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  • CN 62-1112/TF　
  • ISSN 1005-2518　
  • 创刊于1988年
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黄金科学技术, 2023, 31(4): 605-612 doi: 10.11872/j.issn.1005-2518.2023.04.012

采选技术与矿山管理

三山岛金矿地面沉降特征及原因分析

何玉龙,1, 刘佳2,3,4, 马凤山,2,3, 李光2,3, 郭捷2,3

1.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442

2.中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029

3.中国科学院地球科学研究院，北京 100029

4.中国科学院大学，北京 100049

Analysis on the Characteristics and Causes of Ground Subsidence in Sanshandao Gold Mine

HE Yulong,1, LIU Jia2,3,4, MA Fengshan,2,3, LI Guang2,3, GUO Jie2,3

1.Sanshandao Gold Mine, Shandong Gold Mining(Laizhou)Co. , Ltd. , Laizhou 261442, Shandong, China

2.Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

3.Innovation Academy for Earth Science, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

4.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 马凤山（1964-），男，河北吴桥人，研究员，从事地质工程与地质灾害研究工作。fsma@mail.iggcas.ac.cn

收稿日期: 2023-01-09   修回日期: 2023-04-09  

基金资助: 国家自然科学基金重点项目“海底采矿对地质环境的胁迫影响与致灾机理”.  41831293

Received: 2023-01-09   Revised: 2023-04-09  

作者简介 About authors

何玉龙（1990-），男，河北承德人，工程师，从事矿山工程测量工作heyulong@sd-gold.com , E-mail：heyulong@sd-gold.com

摘要

地面沉降作为一类缓变型地质灾害，可对人们的生产生活造成重要影响。三山岛金矿自2012年9月在地下采矿影响范围内建立全球定位系统（GPS）并监测地面沉降以来，监测到明显的地面沉降现象。分析结果表明：（1）多年来，研究区内地面沉降范围变化趋势较一致，沉降盆地分布于矿体的上盘区域，沉降盆地的形态由最初的近似圆形发展到后期的椭圆形，并沿矿体上盘方向发展演化；（2）沉降等值线在靠近F1控矿断裂一侧较密集，而在远离F1断裂一侧较稀疏，随着时间的推移，沉降中心区域的累积沉降值越来越大，根据累积沉降曲线斜率的变化情况，可将累积沉降量曲线划分为3个阶段；（3）三山岛金矿地面沉降的采矿影响因素主要有矿体赋存形态、埋深、地应力环境、断层活动和充填采矿方式等，而非采矿影响因素可归纳为人为社会因素，即由于采矿经济发展，建筑物增多，以及抽排地下水等，致使地面沉降现象也会有所加重。

关键词： 三山岛金矿 ; GPS监测系统 ; 地面沉降 ; 发展演化 ; 影响因素

Abstract

As a type of slow-change geological hazard，ground subsidence have an important impact on people’s production and life.Since the establishment of Global Positioning System （GPS） monitoring of ground subsidence within the impact area of underground mining at Sanshandao gold mine in September 2012，significant ground subsidence has been monitored.In order to grasp the characteristics and patterns of ground subsidence in the mine area，this paper obtained the spatial and temporal variation of ground subsidence in the Sanshandao gold mine area by summarizing and analyzing the results of previous multi-period monitoring，and briefly discussed the direct and indirect factors causing the ground subsidence phenomenon，and finally proposed suggestions to mitigate the ground subsidence in the mine area.The results show that：（1）The trend of the subsidence extent in the study area is consistent since September 2012，and the center of subsidence is located in the upper disk area of the orebody，500 m to 600 m east of Sanshandao village committee. （2）The morphology of the ground subsidence basin has evolved from a nearly circular shape at the beginning to an elliptical shape at a later stage，i.e.，along the southeast side of the subsidence basin. （3）The subsidence contours are denser on the side close to the F1 ore-control fracture and sparser on the side far from the F1 fracture. （4）The cumulative sedimentation value of the sedimentation center becomes larger and larger over time，and the sedimentation velocity changes significantly，with a faster sedimentation velocity at first，then a slower sedimentation velocity，and an increase in the sedimentation velocity in recent years.According to the settlement velocity，the cumulative settlement curves can be divided into three stages.The first stage，between September 2012 and September 2016，the cumulative settlement is about 337 mm，with an average annual settlement of about 84 mm.The second stage，between September 2017 and September 2020，the cumulative settlement is about 73 mm，with an average annual settlement of about 24 mm.The third stage，from September 2020 to September 2021，the average annual subsidence is approximately 68 mm.The ground subsidence of Sanshandao gold mine is the product of the combined effect of mining disturbance force and self-gravity of the overlying rock.The movement deformation of the overlying rock in the mining area and the compression deformation of the overlying softer quaternary sediments will lead to the ground subsidence.The direct mining influences on ground subsidence can be divided into the shape of the orebody deposit，depth of burial，geological stress environment，presence of faults，and infill mining methods，while the indirect non-mining influences can be summarized as anthropogenic social factors，i.e.，the ground subsidence phenomenon is also aggravated by the economic development of mining，the increase of buildings，and the pumping of groundwater.

Keywords： Sanshandao gold mine ; Global Positioning System（GPS） monitoring ; ground subsidence ; development and evolution ; influencing factors

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本文引用格式

何玉龙, 刘佳, 马凤山, 李光, 郭捷. 三山岛金矿地面沉降特征及原因分析[J]. 黄金科学技术, 2023, 31(4): 605-612 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.04.012

HE Yulong, LIU Jia, MA Fengshan, LI Guang, GUO Jie. Analysis on the Characteristics and Causes of Ground Subsidence in Sanshandao Gold Mine[J]. Gold Science and Technology, 2023, 31(4): 605-612 doi:10.11872/j.issn.1005-2518.2023.04.012

近年来，随着经济的快速发展，我国对各类资源的需求量不断增加。为了满足资源开采需求，矿产资源开采方式由露天开采转为地下开采，由此导致地面出现不同程度的沉降。作为一种缓变地质灾害，地面沉降涉及范围广，成灾慢，所造成损失大且不易治理，甚至会破坏当地生态环境、建筑物以及一些重要的基础设施（殷跃平等，2005；Wu et al.，2009）。为此，沉降监测、地面沉降特点及沉降原因分析越来越受到广大科研工作者的重视（狄胜同等，2020；秦胜伍等，2021）。地面沉降的监测方法主要包括水准仪、全球卫星定位系统（GPS）监测以及合成孔径干涉雷达（InSAR）等。其中，GPS技术在保证一定测量精度的前提下可应用于大范围沉降监测，且GPS技术受天气情况影响较小，具有操作简单及自动化程度高的特点。同时，此项技术能够克服传统水准测量周期长、工作量大和效率低等问题（徐建芳等，2003）。

对于煤矿开采相关的地表沉陷规律、沉降机理及预测方法等，国内外已有较长的研究历史，并取得了一定的认识（李永树，2001；曹琰波等，2023）。然而，由于水平煤矿体与倾斜金属矿体在成因、产状和分布等方面的差异，煤矿开采变形的预测理论在金属矿山领域并不适用（白义如等，2002），金属矿开采导致的地面沉降理论至今不是很完备（古德生等，2003；李夕兵等，2006；王善飞等，2020），因而对其沉降规律进行总结研究显得十分必要。

三山岛金矿作为典型的滨海金属矿山，自20世纪80年代建成投产至今已有30余年。尽管三山岛金矿在矿体开采后采取立即充填的措施，充填体能维持围岩基本稳定，但长时间的开采扰动势必会对地面沉降产生一定影响（李永树，2001；李铀等，2005；李晓等，2006；王明旭，2017；王善飞等，2020）。开采扰动下的地表沉陷问题一直是矿区十分重视的问题。本文通过对三山岛矿区以往多期GPS监测数据的归纳总结，分析了三山岛金矿区地面沉降的发展演化及其原因，并提出减缓矿区地面沉降的建议。

1 区域地质背景

三山岛金矿位于山东省莱州市三山岛村莱州湾滨海区域，是目前国内资源量最大的岩金矿山，包括西山矿区和新立矿区（图1）。其中，西山矿区位于三山岛村，其矿区北面和西面与渤海相邻，其余部分与陆地相接；新立矿区位于新立村，矿体全部产于海底之下。三山岛金矿整体地势低洼且平坦，区内最高峰为三山岛，海拔为67 m，其余地区海拔标高为1.2~4.5 m。区内主采矿体赋存在三山岛—仓上控矿断裂带（F1）蚀变带主断裂面之下0~35 m范围内，矿体总体走向约为38°，倾角为33°~67°。区内还有另外2条主要断裂，NE向F2断裂切割含矿蚀变带的NW向F3断裂。矿体主要赋存在黄铁绢英岩和绢英岩内，围岩主要由绢云母化—硅化碎裂岩、花岗碎裂岩、绢云母化花岗岩、片麻岩、玲珑花岗岩和花岗闪长岩组成。

图1

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图1   三山岛金矿区域地质构造图

1.第四系；2.郭家岭花岗闪长岩；3.玲珑花岗岩；4.片麻岩；5.绢云母化花岗岩；6.绢云母化和硅化花岗碎裂岩；7.绢云母化和硅化碎裂岩；8.断裂；9.产状；10.矿体

Fig.1   Regional geological tectonic map of Sanshandao gold mine


2 GPS监测网

三山岛金矿基本建设工作始于1984年，1990年底采、选生产能力达到设计规模，设计生产能力为1 500 t/d。沿走向布置采场，采场宽度为矿体宽度，每个中段高度为40 m。采用分级尾砂对采场进行充填，充填高度为2.5 m。矿区地表岩移GPS监测系统于2012年9月建立起来，最初由443个测点（337个内网点和6个外网点）组成，其间由于监测区域内新建建筑物和人为因素影响等，少数点位被永久破坏，部分点位被破坏之后又重新埋设，至今尚有266个。虽然近年来损失部分点位，但采矿区对应地面重要沉降点位并未受破坏。

GPS监测基点是严格根据全球定位系统（GPS）测量规范选定，将监测基点选在位于深钻岩心库大院内部，距离矿区较远，附近没有振动源和干扰源，经过几年的观测，数据稳定可靠。同时，该基准点位于矿区东南侧，以基点为中心，整个三山岛矿区均在半径5~6 km之内，为此，可以实施有效的控制和监测（图2）。测点WGS-84坐标的精度依等级差异而不同。按照边长划分，三山岛矿区范围在E级网指标内，但考虑到所测点系用于变形监测，即按D级网指标来实施。GPS监测网络的外网点主要包括YGMT、F007、SHSH、YXKN、F045和XWKK（图2），这些测点均按三等精度要求实施GPS 观测，其他测点则均按四等三角精度进行观测。外业数据采集所使用的GPS仪器是美国Ashtech公司生产的Z-Xtreme接收机（4台套）（图2），当天采集的数据于当晚即输入计算机，用随机GPS基线处理软件进行初步预处理，计算出各基线的位置和三维分量，进行GPS 网平差，并对计算结果的质量进行评定，最后建立系统的数据文件。

图2

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图2   GPS监测外网布置图（a）和现场监测（b）

Fig.2   Outside network layout（a） and in-situ monitoring（b） of GPS monitoring


3 监测数据分析

3.1 沉降等值线分析

自2012年9月GPS监测系统建立以来，监测到三山岛矿区规律性的地面沉降现象，具有一定的参考价值。对此，笔者利用GPS监测数据，经Surfer处理生成等值线图，并投影于研究区卫星图上进行比较，选取几个典型沉降等值线图（图3）作为实例，对地面沉降范围、沉降速度及其与临近断裂之间的关系等进行分析。需要说明的是：图3（a）为2012年9月至2013年9月期间累积沉降量；图3（b）为2012年9月至2015年9月期间累积沉降量；图3（c）为2012年9月至2018年3月期间累积沉降量；图3（d）为2012年9月至2021年3月期间累积沉降量。

图3

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图3   三山岛金矿累积沉降量分布图

Fig.3   Distribution map of cumulative settlement in Sanshandao gold mine


由图3可以看出：自2012年以来，研究区内沉降区范围变化趋势较一致，沉降中心点集中在3605点号和4008点号，主要位于三山岛村村委会以东500~600 m范围，沉降等值线由最初的近似圆形变化为后期的椭圆形；沉降等值线在靠近F1断裂一侧较密集，而在远离F1断裂一侧较稀疏，表明靠近F1断裂一侧的地面沉降变化较显著，远离F1断裂的另一侧地面沉降变化较缓和；随着时间的推移，沉降中心区域的累积沉降值越来越大，沉降速度变化明显，最初沉降速度较快，之后沉降速度减缓，近年来沉降速度又有所增加；从沉降范围来看，沉降区域不断向上盘方向扩展，但监测期间将沉降区域主要限制在F1断裂的东南侧，沉降等值线“椭圆”长轴方向与F3断裂近平行。

3.2 典型沉降点分析

观察图3可以发现，在研究区范围内，沉降显著区为三山岛村委会以东500~600 m范围的3605点号和4008点号位置。为了详细比较2个点位动态沉降变化情况，对2个点位的累积沉降值以半年为单位进行统计，例如，2020年3月至2020年9月或2020年9月至2021年3月均为一个半年时段。2012年9月至2021年9月共有18个统计单位（“半年时段”），结果如图4所示。由图4可知，2个点号具有较一致的沉降趋势，根据累积沉降量曲线斜率的变化情况，可将累积沉降量曲线划分为3个阶段。第1阶段：2012年9月至2016年9月期间，累积沉降量约为337 mm，平均每年沉降量约为84 mm；第2阶段：2017年9月至2020年9月期间，累积沉降量约为73 mm，平均每年沉降量约为24 mm；第3阶段：2020年9月至2021年9月，年均沉降量约为68 mm。

图4

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图4   三山岛金矿典型沉降中心点累积沉降量曲线

Fig.4   Cumulative settlement curves of typical settlement center points in Sanshandao gold mine


4 讨论

4.1 地面沉降的采矿因素分析

采矿区地面沉降现象与多个采矿因素有关，例如矿体分布形状、埋深、采矿方法和围岩质量等。首先需要说明的是矿体分布形状的影响。国内外关于采矿引起岩体移动和地面沉降现象的研究，最初集中于呈水平层状分布的煤矿，而对于倾斜金属矿床开采引起的地面变形研究较少，发展较晚。三山岛金矿属于典型的陡倾金属矿床，而陡倾矿体开采引发的地面沉降等值线形态往往是不对称的（赵海军等，2009；丁德民等，2010），这点与煤矿不同。 相关研究表明，断层的存在使得采矿区地面沉降规律复杂化（蒋建平等，2002；田雨桐等，2021；于秋鸽，2021）。断层所在区域往往经历过剧烈的构造运动，断层区域岩体经受过显著的地应力作用，相比其他区域，岩体更为破碎，形成不同发育程度的破碎带（刘泉声等，2010；党保全等，2022），使得岩体质量较差。因此，断层的存在使得岩体更容易变形，进而形成地面沉降现象。此外，断层的存在也使得地面沉降具有不均匀性，地面沉降量数值会有明显起伏现象（台阶状落差），断层两盘沉降现象各有特点，甚至会形成台阶状下沉盆地（张玉卓等，1989；Hu et al.，2019；Murgia et al.，2019）。在断裂带上盘或下盘开挖时，断层带起到了阻碍围岩变形和采动应力传播的作用。这种屏障作用的强弱取决于开挖空间的尺寸和断裂带宽度，开挖尺寸和断裂带宽度越大则断裂带的屏障效应越明显。根据研究区地面沉降累积图（图4）特点，断层的存在确实与地面沉降累积量具有一定的空间关系。监测期间地表累计沉降等值线范围快速向控矿断裂F1的上盘方向扩展，但沉降活跃范围主要被限制在 F1断裂的上盘区域。断层的存在影响地面沉降的发展演化，而地面沉降也会影响断层的状态，甚至会导致断层滑移，对采矿生产活动产生威胁（毛德兵等，2013）。

就开采条件而言，倾斜、中厚—薄矿体和矿岩条件中等的矿体开采，对采矿方法的选择有很大制约性，充填采矿法是唯一可供选择的方法。三山岛金矿采矿方法以上向水平分层尾砂（胶结）充填采矿法为主。矿区建有充填搅拌站，设有1 000 m3砂仓和高浓度胶结砂浆制备系统，能够更好地服务于采矿工作。尽管充填采矿法会减弱围岩变形程度，但对充填体本身来说，围岩的应力会随时间的推进逐渐转移至充填体中，使充填体发生压缩、沉降和移动，长期来看，仍然会影响矿山的稳定性（丁德民等，2010；马凤山等，2016），且不同地质环境下采矿充填以及充填材料组成和采矿方法均会对充填效果产生影响（瞿群迪等，2010；寇永渊等，2020；王善飞等，2020；张美道等，2021）。因此，充填体并非完全充填于所采出区域，总会存在一些空隙，这为围岩变形提供了一定的空间。此外，充填总是滞后于开采，采空区围岩的弹塑性变形在很短的时间内就会完成，而充填后充填的流体先固结硬化之后再经过与围岩相互作用被压缩使其强度不断增大直到与围岩应力达到平衡，这一过程会使大部分构造应力得以释放，围岩体发生移动，加之地下未充填的空区效应和重复的采动影响会使这种岩体移动传播至地表，使地表发生变形破坏。

4.2 地面沉降的非采矿因素分析

矿山地面沉降一般是采矿扰动力和重力等综合作用的结果。矿区岩体因采矿扰动而产生移动变形甚至是破坏，继而上覆较松软第四系沉积物在重力作用下发生压缩变形，最终导致地表产生明显沉降。因此，除了采矿扰动产生岩移，继而产生地面沉降外，其他致使第四系沉积物发生压缩变形的原因也是地面沉降不可忽视的因素。例如，随着人口数量的增加，时代进步、经济发展，采矿业繁荣发展，研究区建筑物数量增多，生活生产用水量增加，使得地下水开采增加，从而增加了土体所受有效应力，产生固结沉降。

根据以上地面沉降因素分析，建议在将来的采矿工作中，从以下4个方面控制地面沉降现象：一是合理安排采矿活动，不可短时间内超量开采，尽可能减少采矿活动对周围岩体的扰动；二是在断层破碎带或岩体质量较差区域做好支护工作，创新采矿方法，注意裂隙水、海水等突水灾害；三是做好采空区充填工作，研究高性能充填材料和高效充填方法；四是与当地政府有关部门合作，对沉降中心区域地表沉降进行整治，减少对建筑物的损害程度，营造健康可持续的采矿环境。

5 结论

（1）多年来，研究区内沉降范围变化趋势较一致，沉降中心点位于三山岛村村委会以东500~600 m范围，沉降等值线由最初的近似圆形变为后期的椭圆形，并沿矿体上盘方向发展演化。

（2）沉降等值线在靠近F1断裂一侧较密集，而在远离F1断裂一侧较稀疏，随着时间的推移，沉降中心区域的累计沉降值越来越大，根据累积沉降曲线斜率的变化情况，可以将累积沉降量曲线划分为3个阶段。

（3）影响地面沉降的采矿因素可划分为矿体赋存形状、埋深、地应力环境、断层活动和充填采矿方式等。影响地面沉降的非采矿因素可归纳为人为社会因素，采矿经济的发展，矿区建筑物增多，人类开采地下水等活动增加，也会使地面沉降现象有所加重。

http://www.goldsci.ac.cn/article/2023/1005-2518/1005-2518-2023-31-4-605.shtml

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