北京典型煤礦采空塌陷監(jiān)測技術(shù)研究與實踐

邢宇鑫　吳大鵬　王亞婷　張濤　孫楠　 秦沛

摘 要：煤礦開采引起的采空塌陷、地裂縫等礦山地質(zhì)環(huán)境問題日益嚴重。為了動態(tài)監(jiān)督管理礦山環(huán)境，研究閉坑礦山采空塌陷區(qū)安全狀況，選取北京西部煤礦集中開采區(qū)內(nèi)的西岳臺村作為典型監(jiān)測示范區(qū)。區(qū)內(nèi)布置3個基準點，4個工作基點，15個沉降觀測點以及一套微震監(jiān)測系統(tǒng)。通過采用地表形變測量與微震監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的方法，以2015—2018年4年監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，年平均沉降量在-10mm～10mm之間，年平均1～2次微震事件。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)已閉坑煤礦雖然處于穩(wěn)定期，但是仍存在緩變塌陷狀況并且受外界變量影響，需進一步加強監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測;形變測量;穩(wěn)定期;緩變塌陷

中圖分類號：P694? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0055-06

Abstract： Mine geological environment problems such as goaf collapse and ground fissure caused by coal mining are becoming more and more serious. In order to dynamically supervise the mine environment and study the safety situation of the mined-out subsidence area in closed pit mines， Xiyuetai village in the concentrated mining area of Western Beijing is selected as a typical monitoring demonstration area. Three datum points， four working datum points， 15 settlement observation points and a set of micro-seismic monitoring system are arranged in the area. By using a new method of combining surface deformation measurement with micro-seismic monitoring technology， and analyzing the monitoring data from 2015 to 2018， the annual average settlement is between - 10mm and 10mm， and the annual average number of micro-seismic events is 1-2. Although the closed pit coal mine is in a stable period， there is a slow subsidence situation that is affected by external variables. So it needs further monitoring in the future.

Keywords： Micro-seismic monitoring; Deformation measurement; Stable period; Slow subsidence

0 前言

采空塌陷是由煤礦及其他礦種地下開采引發(fā)的礦山地質(zhì)災(zāi)害。由于地下礦產(chǎn)被采出后，形成采空區(qū)，其上覆巖層的原始平衡狀態(tài)遭到破壞，周圍巖體產(chǎn)生應(yīng)力集中、移動變形、離層、裂縫，甚至破壞垮落。這就需要對典型的礦山進行動態(tài)的監(jiān)測，以便及時掌握最新信息，動態(tài)的對礦山環(huán)境進行監(jiān)督管理（孟中華，2011）。

目前，我國監(jiān)測工作主要是以地面形變監(jiān)測為主，在開展變形監(jiān)測方面積累大量的工程實踐經(jīng)驗，主要采用全站儀、經(jīng)緯儀、水準儀以及GPS監(jiān)測、遙感技術(shù)、InSAR技術(shù)等進行監(jiān)測預(yù)報的技術(shù)水平有所提高，但仍難以實現(xiàn)準確預(yù)報（李海鷹，2007;國巧真等，2005）。存在的主要問題是：（1）主要以形變監(jiān)測為主，預(yù)警預(yù)報準確性差;（2）主要圍繞單個礦區(qū)地表及淺部監(jiān)測為主，缺乏深部及區(qū)域性監(jiān)測研究;（3）監(jiān)測方式以定期監(jiān)測為主，不能實時監(jiān)測（劉洪濤，2011;劉建坡等，2012）。究其原因，是由于位移、裂縫等現(xiàn)象只是地下巖層破壞的必要條件和后續(xù)連鎖反應(yīng)，并不是充分條件。作為一個天然的力學系統(tǒng)，地面塌陷等災(zāi)害的發(fā)生與否決定于地下采空區(qū)圍巖之間的平衡狀態(tài)變化和破壞程度。

對監(jiān)測示范區(qū)采取傳統(tǒng)的區(qū)域地表形變監(jiān)測與深部巖體力學監(jiān)測相結(jié)合的方式進行。地表形變監(jiān)測在西岳臺問題嚴重區(qū)采用水準監(jiān)測，達到對宏觀和微觀形變的監(jiān)測;而深部巖體監(jiān)測采取先進的微震監(jiān)測技術(shù)。

2012—2015年由原國土資源部科技與國際合作司組織，與芬蘭阿爾托大學城市與區(qū)域研究中心、國家地質(zhì)試驗測試中心合作，通過“產(chǎn)、學、研”相結(jié)合的方式，總結(jié)北京典型煤礦采空塌陷監(jiān)測取得的實踐經(jīng)驗，針對深部應(yīng)力集中層位的巖石斷裂事件進行監(jiān)控，結(jié)合區(qū)域性地表形變監(jiān)測，建立采空區(qū)“地-空”立體型監(jiān)測技術(shù)示范研究，做到監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集分析，提高區(qū)域性關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警的整體技術(shù)水平（文興等，2014;郭玉豹等，2015）。

1 地質(zhì)概況

監(jiān)測示范區(qū)位于北京市房山區(qū)史家營鄉(xiāng)西岳臺村內(nèi)礦集區(qū)的塌陷區(qū)，為西岳臺村至小村澗村約3.5km2區(qū)域內(nèi)，西岳臺村及周邊地區(qū)采煤活動以改革開放以來開始活躍，經(jīng)原北京市國土局批準的集體煤礦有村西的福增煤礦，村北的翁窯煤礦，村南的安岳煤礦。詳見圖1。

（1）福增煤礦

福增煤礦礦權(quán)范圍位于西岳臺村西，離村子500m以遠，開采侏羅系窯坡組煤層，巷道位于700m水平，其采礦活動對西岳臺村影響不大。

（2）翁窯煤礦

翁窯礦礦界位于西岳臺村北側(cè)，巷道處于790m水平，主要開采侏羅系窯坡組四煤層和二煤層，該二層煤呈透鏡體產(chǎn)出，開采方式為斜坡后退爆破陷落法，其它煤層薄，亦采用斜坡后退爆破陷落法開采，生成規(guī)模為6萬噸/年。礦山開采圍巖條件為山西組砂巖和粉砂巖，屬較堅硬巖體，裂隙和斷層不發(fā)育，一般很少支護，在接近煤層或在煤巷中，煤層及頂板巖體疏松，需要密集支護，廢棄坑道內(nèi)巖石自然塌落高度一般為3m。

（3）安岳煤礦

安岳煤礦北界緊接西岳臺村南，開采石炭二疊系山西組煤層四煤層（M4）和五煤層（M5）。

監(jiān)測示范區(qū)位于百花山向斜的東南翼，除局部地段發(fā)育小型層間褶皺外，地層總體走向北東，傾向北西，傾角25°左右。斷裂構(gòu)造以小型為主，其中在青土澗西部為馬蘭斷裂帶的南延部分，小型斷裂較發(fā)育，造成窯坡組等地層呈斷塊狀多次重復(fù)。斷層總體走向北東40°左右，傾向西，傾角60°～80°。史家營西南斷裂相對較少，主要為北西和北東向，對地層亦有一定破壞作用。煤礦資源主要分布石炭系山西組和侏羅系窯坡組兩個地層單元中。

2 礦山分布及地面塌陷情況

監(jiān)測示范區(qū)分布的采空塌陷災(zāi)害有地面塌坑、地裂縫和建筑物變形，主要分布于村西和村南。經(jīng)過現(xiàn)場地面調(diào)查，發(fā)現(xiàn)西岳臺村現(xiàn)有地面塌陷坑6個（圖2、表1），其中較大的塌陷坑2個，分布于村子中部西側(cè);小塌陷坑（群）4個，分布于村子西部和南側(cè)。塌坑最長30m，最寬15m，最深12m，發(fā)生時間自2008年5月18日至2009年3月。其中5號塌坑和6號塌坑最大，位于西岳臺上街，呈串珠狀相連。

3 地面塌陷監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

3.1地表形變監(jiān)測網(wǎng)布置

（1）地表形變監(jiān)測網(wǎng)

監(jiān)測手段采用GPS、全站儀和水準儀等儀器。2015—2018年，在3.5km2研究區(qū)內(nèi)根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場情況，沉降觀測測點埋設(shè)均采用汽車鉆打孔，水泥砂漿灌注，待測點過凝固期穩(wěn)定后開始觀測?；鶞庶c埋設(shè)在影響區(qū)域以外的地區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，本次觀測埋設(shè)3個基準點，4個工作基點，埋設(shè)深度為2.50m，共計埋設(shè)15個沉降觀測點（圖3），埋設(shè)深度為1.50m。

（2）地表形變監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

以3次觀測初始值作為基準，監(jiān)測分析2015—2018年期間累計沉降量變化趨勢，數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測區(qū)大部分區(qū)域基本穩(wěn)定，符合前期勘查結(jié)果，判定監(jiān)測區(qū)內(nèi)采空區(qū)基本已過了活躍期。地表趨于穩(wěn)定，但老采空區(qū)對區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)生產(chǎn)生活仍然具有巨大的潛在威脅，在局部地區(qū)仍存在較大的沉降。區(qū)內(nèi)監(jiān)測點年均沉降最大的為（DM12）-9.91mm與（DM13）9.68mm，沉降形成了公路房屋為中心明顯的沉降區(qū)，以此沉降區(qū)為中心周邊沉降量在6～7mm之間，主要分布在賈史公路路旁沉降區(qū)，沉降量在1～3mm之間（表2、圖4）。

3.2 微震監(jiān)測布置及數(shù)據(jù)分析

微震監(jiān)測技術(shù)用于監(jiān)測巖體在變形和破壞過程中，裂紋產(chǎn)生、擴展、摩擦時內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放，產(chǎn)生微震事件。IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)是被設(shè)計安裝于露天礦和地下礦等嚴酷環(huán)境中，也適用于非礦山的應(yīng)用，如核廢料的地下儲藏，地表區(qū)域性地震監(jiān)測，水壩壩體監(jiān)測等（王書文等，2015;國巧真等，2005）。

（1）微震監(jiān)測原理

微震產(chǎn)生機理，巖石變形時，局部地區(qū)應(yīng)力集中，可能會發(fā)生突然的破壞，從而向周圍發(fā)射處彈性波，滑動產(chǎn)生P和S波（壓縮波和剪切波），兩者速度不同，P波>S波，可用三分量檢波器接收（圖5）。

三分量檢波器記錄的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)簡單處理后可得到微震記錄，其中每個微震都是P波在前，S波在后，他們都有3個分量：一個垂直分量（V），兩個水平分量（H1和H2）（蔡靜，2017;陳迪，2014）。

微震波形有體波（包括P波和S波兩種）和導(dǎo)波兩類，體波包括直達波、反射波、折射波等。其中最重要的是直達波，即從發(fā)震點直接傳播到檢測器被接收的微震，它在記錄到的微震數(shù)中占絕大多數(shù)。其特點是：在3個檢波器記錄上，每個分量上P波和S波成對出現(xiàn)，并且三個分量上的P波波至時間和S波波至時間分別相同。

（2）微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

IMS微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及判定主要使用Trace軟件。Trace 是一個軟件包，用來可視化和處理IMS地震系統(tǒng)收集的地震波數(shù)據(jù)。地震波處理是指確認P波和S波的到達，以估計地震事件的震源參數(shù)，如位置、輻射地震能和非彈性共地震形變（肖海平，2007;張睿，2014）。

2015年1月至2018年12月，IMS微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收微震事件5074起，經(jīng)判定，有效微震事件10起，無效微震事件5064起（表3）。微震事件多為周圍小范圍巖體開裂或錯動導(dǎo)致，亦有可能是采空區(qū)頂板破碎帶局部擠壓或松動產(chǎn)生。部分發(fā)生采空塌陷區(qū)內(nèi)巖石脆性破裂或剝落引起，10次微震事件與周邊自然地震事件相關(guān)。例如北京時間2016年04月19日01時10分，2016年11月03日19時43分40秒，中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)可查。通過多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計微震事件多發(fā)期在7—11月，受外界環(huán)境因素影響較大。

微震事件判定主要從通過波形形態(tài)，能量，頻譜特征等方面進行判定。首先從波形形態(tài)上，通常微震事件發(fā)生后，由于每個微震都是P波在前，S波在后，所以微震事件在波形形態(tài)上表現(xiàn)為“二級跳”，即先接收到P波，形成能量較弱的波形，在之后S波達到后再次形成振幅較大的波。其次在能量量級上，微震事件能量是以質(zhì)點速度表示的，作為震動幅度，微震事件能量范圍一般在E-6 到 E-4之間（楊志國等，2008;喬中棟等，2010）。最后在頻譜特征方面，微震事件通常不會連續(xù)發(fā)生，通常會形成獨立頻譜，見圖6。

4 討論

示范區(qū)采用水準聯(lián)測的方式進行地表測量，通過數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)波動可以確定7—11月第二、三季度，在DM6、DM12、DM13等點位，于6#塌陷坑周邊為沉降變化量較大區(qū)域。通過地表監(jiān)測技術(shù)方法，可確定了閉坑煤礦礦山周邊的沉降量時空變化特點。

示范區(qū)采用深部巖層斷裂監(jiān)測的方式進行監(jiān)測，通過資料分析，鉆探工作確定采空區(qū)應(yīng)力集中層，并規(guī)范安裝微震檢波器，監(jiān)測實踐證明微震系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)振動（擾動）事件采集靈敏度高，精度能夠滿足區(qū)域采空區(qū)微震事件的識別定位，可有效應(yīng)用于閉坑礦山采空塌陷監(jiān)測。

礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作是一項持續(xù)性的工作，需要不斷積累大量監(jiān)測數(shù)據(jù)和成果。因此，地表形變測量和微震監(jiān)測，仍要進一步加強后期監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)的維護，保證監(jiān)測工作的連續(xù)性和數(shù)據(jù)及時有效的采集分析。

5 結(jié)論

通過對比史家營采空塌陷區(qū)內(nèi)靜力水準測量，結(jié)合IMS微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合判定目前西岳臺采空塌陷區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在下一步監(jiān)測中針對史家營采空塌陷區(qū)內(nèi)深部位移計、靜力水準、GPS監(jiān)測站等專業(yè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合IMS微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合判定目前西岳臺采空塌陷區(qū)狀態(tài)。

通過地—空監(jiān)測手段發(fā)現(xiàn)采空塌陷區(qū)具有：1）隱蔽性。老采空區(qū)深埋于地下，人員難以進入，其特征一般難以弄清，采空區(qū)“活化”過程一般難以觀察。2）復(fù)雜性。其“活化”過程受多種自然和人為因素的影響，其“活化”機理、過程及其對地表的影響規(guī)律相當復(fù)雜。3）突發(fā)性。許多存在較大殘留礦洞的淺部老采空區(qū)，其失穩(wěn)破壞常常是突然性的，其塌陷時間難以準確預(yù)計。

通過采空區(qū)微震事件的采集分析，初步提出了基于微震事件和地表沉陷預(yù)測、預(yù)警的方法，探索了采空區(qū)微震事件分布與地表沉陷的關(guān)系，通過區(qū)域性礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測修復(fù)技術(shù)的示范研究，將以地表形變監(jiān)測為主的監(jiān)測思路、方式提高到深部應(yīng)力和巖層斷裂監(jiān)測為主的監(jiān)測思路、方式，揭示地表變形、塌陷形成的時空變化過程，提高監(jiān)測的預(yù)警能力，為全國區(qū)域性、關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測起到示范推動作用。

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