河北省国控矿业开发投资有限公司  董华兴

河北汇正工程技术有限公司  李淑霞

河北省国控矿业开发投资有限公司  孙帅

一、前言

（一）西郝庄铁矿简介

西郝庄铁矿位于邢台市西南40千米处，地处沙河市西郝庄村西南约1千米处，行政区划隶属于沙河市白塔镇，有褡裢—矿山村铁路支线及褡裢—章村公路从矿区南部通过，矿区交通方便。矿山始建于1984年，设计采矿生产规模30万吨/年。1999年以前该矿山主要开采浅部矿体，至1998年底浅部矿体闭坑，1999年11月，该矿转入深部矿体的开采至今。

该矿山目前采用地下开采方式，斜井-竖井-盲竖井联合开拓系统，设计采用空场法、浅孔留矿法和房柱法采矿。建矿以来，尤其是90年代在矿区浅部，由于存在数十个民采矿井，在本矿区非法盗采浅部采空区矿柱，使该区地下采空区规模进一步扩大，空区的支撑条件进一部恶化，严重威胁着矿区地质环境安全、深部矿体采矿生产的安全以及地表种地农民的安全。

（二）西郝庄铁矿采空区情况

西郝庄铁矿1999年以前，其隶属关系经历了多次改变，在此期间矿区及周边矿业秩序曾一度较乱，乱采滥挖、超深越界现象较为严重，矿区上部形成了较多的采空区。

目前，VI-1、VI-2矿体已由露天开采采完，形成了露天坑，底部已出现较大范围的垮塌；VI-3、VI-4矿体已通过露天转地下采完；在VI-5矿区上部形成了较多的采空区。-190m以上的矿体已基本采空，-225m以上中段已基本采完，只剩余零星矿体。-245m中段按设计要求已作为回风中段。现该矿主要开采深部矿体VI-5矿体的-190m至-285m之间部分。

由于矿区进行了多年开采，目前地表存在有以前露天开采遗留的露天坑及堆存岩土，地面已出现多处塌陷及较大范围的裂缝。

1、采空区的危害

地下矿层采空后形成的空间称为采空区，由此采空区上方覆盖的岩层将失去支撑，原来的平衡条件将被破坏，致使上方岩层产生移动变形，直到破坏塌落。引起地表塌陷，空区突然垮塌的高速气浪和冲击波或造成人员伤亡和设备破坏，采空区老窿的积水，形成突水隐患等，给矿山生产和安全带来严重影响。

发生采空区危害，主要是物的不安全状态造成的；作为矿山地下开采的伴生物，对采空区的危害是多方面的，不但是多种矿山地质灾害的直接诱发因素，同时对矿山日常安全生产管理工作造成许多影响。采空区可能造成的危害包括直接影响矿山安全生产和间接影响矿山和社会人员、财产安全两方面。

具体说，采空区可以造成以下危害：

(1)采空塌陷会引起地面塌陷

地面塌陷指地表岩、土体在自然或人为因素作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一种地质现象。当这种现象发生在有人类活动的地区时，便可能成为一种地质灾害。地区采空塌陷的危害包括对居民地的危害；对交通设施的危害；对水力、电力设施的危害；对林木及耕地的危害等。

(2)采掘矿产资料，地下采空可能引发崩(滑)塌，崩(滑)塌是指较陡斜坡上的岩土体在重力作用下突然脱离母体崩(滑)落、滚(滑)动、堆积在坡脚(或沟谷)的地质现象。

崩塌可能产生次生灾害，最常见的次生灾害是：为泥石流累积固体物质源，促使泥石流灾害的发生；或者在崩塌过程中在雨水或流水的参与下直接转化成泥石流。另一常见的次生灾害是：堵河断流、形成天然坝、引起上游回水使江河溢流，造成水灾，或堵河成库，一旦库水溃决，便形成泥石流或洪水灾害。

然而，由于采空区危害的表现形式复杂多变，同时许多危害发生的机理研究还不够深入，采空区危害研究缺乏系统性等，对采空区这种重大危险源的评价无可靠的依据，不利于该类隐患的防灾、减灾研究。

地下采空区危险性分析工作程序和地下采空区危险性分析的难点在于许多因素的不确定性和隐蔽性，首先是确定矿山是否存在采空区危害问题；从技术角度看，矿山对自己的生产形成的采空区的分布和初始形态应是清楚的，而对其以后的发展变化情况往往由于通道堵塞等原因难以准确把握。因此，开展采空区危险性分析必须在准确掌握采空区的有关信息的基础上进行。应该从以下所示的工作程序得出采空区治理方案：

①采空区探测与调查。准确探测并调查采矿影响区范围内采空区的分布、状态、塌陷情况、充水情况等。

②采空区危害分类。综合矿山地质、开采技术条件、技术方法等确认矿山可能的采空区危害类型及其可能的影响范围。

③采空区冒落形态分析。根据采空区规模、性质等确定一旦采空区危害产生，可能对地表和井下造成的危害。

④得出采空区综合治理方案。选用恰当监测方法和预防措施保证井下工作人员和地表的安全。

2、采空区处理的一般方法

采空区是空场采矿法(全面采矿法、房柱采矿法、留矿采矿法、分段矿房法、阶段矿房法)采矿的一项重要内容，采空区处理的实质是：缓解岩石应力集中的程度，转移应力集中的一部分，或是使达到新的相对平衡以达到控制和管理全矿的地压，保证矿山安全生产的目的。

一般的采空区处理方法从形式上可以分为：“崩”、“充”、“封”，即崩落围岩法、充填法和封闭处理法。目前在西郝庄铁矿的采空区多处就用到了封闭法处理采空区。在采空区体积不大，对应的地表允许陷落、而且围岩较坚硬位置就采用了封闭的方法。等回采结束后，由于围岩比较坚硬，一般只会逐步脱落，形成拱形，保持相对的稳定，故一次产生大的冒落的事故率极小，为了防止小事故的发生，应采取混凝土挡墙对矿房的所有通道进行封闭，使得采空区即使冒落也不会因冲击波给矿山生产人员、设备带来灾难性事故。而崩落围岩来处理采空区会形成围岩保护层，上部大量岩石突然冒落时，阻止或减少机械冲击和空气冲击波的危害，另外可以缓解应力集中，减少岩石的支撑压力。

目前西郝庄铁矿已经在各个水平采空区砌筑隔墙把采空区隔开，同时预留了排水孔，使得上水平的坑水可以沿此最终到-285m水平的水仓，再排出地表。

二、GPS监测系统

（一）卫星定位系统简介

目前国内外有三个实用的卫星定位系统，它们分别是美国的GPS全球卫星定位系统、俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统和中国的北斗卫星区域导航定位系统。目前正在发展的还有欧洲的Galileo系统。

（二）GPS系统概述

GPS自80年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。

随着GPS技术的不断成熟，其布网灵活、工作效率高，尤其在地形复杂或者大型检测网中其优势更为明显。GPS自动化监测系统已经在矿区、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。GPS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。

从国内外的有关研究和应用可以看出GPS是一个非常有效的矿区监测技术。目前GPS在矿区监测中的最高精度在几个毫米，数据采样频率1Hz。大部分的矿区监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、实时测量结果和测量结果图形显示。目前采用GPS技术用于矿区等工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。

（三）GPS定位工作原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

（四）高精度定位技术

目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为了得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术，将一台GPS接收机安置在参考站上进行观测，根据参考站已知精密坐标，计算出参考站到卫星的距离改正数，并由参考站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到参考站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。

差分GPS技术分为两大类：伪距差分和载波相位差分。

伪距差分，这是应用最广的一种差分。在参考站上，观测所有卫星，根据参考站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到参考站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。

载波相位差分又称RTK(Real Time Kinematics)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即将参考站采集的载波相位发给用户接收机，求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

三、GPS沉降监测总体设计

根据GPS监测系统的特点，再结合西郝庄铁矿地表监测区域的实际情况，进行了如下的系统总体设计：

本监测方案采用全球定位系统(Global Positioning System, 简称GPS)的技术和方法，总体上分为三个子系统：沉降数据采集子系统、数据传输子系统和数据处理分析子系统。

该监测系统的工作过程是：通过安装GPS接收机，实时监控地表测点，获得每个测点的精确三维坐标等信息，然后通过数据链路将数据传送至监控中心，使用配套的软件进行解算后，实时显示各个测点的沉降曲线图。根据曲线图的发展趋势，预测预报地面沉降，当出现异常情况时，发出报警信息，再根据矿山预案使隐患得到及时有效处理。

矿区GPS监测系统整体上由三部分组成：监测单元、数据传输和监控中心。这三部分形成一个有机的整体，监测单元跟踪GPS卫星并实时采集数据，即得到测点的三维坐标等数据，数据采集成功之后，通过通讯网络传输至监控中心，再通过中心服务器上的配套软件对数据处理、分析和解算，得出测点的沉降曲线图，实时监测矿区地表形变。

监测单元由1个参考站和10个观测站组成。其中参考站设在北风井的基准点位置，10个观测站分别设在各监测点处。参考站设备主要包括不间断电源、GPS接收机、扼流圈双频天线、GPRS模块、避雷系统、防电涌等设备。观测站设备主要包括接收机、天线、GPRS模块等。

数据传输采用先进的GPRS无线网络传输方式，具有建设简单、便于维护，节省成本等优点。

监控中心配备高性能服务器，用于数据分析、解算和图形处理，以及终端服务，如打印报表等。结合配套的专业数据处理软件和其他沉降预测软件，实时对数据分析和图形处理。

对西郝庄铁矿地表沉降区域进行监测，合理、有效地设计监测网和可靠埋设观测墩是十分重要的。它不仅直接关系到能否通过有限的监测点所建立的监测网来实现沉降监测目的，而且也是有效地减少沉降监测工作量，降低监测成本的重要途径之一。

四、结论

通过分析采空区的危害，运用现代化的监测设备，在地表进行布点，监测地表的应力变化、位移变化，计算出地表裂隙的当前面积和预测出未来延伸方向和延伸范围，计算出地表塌陷区域的当前面积和预测出未来延伸方向和延伸范围，通过理论分析和实验结合的手段，设定合理的预警值；在实际应用中，当地表围岩有异常错动或沉降速度达到预警值时，监测系统会及时报警，监控室人员根据预警提示，及时预测地压来临时间，及时做出安全防范决断，为监控室工作人员进行预警决策和矿山及时撤出处于危险区人员提供了依据，能极有效遏制由采空区塌陷导致的重特大安全生产事故，既保证地下工作人员的人身安全，又可以保证地表人员活动安全，通过该系统的有效运行，在矿山防灾减灾及井下安全生产方面起到了良好效果，自该系统启用后，矿山没有发生由于地表井下岩石错动、塌陷造成的安全生产事故的发生。在后续工作中配合建立井下监测网，进行全方位实时监测，形成一个完整的采空区监测网络，综合地表和地下监测信息更能够完整地、全方位地反映空区的变化，从而减少或避免空区造成的危害。