有空间坐标与现实世界精确对应 的特点因此北 河铁矿 GIS 空间模型真实地反映 了矿区实际的空间地理信息并包含了与矿区相关 的属性信息为北 河开采沉陷预计、分析及可视化 奠定了良好的基础． 2∙2 北 河铁矿开采沉陷三维计算模型 计算采用日本九州大学环境工程科学研究中心 开发的 MSDAS-GIS 系统［9］．该系统是利用栅格技 术通过对地表网格点进行计算来实现开采沉陷预 计的．由于北 河铁矿－50m 水平采场即将开采完 毕为方便与实际观测数据进行对比取－50m 水 平采场为例进行预计．由于地表高程平均为280m 所以－50m 矿体埋深为330m近水平开采倾角不 大于6°其三维计算模型如图2所示． 图1 北 河铁矿空间模型 Fig．1 Space model of Beiminghe iron mine 图2 北 河铁矿三维计算模型 Fig．2 3D calculation model of Beiminghe iron mine 2∙3 预计参数 －50m 水平采场三维计算模型反映了矿体及 地表计算点的空间地理信息但没有开采预计所需 的计算参数因此需通过 MSDAS-GIS 系统的前处 理功能把计算参数赋予三维计算模型．进行开采沉 陷预计主要用到五个参数：宽深比（ W／H）下沉系 ·110· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 蔡美峰等：北名河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 111 数(subsidence factor),主要影响角，水平移动系数 (horizontal factor)和时间系数(time factor) 原则上，下沉系数、水平移动系数、主要影响角 和时间参数均应根据实测数据确定，北名河铁矿是 一座新建矿山，只有半年左右的观测资料，观测是 在地表出现严重采动影响后进行的，从安全考虑，在 重要的最大下沉，点和拐点附近没有设观测点，由于 以上原因，很难仅通过实测资料来确定预计所需参 数，需综合考虑并在今后的实测资料基础上不断修 正预计参数 70140m 北洛河 3开采沉陷预计和地表变形分析 图4主断面位置 3.1开采沉陷预计 Fig.4 Place of main sections MSDAS-GIS系统可以对采场的不同采区进行 连续模拟开采，并将不同阶段开采沉陷情况动态表 对AB和CD两个主断面的沉陷值、斜率、曲 现出来.针对北名河铁矿开采实际情况，仅对 率、水平位移和水平变形及其相互关系进行进一步 一50m水平采场整体进行开采沉陷预计结果进行分 的分析，A、B、C、D四点均位于沉陷盆地边界上，A、 析，最终稳态沉陷盆地如图3所示 C两点分别为主断面AB和CD变形分析图中的 坐标原点，分析结果如图5所示. 从图5可以看出：AB主断面曲线为典型的开 开采沉路值mm 采沉陷剖面形式，斜率值、曲率值、水平位移值和水 ☐8043 8000-7000 平变形值均沿指向采空区方向从零逐渐增大，在 通西风并公路 ■7000-6000 6000-5000 150m处，曲率值和水平变形值均达到第1个正的 15000-4000 14000-3000 极大值，分别为0.6mmm-2和28mmm1.在200 30002000 2000-1000 m处，倾斜值和水平位移值均达到正的最大值，分别 北洛河 ■1000-10 为60mmm和2800mm;此时曲率值和水平变形 ■10-0 值均为零，随后地表倾斜值和水平位移值逐渐减 小，在280m处均为零；此时曲率值和水平变形值均 图3开采沉陷预计结果 Fig-3 Prediction results of mine subsidence 达到负的最大值，分别为一1.1mm·m-2和 -48mmm-1.地表倾斜值和水平位移值在370m 利用GIS空间分析功能对预计结果进行进一 处均达到负的最大值，分别为一58mmm一和一2 步分析可知，当一50m水平采场全部采完后，最终 750mm;此后，地表倾斜值和水平位移值逐渐增大， 稳态沉陷盆地范围波及到破选厂、团城乡铁矿、选厂 在590m处均为零.在420m处，曲率值和水平变形 和至玉石洼的公路，这四处地表的最大的沉陷值分 值均达到第2个正的极大值，分别为0.58mmm-2 别为2545,1708,1065和2150mm,最大倾斜分别 和27mm·m;此后，均逐渐减小在590m处均 为27,12,8和14mmm1,超过我国一般砖木结 为零， 构允许的临界变形值3mmm,因此上述区域内 CD主断面为非典型的开采沉陷剖面形式，经 的建筑物将发生严重破坏， 过分析，是由于采场的特殊形状造成的，采场沿 以地表沉陷10mm为界限，一50m水平采场开 CD剖面方向的断面尺寸不是相同的，而是先变大， 采完毕后，最终形成一个810m×565m的沉陷盆 再变小，正是由于这种断面尺寸效应形成了CD主 地，沉陷面积达35万m2.稳态沉陷盆地边界离河 断面特殊的剖面形式， 堤最近距离为138m,河堤未受到开采沉陷影响. 从图5可以看出：CD主断面曲线左侧仍为典 3.2地表变形分析 型的开采沉陷剖面形式，斜率值、曲率值、水平位移 取开采沉陷盆地两个主断面进行进一步的分 值和水平变形值均沿指向采空区方向从零逐渐增 析，主断面位置如图4所示. 大.在150m处，曲率值和水平变形值均达到第1
数（subsidence factor）主要影响角水平移动系数 （horizontal factor）和时间系数（time factor）． 原则上下沉系数、水平移动系数、主要影响角 和时间参数均应根据实测数据确定．北 河铁矿是 一座新建矿山只有半年左右的观测资料．观测是 在地表出现严重采动影响后进行的从安全考虑在 重要的最大下沉点和拐点附近没有设观测点．由于 以上原因很难仅通过实测资料来确定预计所需参 数需综合考虑并在今后的实测资料基础上不断修 正预计参数． 3 开采沉陷预计和地表变形分析 3∙1 开采沉陷预计 MSDAS-GIS 系统可以对采场的不同采区进行 连续模拟开采并将不同阶段开采沉陷情况动态表 现出 来．针 对 北 河 铁 矿 开 采 实 际 情 况仅 对 －50m水平采场整体进行开采沉陷预计结果进行分 析最终稳态沉陷盆地如图3所示． 图3 开采沉陷预计结果 Fig．3 Prediction results of mine subsidence 利用 GIS 空间分析功能对预计结果进行进一 步分析可知当－50m 水平采场全部采完后最终 稳态沉陷盆地范围波及到破选厂、团城乡铁矿、选厂 和至玉石洼的公路这四处地表的最大的沉陷值分 别为254517081065和2150mm最大倾斜分别 为27128和14mm·m －1超过我国一般砖木结 构允许的临界变形值3mm·m －1因此上述区域内 的建筑物将发生严重破坏． 以地表沉陷10mm 为界限－50m 水平采场开 采完毕后最终形成一个810m×565m 的沉陷盆 地沉陷面积达35万 m 2．稳态沉陷盆地边界离河 堤最近距离为138m河堤未受到开采沉陷影响． 3∙2 地表变形分析 取开采沉陷盆地两个主断面进行进一步的分 析主断面位置如图4所示． 图4 主断面位置 Fig．4 Place of main sections 对 A－B 和 C－D 两个主断面的沉陷值、斜率、曲 率、水平位移和水平变形及其相互关系进行进一步 的分析A、B、C、D 四点均位于沉陷盆地边界上A、 C 两点分别为主断面 A－B 和 C－D 变形分析图中的 坐标原点分析结果如图5所示． 从图5可以看出：A－B 主断面曲线为典型的开 采沉陷剖面形式斜率值、曲率值、水平位移值和水 平变形值均沿指向采空区方向从零逐渐增大．在 150m 处曲率值和水平变形值均达到第1个正的 极大值分别为0∙6mm·m －2和28mm·m －1．在200 m 处倾斜值和水平位移值均达到正的最大值分别 为60mm·m －1和2800mm；此时曲率值和水平变形 值均为零．随后地表倾斜值和水平位移值逐渐减 小在280m 处均为零；此时曲率值和水平变形值均 达到 负 的 最 大 值分 别 为 －1∙1 mm ·m －2 和 －48mm·m －1．地表倾斜值和水平位移值在370m 处均达到负的最大值分别为－58mm·m －1和－2 750mm；此后地表倾斜值和水平位移值逐渐增大 在590m 处均为零．在420m 处曲率值和水平变形 值均达到第2个正的极大值分别为0∙58mm·m －2 和27mm·m －1 ；此后均逐渐减小在590m 处均 为零． C－D 主断面为非典型的开采沉陷剖面形式经 过分析是由于采场的特殊形状造成的．采场沿 C－D剖面方向的断面尺寸不是相同的而是先变大 再变小正是由于这种断面尺寸效应形成了 C－D 主 断面特殊的剖面形式． 从图5可以看出：C－D 主断面曲线左侧仍为典 型的开采沉陷剖面形式斜率值、曲率值、水平位移 值和水平变形值均沿指向采空区方向从零逐渐增 大．在150m 处曲率值和水平变形值均达到第1 第2期 蔡美峰等： 北 河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 ·111·
,112 北京科技大学学报 第30卷 0 C-D 2 A-B E 6 100 200 300400500600 200 400 600 800 长度m 长度m (a)主断面沉陷值 60 50r A-B C-D 20 20 -10 100 200300 400500 600 200 400 600 800 长度m 长度m b)主断面领斜值 1.0 0.5r A-B C-D 6 0.5 0 E 0 -0.5 -0.5 -1.0 150 100200300400500600 200 400 600 800 长度m 长度m (c)主断面曲率值 3r 2 A-B C-D 2 0 1 100200 300400500600 200 400 600 800 长度m 长度m (d主断面水平位移值 30 C-D 10 10 -10 -10 A-B -30 -5 -50 0100200300400500600 0 200 400 600 800 长度m 长度m (e)主断面水平变形值 图5主斯面分析结果 Fig.5 Result of main section analysis 个正的极大值，分别为0.3mmm-2和16mmm-1. 形值均达到负的最大值，分别为-1.1mmm-2和 在200m处，倾斜值和水平位移值均达到正的最大 一48mmm-1.倾斜曲线和水平位移曲线因受采场 值，分别为50mmm-1和2300mm;此时曲率值和 尺寸变小的影响在420m处均达到负的最大值（分 水平变形值均为零，随后地表倾斜值和水平位移值 别为-38mmm-1和-1800mm)并开始增大；随着 逐渐减小，在330m处均为零；此时曲率值和水平变 采场尺寸再次变大，倾斜曲线和水平位移曲线在
图5 主断面分析结果 Fig．5 Result of main section analysis 个正的极大值分别为0∙3mm·m －2和16mm·m －1． 在200m 处倾斜值和水平位移值均达到正的最大 值分别为50mm·m －1和2300mm；此时曲率值和 水平变形值均为零．随后地表倾斜值和水平位移值 逐渐减小在330m 处均为零；此时曲率值和水平变 形值均达到负的最大值分别为－1∙1mm·m －2和 －48mm·m －1．倾斜曲线和水平位移曲线因受采场 尺寸变小的影响在420m 处均达到负的最大值（分 别为－38mm·m －1和－1800mm）并开始增大；随着 采场尺寸再次变大倾斜曲线和水平位移曲线在 ·112· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第2期 蔡美峰等：北名河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 .113 470m处再次出现转折，此时地表倾斜值和水平位 移值分别为-28mmm-1和-1400mm;随后，地表 倾斜值和水平位移值逐渐减小，在610m处同时达 至玉石注公路 到负的极大值，分别为-36mmm-和-1700mm; 尾 此后，均逐渐增大，在790m处均为零.在550m处， 曲率值和水平变形值均达到第2个负的极大值，分 别为-0.2mmm-2和-15mmm-1;随后，均逐渐 通西风并公路 增大，在610m处，曲率值和水平变形值均达到第2 观测点 个正的极大值，分别为0.2mmm2和15mmm-1; 沉路值大于A0mm的观测点 此后，均逐渐减小，在790m处均为零 、北洛河 5020m 4地表沉陷观测及其结果分析 图6观测点分布图 为了获得北名河铁矿地表移动规律，在估计的 Fig.6 Distribution of observation points 开采影响范围内的地表建立水准测量观测网，地表 沉降监测仪器采用索爱公司出产的SOKKIA 由于种种原因，地表有些测点被破坏，现对保存 SET22D型全站仪，其距离精测精度为士(2十2× 比较完整的测点地表沉陷观测结果与相应阶段预计 10-5D)mm,D为测量距离.根据需要，定期观测这 结果进行对比，对比结果见表1. 些测，点的空间位置及其相对位置的变化，以确定各 表1观测值与预计值对比 测点的位移和点之间的相对移动，从而掌握地表移 Table 1 Comparison of observation and prediction results 动的规律 2004年6月 2005年2月 沉陷值/ 预计值/ 观测点 4.1观测网布置 观测高程值/m观测高程值/m m 为了全面准确地获得整个采动范围的沉陷资 283.505 283.301 0.204 0.582 料，观测网布置遵循下列原则：(1)观测线设在地表 283.312 282.260 1.058 1.740 移动盆地的主断面上；(2)设站地区，在观测期间不 283.847 283.423 0.424 0.463 受临近开采的影响；(3)观测线的长度至少大于地 283.829 284.801 0.028 0.210 表移动盆地的一半；(4)观测线上的测点应有一定 284.707 284.324 0.383 0.683 的密度；(5)观测站的控制点（基点）设在移动盆地 285.507 285.479 0.028 0.033 范围以外，埋设牢固. 281.745 281.021 0.724 0.752 依据上述原则，本次观测网布置测点间距为 285.499 285.479 0.020 0.066 100m×100m,在靠近塌陷区的周边200m范围内， 9 283.303 283.102 0.201 0.210 认为是重点监测地区，测点加密，间距为50m×50 10 284.141 283.452 0.689 0.725 m,利用全站仪放线，精确定出各个设计测点在地 面对应位置，在定位点挖大小适宜的坑，深度为 从表1的对比结果可以看出，观测值与预计值 800~1200mm,坑底必须位于冻涨线以下500mm 具有较好的相似性，但整体来说预计值较观测值偏 左右，以确保测点不受冻涨的影响，如果是松散土 大·其原因是由于地表沉陷是一个动态过程，通常 层，要求加大坑深，使测点底部位于密实岩（土） 要经历较长的时间才能达到最终沉陷值，结合实际 层上 情况进行分析：由于观测点1、2、4和5沉陷值出现 4.2观测数据与预计结果的比较 采动影响时间较短，尚未达到最终沉陷值，所以观测 北名河铁矿地表观测站目前仅有2004年6月 值较预计值较小；而观测点3、6、7、9和10沉陷时间 至2005年2月期间获得的四次观测数据，沉陷值大 较长，所以观测值与预计值相符性较好， 于10mm的地表观测点分布图如图6所示. 4.3预计沉陷范围与观测显示的实际情况比较 从图6中可以看出，观测沉陷值大于10mm移 北名河铁矿于2001年11月开始无底柱崩落法 动观测点绝大部分出现在开采完一50m水平采场 回采，2003年2月23日出现第一次塌陷，时间间隔 预计的地表最终沉陷盆地范围内，说明预测结果基 为14个月，地表错动范围随着塌陷坑的出现而出 本反映了北名河铁矿开采沉陷现状 现，随着开采范围的增加而增加，中心区域缓慢下
470m 处再次出现转折此时地表倾斜值和水平位 移值分别为－28mm·m －1和－1400mm；随后地表 倾斜值和水平位移值逐渐减小在610m 处同时达 到负的极大值分别为－36mm·m －1和－1700mm； 此后均逐渐增大在790m 处均为零．在550m 处 曲率值和水平变形值均达到第2个负的极大值分 别为－0∙2mm·m －2和－15mm·m －1 ；随后均逐渐 增大在610m 处曲率值和水平变形值均达到第2 个正的极大值分别为0∙2mm·m －2和15mm·m －1 ； 此后均逐渐减小在790m 处均为零． 4 地表沉陷观测及其结果分析 为了获得北 河铁矿地表移动规律在估计的 开采影响范围内的地表建立水准测量观测网．地表 沉降 监 测 仪 器 采 用 索 爱 公 司 出 产 的 SOKKIA SET22D 型全站仪其距离精测精度为±（2＋2× 10－6D）mmD 为测量距离．根据需要定期观测这 些测点的空间位置及其相对位置的变化以确定各 测点的位移和点之间的相对移动从而掌握地表移 动的规律． 4∙1 观测网布置 为了全面准确地获得整个采动范围的沉陷资 料观测网布置遵循下列原则：（1） 观测线设在地表 移动盆地的主断面上；（2） 设站地区在观测期间不 受临近开采的影响；（3） 观测线的长度至少大于地 表移动盆地的一半；（4） 观测线上的测点应有一定 的密度；（5） 观测站的控制点（基点）设在移动盆地 范围以外埋设牢固． 依据上述原则本次观测网布置测点间距为 100m×100m在靠近塌陷区的周边200m 范围内 认为是重点监测地区测点加密间距为50m×50 m．利用全站仪放线精确定出各个设计测点在地 面对应位置．在定位点挖大小适宜的坑深度为 800～1200mm．坑底必须位于冻涨线以下500mm 左右以确保测点不受冻涨的影响如果是松散土 层要求加大坑深使测点底部位于密实岩（土） 层上． 4∙2 观测数据与预计结果的比较 北 河铁矿地表观测站目前仅有2004年6月 至2005年2月期间获得的四次观测数据沉陷值大 于10mm 的地表观测点分布图如图6所示． 从图6中可以看出观测沉陷值大于10mm 移 动观测点绝大部分出现在开采完－50m 水平采场 预计的地表最终沉陷盆地范围内说明预测结果基 本反映了北 河铁矿开采沉陷现状． 图6 观测点分布图 Fig．6 Distribution of observation points 由于种种原因地表有些测点被破坏现对保存 比较完整的测点地表沉陷观测结果与相应阶段预计 结果进行对比对比结果见表1． 表1 观测值与预计值对比 Table1 Comparison of observation and prediction results 观测点 2004年6月 观测高程值／m 2005年2月 观测高程值／m 沉陷值／ m 预计值／ m 1 283∙505 283∙301 0∙204 0∙582 2 283∙312 282∙260 1∙058 1∙740 3 283∙847 283∙423 0∙424 0∙463 4 283∙829 284∙801 0∙028 0∙210 5 284∙707 284∙324 0∙383 0∙683 6 285∙507 285∙479 0∙028 0∙033 7 281∙745 281∙021 0∙724 0∙752 8 285∙499 285∙479 0∙020 0∙066 9 283∙303 283∙102 0∙201 0∙210 10 284∙141 283∙452 0∙689 0∙725 从表1的对比结果可以看出观测值与预计值 具有较好的相似性但整体来说预计值较观测值偏 大．其原因是由于地表沉陷是一个动态过程通常 要经历较长的时间才能达到最终沉陷值．结合实际 情况进行分析：由于观测点1、2、4和5沉陷值出现 采动影响时间较短尚未达到最终沉陷值所以观测 值较预计值较小；而观测点3、6、7、9和10沉陷时间 较长所以观测值与预计值相符性较好． 4∙3 预计沉陷范围与观测显示的实际情况比较 北 河铁矿于2001年11月开始无底柱崩落法 回采2003年2月23日出现第一次塌陷时间间隔 为14个月．地表错动范围随着塌陷坑的出现而出 现随着开采范围的增加而增加中心区域缓慢下 第2期 蔡美峰等： 北 河铁矿开采沉陷预计及地表变形监测与分析 ·113·
.114 北京科技大学学报 第30卷 沉.至2004年2月，井下主要采空区上部约10000 适用性，为类似金属矿山开采沉陷预计提供了有益 m2范围整体下沉2m左右o).具体塌陷情况如 的经验和模式， 图7所示. 参考文献 [1]He GQ.Yang L.Ling G D.et al.The Subject of Mining Sub- sidence.Xuzhou:China University of Mining and Technology 至玉石注公路 Press,1994:1 (何国清，杨伦，凌赓娣，等。矿山开采沉陷学.徐州：中国矿业 大学出版社，1994：1) [2]Huang LT.Study and development of mining subsidence.Coal Sei Technol.2003.1(2):55 (黄乐亭.开采沉陷力学的研究与发展.煤炭科学技术，2003， 31(2):55) [3]Peng XZ.Cui X M.Zang Y Q,et al.Time function and predic- tion of progressive surface movements and deformations.Uni Sci Technol Beijing.2004.26(4):341 (彭小沾，崔希民，减永强，等时间函数与地表动态移动变形规 北洛河 0060m 律.北京科技大学学报，2004,26(4)：341) [4]Du P J.Guo DZ.Fang T,et al.Application of GIS to mining 图7塌陷坑及危险区 subsidence and combination of GIS with professional model.Geo matics Inf Sci Wunan Univ,2003,28(4):464 Fig.7 Subsidence pit and dangerous area (杜培军，郭达志，方涛，等，GS在开采沉陷领域应用及与专 从图7中可以看出：塌陷坑出现在开采沉陷预 业模型的结合.武汉大学学报：信息科学版，2003,28(4)： 计盆地中心；由于一50m采场按采区1~9编号顺 464) [5]Chai H B.Zou Y F,Liu J Y.Application of DT M in visualization 序依次进行开采，所以2005年塌陷范围与2004年 prediction of mining subsidence.JLiaoning Tech Unin,2004.23 相比主要向下发展；2005年塌陷范围对应的开采阶 (2):173 段为1~7号采区基本开采完毕，而8、9号采区尚未 (柴华彬，邹友峰，刘景艳.DTM在开采沉陷可视化预计中的 开采，因此开采沉陷预计盆地中下部与2005年塌陷 应用.辽宁工程技术大学学报，2004,23(2)：173) 范围基本相符，较好地反映了开采沉陷的实际情况， [6]Chen J.Gong P.Usefull Geography Information System.Bei- 由于受开采沉陷影响，破选厂、团城乡铁矿、选 jing:Science Press.1998:12 (陈俊，宫鹏，实用地理信息系统，北京：科学出版社，1998： 厂和至玉石洼的公路因严重破坏而废弃不用，与预 12) 计结果相符，说明基于随机理论的概率积分法可以 [7]Li G.Geography Information System-Basic.Beijing:China 应用于北洛河铁矿开采沉陷预计中，并能较好地反 Electrie Power Press,2003:32 映开采沉陷实际情况，指导安全生产. (李光·地理信息系统一基础篇.北京：中国电力出版社， 2003.32) 5结论 [8]Ou yang Z H.Cai M F,Li Ch H.et al.Study on the mechanism of ground collapse in Beiminghe Iron Mine.Min Res Dev.2005. 金属矿山的开采沉陷预计一直是一个难题.，本 25(1):21 文针对北名河铁矿覆岩整体性差及易于冒落的特 (欧阳振华，蔡美峰，李长洪，等，北洺河铁矿地表塌陷机理研 点，应用基于随机介质理论的概率积分法进行金属 究.矿业研究与开发，2005,25(1)：21) 矿山开采沉陷预计，并利用GIS实现可视化，利用 [9]Esaki T,Djamaluddin I.Development of GIS-Based Dynamic Subsidence Prediction and Assessment System Due to Under- GI$的图形表现和空间分析功能能够对开采沉陷预 ground Mining-Fukuoka:Institute of Environmental System. 计结果进行深入的分析，研究了沉陷范围内地表的 Kyushu University,2005:25 竖直位移、倾斜、曲率、水平位移及水平变形沿主断 [10]Lian M J.Chen G L.Preliminary study of reasons causing sur- 面的变化规律.利用G$空间坐标与现实世界精确 face subsidence in Beiminghe Iron Ore Mine.Min Eng.2005.3 对应的特点，真实、直观、精确地反映出开采沉陷的 (1):23 (连民杰，陈国利北名河地表塌陷原因初探.矿业工程， 影响范围及程度，为指导安全生产、圈定危险区域提 2005,3(1):23) 供科学依据，通过预计结果与实际情况的分析比 较，验证了该方法在北名河铁矿开采沉陷预计中的
沉．至2004年2月井下主要采空区上部约10000 m 2范围整体下沉2m 左右［10］．具体塌陷情况如 图7所示． 图7 塌陷坑及危险区 Fig．7 Subsidence pit and dangerous area 从图7中可以看出：塌陷坑出现在开采沉陷预 计盆地中心；由于－50m 采场按采区1～9编号顺 序依次进行开采所以2005年塌陷范围与2004年 相比主要向下发展；2005年塌陷范围对应的开采阶 段为1～7号采区基本开采完毕而8、9号采区尚未 开采因此开采沉陷预计盆地中下部与2005年塌陷 范围基本相符较好地反映了开采沉陷的实际情况． 由于受开采沉陷影响破选厂、团城乡铁矿、选 厂和至玉石洼的公路因严重破坏而废弃不用与预 计结果相符说明基于随机理论的概率积分法可以 应用于北 河铁矿开采沉陷预计中并能较好地反 映开采沉陷实际情况指导安全生产． 5 结论 金属矿山的开采沉陷预计一直是一个难题．本 文针对北 河铁矿覆岩整体性差及易于冒落的特 点应用基于随机介质理论的概率积分法进行金属 矿山开采沉陷预计并利用 GIS 实现可视化．利用 GIS 的图形表现和空间分析功能能够对开采沉陷预 计结果进行深入的分析研究了沉陷范围内地表的 竖直位移、倾斜、曲率、水平位移及水平变形沿主断 面的变化规律．利用 GIS 空间坐标与现实世界精确 对应的特点真实、直观、精确地反映出开采沉陷的 影响范围及程度为指导安全生产、圈定危险区域提 供科学依据．通过预计结果与实际情况的分析比 较验证了该方法在北 河铁矿开采沉陷预计中的 适用性为类似金属矿山开采沉陷预计提供了有益 的经验和模式． 参 考 文 献 ［1］ He G QYang LLing G Det al．The Subject of Mining Subsidence．Xuzhou：China University of Mining and Technology Press1994：1 （何国清杨伦凌赓娣等．矿山开采沉陷学．徐州：中国矿业 大学出版社1994：1） ［2］ Huang L T．Study and development of mining subsidence．Coal Sci Technol20031（2）：55 （黄乐亭．开采沉陷力学的研究与发展．煤炭科学技术2003 31（2）：55） ［3］ Peng X ZCui X MZang Y Qet al．Time function and prediction of progressive surface movements and deformations．J Univ Sci Technol Beijing200426（4）：341 （彭小沾崔希民臧永强等．时间函数与地表动态移动变形规 律．北京科技大学学报200426（4）：341） ［4］ Du P JGuo D ZFang Tet al．Application of GIS to mining subsidence and combination of GIS with professional model．Geomatics Inf Sci W unan Univ200328（4）：464 （杜培军郭达志方涛等．GIS 在开采沉陷领域应用及与专 业模型的结合．武汉大学学报：信息科学版200328（4）： 464） ［5］ Chai H BZou Y FLiu J Y．Application of DT M in visualization prediction of mining subsidence．J L iaoning Tech Univ200423 （2）：173 （柴华彬邹友峰刘景艳．DT M 在开采沉陷可视化预计中的 应用．辽宁工程技术大学学报200423（2）：173） ［6］ Chen JGong P．Usef ull Geography Information System．Beijing：Science Press1998：12 （陈俊宫鹏．实用地理信息系统．北京：科学出版社1998： 12） ［7］ Li G． Geography Information System— Basic．Beijing：China Electric Power Press2003：32 （李光．地理信息系统－－－基础篇．北京：中国电力出版社 2003：32） ［8］ Ou-yang Z HCai M FLi Ch Het al．Study on the mechanism of ground collapse in Beiminghe Iron Mine．Min Res Dev2005 25（1）：21 （欧阳振华蔡美峰李长洪等．北 河铁矿地表塌陷机理研 究．矿业研究与开发200525（1）：21） ［9］ Esaki TDjamaluddin I． Development of GIS-Based Dynamic Subsidence Prediction and Assessment System Due to Underground Mining．Fukuoka：Institute of Environmental System Kyushu University2005：25 ［10］ Lian M JChen G L．Preliminary study of reasons causing surface subsidence in Beiminghe Iron Ore Mine．Min Eng20053 （1）：23 （连民杰陈国利．北 河地表塌陷原因初探．矿业工程 20053（1）：23） ·114· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
