矿山开采地表沉降监测与防控技术

陈建议

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摘要：矿产资源是工业经济发展的核心基础资源，长期地下矿山开采会打破地层原始应力平衡状态，引发围岩变形、岩层移动及地表沉降等地质灾害，极易造成地表开裂、道路损毁、建筑坍塌、生态破坏等一系列问题，严重威胁矿区人员生命财产安全与区域生态稳定。为有效管控矿山开采沉降风险，本文系统分析矿山地表沉降的形成机理与主要影响因素，梳理传统监测与新型智能化监测技术的应用特点及适用场景，总结当前沉降监测工作存在的短板问题，针对性提出全方位、常态化的地表沉降防控技术体系与管理对策。研究结果可为矿山安全生产、地质灾害防控、矿山生态修复提供技术参考，对推动矿山开采绿色化、安全化、规范化发展具有实际意义。

关键词：矿山开采；地表沉降；沉降监测；防控技术；地质灾害

一、引言

在工业化与城镇化持续推进的背景下，我国矿产资源开采规模持续扩大，地下矿山开采深度与开采范围不断延伸。地下矿产采出后会形成大面积采空区，彻底改变地层原始应力分布状态，引发上覆岩层弯曲、开裂、垮落，逐步传导至地表形成沉降盆地、地表裂缝、塌陷坑等灾害现象。地表沉降作为矿山开采最普遍、危害最持久的地质灾害，具有隐蔽性、滞后性、持续性、影响范围广等特征，轻微沉降会造成地表基础设施破损，严重沉降会引发突发性塌陷灾害，造成人员伤亡与重大经济损失，同时破坏地表植被、土壤结构与水文环境，导致矿区生态退化。

二、矿山地表沉降形成机理与影响因素

2.1 地表沉降形成机理

矿山地下开采引发的地表沉降是一个循序渐进、逐层传导的动态演化过程，整体可分为岩层垮落、裂隙发育、地表变形三个阶段。首先，矿产资源采出后，地下形成采空区，原本由矿体承担的地层应力失去支撑，出现应力释放与应力重新分布现象，采空区顶板岩层在自重与上覆岩层压力作用下，产生弯曲变形。当岩层应力超过自身抗压、抗拉强度时，顶板岩层出现断裂、垮落，形成垮落带。其次，垮落带上部岩层持续变形，产生大量竖向与横向裂隙，形成裂隙带，岩层裂隙不断发育、贯通，导致岩层整体完整性破坏，变形范围持续向上传导。最后，裂隙带延伸至地表后，地表土体与岩层产生连续变形，形成平缓的沉降盆地，伴随地表拉伸、挤压变形，出现裂缝、台阶、塌陷等病害，最终形成完整的地表沉降灾害体系。

2.2 地表沉降主要影响因素

矿山地表沉降的发育程度、沉降速率、影响范围受地质条件、开采工艺、开采规模、时间效应等多重因素共同影响。地质条件是基础影响因素，岩层结构、土体性质、地质构造、地下水分布直接决定沉降发育规律。岩层质地坚硬、完整性好的矿区，岩层变形传导速度慢、沉降量小；岩层破碎、节理裂隙发育、存在断层褶皱的矿区，应力易集中、岩层易垮落，地表沉降范围更大、变形更剧烈。同时，地下水会软化岩层、降低岩层强度，加剧岩层风化与垮落，大幅提升沉降灾害风险。

三、矿山地表沉降主流监测技术及应用分析

3.1 传统沉降监测技术

传统监测技术以人工实测为核心，主要包括水准测量、全站仪监测、GPS静态监测等，技术成熟、精度稳定，是矿山沉降监测的基础手段。水准测量通过布设地表监测点位，利用水准仪定期测量点位高程变化，精准获取地表竖向沉降数据，该技术操作简单、监测精度高，适用于地形平缓、监测点位集中的矿区，但其作业效率低、人工成本高，无法实现大范围、全天候动态监测，且复杂山地矿区作业难度大、安全风险高。

3.2 新型智能化监测技术

随着智慧矿山建设推进，自动化、智能化监测技术逐步替代传统人工监测，成为矿山地表沉降监测的主流技术，核心包括InSAR合成孔径雷达监测、自动化GNSS监测、激光雷达监测、物联网在线监测等。

InSAR合成孔径雷达监测技术具备大范围、全覆盖、非接触、全天候监测优势，可实现矿区全域地表沉降的毫米级精度监测，能够精准捕捉微小沉降变形与隐蔽性沉降隐患，有效弥补传统监测点位稀疏、盲区较多的短板。该技术可通过多期卫星数据对比，生成矿区沉降速率分布图、沉降变形云图，直观展现沉降发育范围与演化趋势，适用于大型矿山、复杂地形矿区的全域沉降普查与动态监测。

3.3 当前监测工作现存短板

现阶段多数矿山沉降监测工作仍存在明显不足，一是监测体系碎片化，部分矿山仅采用单一监测技术，未实现全域普查与重点点位精细化监测的结合，存在监测盲区；二是监测数据利用率低，多数矿山仅简单统计沉降数据，未开展数据深度分析、趋势预判，无法精准预判灾害发育规律；三是监测运维不完善，自动化监测设备易受环境干扰，校准、维护不及时导致数据误差偏大，监测可靠性不足；四是预警机制不健全，部分矿山未结合矿区实际设置分级预警阈值，预警滞后、精准度不足，难以有效指导防控治理工作。

四、矿山地表沉降精准防控关键技术与对策

4.1 优化开采工艺，从源头抑制沉降发育

源头防控是减少地表沉降最核心、最经济的手段，通过优化开采方案、规范开采流程，从根本上减小采空区变形与岩层移动。首先，科学规划开采布局，结合矿区地质条件，合理划分开采分区，控制单次开采跨度与开采厚度，避免大面积连片采空区形成，遵循“由远及近、分步开采、对称推进”的开采原则，均衡地层应力分布，降低岩层变形程度。其次，推广绿色充填开采技术，对井下采空区及时采用矸石、粉煤灰、水泥砂浆等材料进行充填，有效支撑上覆岩层，抑制顶板垮落与岩层变形传导，大幅减小地表沉降量与沉降范围，是深部矿山、生态敏感矿区沉降防控的核心技术。最后，规范矿柱留存设计，根据地层受力特征科学预留安全矿柱，杜绝随意开采、超范围开采、掏空式开采等违规行为，保障地层应力稳定，减少不均匀沉降风险。

4.2 完善动态监测预警体系，实现风险精准管控

构建“全域普查+重点精测+实时预警”的一体化监测体系，提升沉降风险预判能力。采用InSAR卫星监测开展矿区月度全域沉降普查，摸清整体沉降分布规律，识别潜在沉降隐患区域；在沉降中心、地表建筑密集区、道路管线沿线、生态敏感区布设自动化GNSS监测点与传感器，开展全天候精细化监测；搭配激光雷达定期扫描，修正监测数据、排查隐蔽病害。同时，搭建智能化监测管理平台，整合各类监测数据，自动分析沉降速率、累积沉降量、变形趋势，结合矿区实际设置蓝色、黄色、橙色、红色四级预警阈值，实现险情自动预警、数据实时追溯、风险动态研判，为防控治理提供精准数据支撑。

五、结论

矿山地下开采引发的地表沉降是多因素耦合作用下的动态地质灾害，其发育具有滞后性、持续性、隐蔽性特征，对矿山安全生产、地表基础设施与区域生态环境危害极大。本文通过分析矿山地表沉降的形成机理与影响因素，系统梳理了传统人工监测与新型智能化监测技术的应用优势与现存短板，明确了单一监测技术的局限性，提出了多技术融合的全域、精细化动态监测体系。同时，从源头开采优化、动态监测预警、采空区治理修复、长效管理制度建设四个维度，构建了系统化的地表沉降防控技术体系。

实践表明，充填开采、规范开采布局可从源头有效抑制沉降发育，多技术融合监测可实现沉降风险精准预判，采空区与地表综合治理可有效遏制灾害扩散，完善的管理制度可为防控工作提供长效保障。未来，矿山沉降防控需进一步向智能化、精准化、绿色化方向发展，依托大数据、物联网、AI智能分析技术，持续优化监测预警体系，深化采空区绿色治理技术应用，推动矿山开采与地质灾害防控、生态保护协同发展，助力绿色矿山、智慧矿山高质量建设。

参考文献

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