應(yīng)急監(jiān)測(cè)在采空塌陷搶險(xiǎn)中的應(yīng)用實(shí)例

李妍松，黃妤詩(shī)，李蔚林，瞿 煉，劉希貴

(湖北省鄂州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站，湖北鄂州 436000)

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)，是指當(dāng)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生時(shí)，為準(zhǔn)確了解災(zāi)害體的變化趨勢(shì)及預(yù)測(cè)突發(fā)性次生災(zāi)害，現(xiàn)場(chǎng)部署的一種動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)手段［1］。通過(guò)對(duì)災(zāi)害體在時(shí)空上的變形破壞信息及災(zāi)變誘發(fā)因素信息實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)掌握災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)、變化趨勢(shì)的目的，預(yù)測(cè)爆發(fā)或產(chǎn)生次生災(zāi)害的可能與時(shí)間，為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)的安全性提供技術(shù)保障。采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，沒(méi)有詳細(xì)勘查的支持，搶險(xiǎn)工作具有高危險(xiǎn)性、空間局限性、不確定性及迫切性，因此對(duì)采空塌陷應(yīng)急監(jiān)測(cè)具有快速響應(yīng)、迅速部署、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確分析的技術(shù)要求。本文以湖北省鄂州市銅坑礦區(qū)“1·5”采空塌陷為例，介紹應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案的選取及其在采空塌陷搶險(xiǎn)中的應(yīng)用。

1 概況

2015年1月5日13:40，鄂州市小銅坑礦區(qū)內(nèi)發(fā)生采空塌陷，塌坑平面形態(tài)近橢圓形，塌陷面積約600 m2，可見深度約6 m，塌陷方量約3 000 m3。經(jīng)過(guò)近45個(gè)小時(shí)的緊張救援，6名被困礦井工人先后成功獲救，現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)生次生災(zāi)害，救援工作圓滿成功。

塌陷發(fā)生后，造成地下-60 m水平采礦巷道被堵塞，6人被困井下［2］。地表塌陷坑周邊可見圓弧形坍滑座落現(xiàn)象，穩(wěn)定性差，塌陷區(qū)產(chǎn)生再次塌陷的可能性較大。

但現(xiàn)場(chǎng)情況是急需派遣施救人員下井救援被困礦工，其后對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行封填，以免在不利外因影響下，塌陷變形區(qū)繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大，威脅到礦區(qū)員工住宅區(qū)及辦公室，對(duì)礦區(qū)內(nèi)生命財(cái)產(chǎn)安全造成更大損失。在此情形下，地表應(yīng)急監(jiān)測(cè)成為掌控災(zāi)害體變化趨勢(shì)、預(yù)測(cè)突發(fā)性次生災(zāi)害、保障救援人員安全的重要手段。危難時(shí)刻，湖北省鄂州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)保護(hù)站承擔(dān)了地面變形應(yīng)急監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2 應(yīng)急監(jiān)測(cè)手段選取

采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，災(zāi)害體發(fā)展趨勢(shì)不穩(wěn)定，救援空間狹小限制人員和設(shè)備進(jìn)入，救援通道不穩(wěn)定，被困人員所在深度不明確，救援工作具有高危險(xiǎn)性、空間局限性、不確定性及迫切性。因此，應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法的選擇與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)場(chǎng)空間性與設(shè)備適用性［3］。

地面塌陷所在礦區(qū)的全面調(diào)查及塌陷影響范圍的確定是應(yīng)急監(jiān)測(cè)方案制定的基礎(chǔ)［4］。地面塌陷應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)具有救援空間局限性和人員繁雜的特點(diǎn)，突發(fā)性和應(yīng)急性要求設(shè)備選擇以地面位移變化監(jiān)測(cè)為主，輔以定期人工地表巡查。在巡查過(guò)程中，要及時(shí)記錄地表變形情況及變形時(shí)間，并找出每次變形的影響因素，為搶險(xiǎn)工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)測(cè)［5］。

以往地表變形測(cè)量多采用傳統(tǒng)的大地測(cè)量方法，通過(guò)建立平面和高程中誤差為毫米級(jí)的小型監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，測(cè)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)上各點(diǎn)的空間微小變動(dòng)量。其需要的工作人員較多，存在單點(diǎn)工作周期長(zhǎng)、工作效率低的問(wèn)題，且施工救援現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，監(jiān)測(cè)站點(diǎn)間通視較差。因此常規(guī)大地測(cè)量方法難以滿足應(yīng)急監(jiān)測(cè)的任務(wù)要求。

由于本次塌陷地下變形影響區(qū)域深度超過(guò)100 m，受空間限制，地表應(yīng)急監(jiān)測(cè)采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)。GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)是利用接收空中衛(wèi)星信號(hào)測(cè)距進(jìn)行定位，這種定位技術(shù)觀測(cè)時(shí)間短(并可進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)觀測(cè))，無(wú)須測(cè)站間通視，精度可以達(dá)到毫米級(jí)，大大減少工作量。而且利用無(wú)線通信技術(shù)可以將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理中心，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作區(qū)地表變形特征［6］。受空間范圍影響，地下變形以與地下工作人員實(shí)時(shí)溝通為主。在此基礎(chǔ)上，派遣專職監(jiān)測(cè)人員定期對(duì)塌陷區(qū)影響范圍進(jìn)行巡查。

3 監(jiān)測(cè)方案

3．1 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為有效監(jiān)控、監(jiān)視塌陷區(qū)域變形情況，災(zāi)害發(fā)生后，本站技術(shù)人員立即在塌陷坑周邊布設(shè)了5個(gè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)(包括1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和4個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn))，詳見圖1。基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)于距離塌陷坑附近(影響范圍外)視野通透的高地。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取最能反應(yīng)災(zāi)害體發(fā)展、推測(cè)首先變形的部位，盡量避開救援通道和地表人員流動(dòng)較大區(qū)域，保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性與分布合理性。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig．1 Layout plane of monitoring point

3．2 預(yù)警方案

應(yīng)急監(jiān)測(cè)將涉及到應(yīng)急搶險(xiǎn)預(yù)案的實(shí)施，本次監(jiān)測(cè)按變形程度分為一、二、三級(jí)預(yù)警。

一級(jí)(橙色) 災(zāi)害點(diǎn)保持較小的勻速或減速變形狀態(tài)，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化＞50 mm/d，降雨級(jí)別為中雨，24 h降水總量10～25 mm。應(yīng)急響應(yīng):巡查頻率加密，每1—5 h巡視1次，密切注意災(zāi)害點(diǎn)發(fā)展情況。

二級(jí)(黃色) 災(zāi)害點(diǎn)宏觀變形跡象明顯，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化較大，變形位移＞100 mm/d;降雨級(jí)別為大雨，24 h降水總量25～50 mm。應(yīng)急響應(yīng):增加巡查頻率，每小時(shí)1次到多次，密切注意災(zāi)害點(diǎn)發(fā)展情況，在24 h內(nèi)以簡(jiǎn)報(bào)形式向業(yè)主進(jìn)行匯報(bào)，并通知相關(guān)人員準(zhǔn)備撤離災(zāi)害點(diǎn)危險(xiǎn)區(qū)。

三級(jí)(紅色) 災(zāi)害點(diǎn)宏觀變形明顯加快，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化大，降雨級(jí)別為暴雨—大暴雨，24 h時(shí)降水總量50～200 mm或＞200mm。應(yīng)急響應(yīng):組織災(zāi)害點(diǎn)范圍內(nèi)全部人員迅速撤離。

3．3 監(jiān)測(cè)流程

將所有監(jiān)測(cè)記錄及時(shí)做好整理，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果做出正確分析。實(shí)行24小時(shí)值班制度，如果GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及曲線短時(shí)間內(nèi)有較大波動(dòng)，立即上報(bào)相關(guān)部門。監(jiān)測(cè)報(bào)警值見表1。

表1 監(jiān)測(cè)報(bào)警值Table 1 Alarm value of monitoring

同時(shí)為掌握災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢(shì)，需要記錄救援或應(yīng)急施工進(jìn)度以及氣象條件等對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體的影響，為搶險(xiǎn)工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)測(cè)。

本次應(yīng)急監(jiān)測(cè)起止日期為1月6日—28日。其中，1月19日8:00，排水渠道損壞導(dǎo)致水流溢出，部分尾砂及水流入塌陷坑內(nèi)，引起站點(diǎn)03、04的三腳架傾斜，該兩點(diǎn)于1月20日停止監(jiān)測(cè);1月24日—28日有連續(xù)小雨，詳見表2;應(yīng)急回填工作于1月26日啟動(dòng)。

4 監(jiān)測(cè)成果分析

本次監(jiān)測(cè)設(shè)備為高通 DM-GPS，儀器號(hào):A100，水平精度±3 mm，垂直精度±5 mm。為了直觀地分析各站點(diǎn)的變形情況，工作人員繪制出各站點(diǎn)在監(jiān)測(cè)期間的位移—時(shí)間曲線，見圖2-圖5，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)值均未超出警戒值范圍。

表2 監(jiān)測(cè)晴雨表Table 2 Barometer of monitoring

如圖2所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)東方向位移在-5．789～15．064 mm之間，變形總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中，站點(diǎn)01在監(jiān)測(cè)初期位移量增長(zhǎng)較快，后期變形平穩(wěn)，累計(jì)向東偏移15．064 mm，變形量最大。這是因?yàn)檎军c(diǎn)01距離塌陷坑西側(cè)8 m，位于蓄水池與塌陷坑之間，1月7日中午12:00點(diǎn)蓄水池水滿溢出后流入塌陷坑內(nèi)，站點(diǎn)附近土體發(fā)生較大位移，將該情況上報(bào)處理后變形得到控制。站點(diǎn)02-04的位移為負(fù)值，即均向西變形，累計(jì)位移較小，在 -5．789～0．524 mm 之間，呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

圖2 東方向位移隨時(shí)間變化曲線Fig．2 Variation curve of oriental displacement with time change

圖3 北方向位移隨時(shí)間變化曲線Fig．3 Variation curve of northern displacement with time curve

圖4 垂直位移隨時(shí)間變化曲線Fig．4 Variation curve of vertical displacement with time change

如圖3所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均向北發(fā)生變形，總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，位移量在0．28～6．05 mm之間。監(jiān)測(cè)初期，由于蓄水池溢水各點(diǎn)位移增長(zhǎng)較快，后期變形減緩，1月24日—28日站點(diǎn)01、02變形速率再次增加是由于連續(xù)降雨所致。其中，站點(diǎn)04距離塌陷坑南側(cè)較近，僅間隔1．5 m，其北部臨空為變形創(chuàng)造了有利條件，所以其位移量最大，且增長(zhǎng)速率最快。

如圖4所示，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移曲線趨勢(shì)相同，位移量在0～-12．012 mm之間。監(jiān)測(cè)初期，各點(diǎn)位移增長(zhǎng)較快，后期變形相對(duì)減緩，1月24日20:00變形回彈增加是由于降雨所致。

圖5 綜合方向位移隨時(shí)間變化曲線Fig．5 Variation curve of synthesized pattern displacement with time change

從圖5可以看出，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體變形規(guī)律一致，總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，變形區(qū)間值為0～21 mm。站點(diǎn)01、04變形較大，說(shuō)明塌陷坑有東西向擴(kuò)展趨勢(shì)。

經(jīng)綜合分析，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速度較穩(wěn)定，變形量不大，未超出預(yù)警值，認(rèn)為再次產(chǎn)生塌陷的可能性小，井下救援與應(yīng)急治理工作可以安全正常進(jìn)行。

5 應(yīng)急監(jiān)測(cè)在搶險(xiǎn)中的應(yīng)用意義

應(yīng)急監(jiān)測(cè)是通過(guò)監(jiān)測(cè)地表的位移變化來(lái)判斷災(zāi)害體的近期發(fā)展趨勢(shì)、破壞形式、次生災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間及規(guī)模，以保障地下?lián)岆U(xiǎn)工作及后期應(yīng)急治理工作的安全性，具有特殊性和必要性。

地下?lián)岆U(xiǎn)及應(yīng)急治理過(guò)程中，在預(yù)測(cè)可能發(fā)生地面變形的區(qū)域，選擇合適的位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并派遣專職監(jiān)測(cè)員對(duì)災(zāi)害體周邊進(jìn)行定期巡查。在巡查過(guò)程中，不僅要及時(shí)地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫、塌陷的形態(tài)和時(shí)間，還要記載每次觀測(cè)時(shí)救援或施工的推進(jìn)速度、氣象條件等有關(guān)情況對(duì)災(zāi)害體變形的影響。

應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作是對(duì)井下救援人員及災(zāi)害體現(xiàn)場(chǎng)工作人員生命安全的保證，地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)必須要做到以下幾個(gè)方面:

(1)響應(yīng)迅速，應(yīng)急布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，迅速確定監(jiān)測(cè)員和地面巡查路線，以最快的速度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害變形影響區(qū)域?qū)嵭杏行ПO(jiān)控。

(2)實(shí)時(shí)掌握區(qū)域變形動(dòng)態(tài)(包括變形方向、變形速度、變形范圍等)，準(zhǔn)確分析，對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。

(3)有效監(jiān)控、監(jiān)視區(qū)域安全狀況，發(fā)現(xiàn)異常情況和隱患，及時(shí)發(fā)布各級(jí)預(yù)警，為有關(guān)部門管理決策和應(yīng)急搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，確保區(qū)域內(nèi)工作人員的生命安全。

6 結(jié)論

(1)采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，搶險(xiǎn)工作具有高危險(xiǎn)性、空間局限性、不確定性及迫切性，應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)具有救援空間局限性和人員繁雜的特點(diǎn)，突發(fā)性和應(yīng)急性要求設(shè)備選擇以地面位移變形監(jiān)測(cè)為主，地下變形主要以與地下工作人員實(shí)時(shí)溝通為主，輔以定期人工地表巡查。應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法的選擇與布置應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)場(chǎng)空間性與設(shè)備適用性。

(2)采用GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行地表應(yīng)急監(jiān)測(cè)，基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取距離塌陷坑附近(影響范圍外)視野通透的高地;監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取最能反應(yīng)災(zāi)害體發(fā)展、推測(cè)首先變形的部位，盡量避開救援通道和地表人員流動(dòng)較大區(qū)域，保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)的代表性與分布合理性。

(3)本次應(yīng)急監(jiān)測(cè)周期共計(jì)23天，四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體變形規(guī)律是一致的，總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，與塌陷坑?xùn)|側(cè)裂縫加寬、下沉的宏觀變形現(xiàn)象是相符的。經(jīng)綜合分析，形成的結(jié)論是:各點(diǎn)變形速度較穩(wěn)定，變形量不大，未超出預(yù)警值，再次產(chǎn)生塌陷的可能性小，井下救援與應(yīng)急治理工作可以安全正常進(jìn)行。

(4)應(yīng)急監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確分析的特點(diǎn)。除了觀測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還要及時(shí)進(jìn)行人工巡查，以掌握救援或施工的推進(jìn)速度以及氣象條件對(duì)災(zāi)害體穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢(shì)的影響，為搶險(xiǎn)工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)警。

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