某調(diào)蓄水庫采空區(qū)地裂縫監(jiān)測研究分析

常新忠 楊秀峰 王樹奎

（河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008）

擬建的某調(diào)蓄水庫位于某市境內(nèi)，占地8990 畝，平均深度20m，總庫容1.02 億m3。某地煤礦的煤田分布于規(guī)劃某調(diào)蓄水庫北側(cè)（新莊斷裂以北，太清村、盤古寨和前河柳村一線的北側(cè)），如圖1 所示。

圖1 庫區(qū)范圍內(nèi)地裂縫

某地煤礦開采自2018 年，開采深度不斷增大，并向某調(diào)蓄水庫場地方向延伸。煤礦開采在該擬建水庫工程周邊形成眾多的采空區(qū)，施工現(xiàn)場地下原始受力結(jié)構(gòu)被破壞，引起地表移動現(xiàn)象。擬建的某調(diào)蓄水庫范圍內(nèi)的地裂縫位于盤古寨村東北部，起始于盤古寨村，延伸至沂水河右岸，整體長度≥250m。近似呈直線型，走向基本與隱伏的新莊斷裂一致，位于規(guī)劃某調(diào)蓄水庫庫區(qū)內(nèi)，可能會對某調(diào)蓄水庫建設(shè)施工產(chǎn)生不良的影響，需針對采空區(qū)地裂縫加強(qiáng)監(jiān)測，以為調(diào)蓄水庫工程設(shè)計以及施工方案的制定提供參考。

地裂縫自2019 年3 月出現(xiàn)，即采礦在先，裂縫在后，具體表現(xiàn)為：地表張開寬度0.2～1.5m，呈塌陷坑狀，可見深度一般2～3m，最深處可達(dá)9m 左右。

2019 年10 月礦區(qū)局部出現(xiàn)采空沉陷，地下形成局部陷空，新莊斷層上盤巖體向北西松弛形成拉應(yīng)力。上盤巖體向北小量位移，帶動覆蓋層產(chǎn)生相應(yīng)的局部拉應(yīng)力場可能對地裂縫有誘發(fā)影響作用。為保證某調(diào)蓄水庫建設(shè)期的安全運(yùn)行，對地裂縫及采空區(qū)進(jìn)行持續(xù)變形監(jiān)測，以計算出沉降量，并評估變形程度。

觀測地裂縫及采空區(qū)在施工前、施工期、運(yùn)行期的變形情況，利用觀測資料預(yù)測地裂縫及采空塌陷區(qū)穩(wěn)定情況及發(fā)展趨勢，為采空區(qū)段工程設(shè)計、施工、工程管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

在某調(diào)蓄水庫建設(shè)前、建設(shè)過程中以及建設(shè)投入運(yùn)行后，針對地裂縫與采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，準(zhǔn)確實(shí)時掌握兩者變化動態(tài)，評估未來的發(fā)展趨勢，獲取全面、系統(tǒng)的監(jiān)測成果，以為某調(diào)蓄水庫工程前期規(guī)劃、工程設(shè)計與施工期間的質(zhì)量管理等各項(xiàng)工作奠定基礎(chǔ)，并對研究采空區(qū)剩余沉降規(guī)律和影響因素提供完整的信息數(shù)據(jù)支持。

1 采空區(qū)影響邊界

根據(jù)某地煤礦采礦資料，煤層為北東走向，傾角3～20°，采煤層為二1 煤層和二3 煤層，在采空區(qū)影響邊界計算中假定為最差情況，新莊斷裂北側(cè)經(jīng)過長時間的煤炭生產(chǎn)，形成大面積的采空區(qū)，計算公式如下：

L=S+q

公式計算使用的是垂直剖面法，其中L 為地裂縫的影響范圍；S 為土層移動距離；q 基巖移動距離。

式中：H 為采空區(qū)覆巖頂板厚度（m），覆蓋土層厚度25～50m，頂板基巖厚度310～410m；φ、β 為覆蓋土層及基巖移動角，據(jù)某市礦區(qū)采空沉陷區(qū)經(jīng)驗(yàn)值：第四系地層φ 取45°，基巖下山方向β 取57°；θ 為采空區(qū)邊界與煤層走向之間所夾的銳角，取0°。

計算結(jié)果：影響距離L 為143～171m，再加上預(yù)留安全距離50m，即193-221m 的水平距離為預(yù)測的地表沉陷影響安全邊界。

2 監(jiān)測方案

2.1 垂直位移監(jiān)測儀器的選用

垂直位移監(jiān)測儀器選用美國天寶DiNi 12 電子水準(zhǔn)儀，觀測精度非常高，測量誤差為0.3mm，在野外觀測中具有良好的適用性，快速測量時間小于3s，工作溫度-20～50℃，只要有白光的條件就可進(jìn)行高精度測量，視距范圍1.5～100m，并具備多種水準(zhǔn)導(dǎo)線測量模式，配銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行。在正式監(jiān)測之前，儀器、標(biāo)尺等監(jiān)測用具，均送至第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)的調(diào)校與檢測，保證測量數(shù)據(jù)的可靠性。本次監(jiān)測選用的儀器、用具等均符合相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求，具備垂直位移監(jiān)測的可行性。

2.2 水準(zhǔn)觀測

水準(zhǔn)觀測遵循1985 國家高程基準(zhǔn)，從采空區(qū)地裂縫的垂直位移入手，按照變形監(jiān)測技術(shù)規(guī)范的要求，調(diào)校復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)。同時根據(jù)采空區(qū)沉陷段的沉陷程度與面積，靈活布設(shè)水準(zhǔn)線，水準(zhǔn)線在基準(zhǔn)點(diǎn)之間閉合布設(shè)，并與其他觀測點(diǎn)連接。完成水準(zhǔn)線路布設(shè)后，初次觀測與后續(xù)觀測所有事項(xiàng)、流程不可發(fā)生改動，包括了儀器、用具、觀測路線與順序、具體操作方法，甚至是觀測人員都不可在水準(zhǔn)觀測途中發(fā)生變動，以防止出現(xiàn)人員誤差、裝置誤差、方法誤差等問題，確保水準(zhǔn)觀測的精度。

該地裂縫位于盤古寨村，一些觀測點(diǎn)設(shè)置在耕地中，采用普通尺墊會受到耕地疏松土壤的影響，形成一定的觀測誤差，建議采用鋼材尺樁以避免觀測不良因素的影響。此外，為了保證觀測結(jié)果的精確性，在觀測之前密切關(guān)注當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓?，盡量在天氣晴朗、視線良好的情況下進(jìn)行，詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1

2.3 記錄整理計算

基于三等水準(zhǔn)觀測的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)記錄選擇使用電子(數(shù)字)水準(zhǔn)儀的PC 卡，一邊觀測一邊完成記錄。完成觀測后，按照監(jiān)測技術(shù)規(guī)程的要求匯總外業(yè)記錄，最后整理成監(jiān)測報告，計算出監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2.4 水平位移測量接收機(jī)使用

水平位移測量數(shù)據(jù)的接收端使用的是GPS 接收機(jī)，為水平位移的高精度測量提供技術(shù)解決方案，可將測量誤差控制在mm 級。本次觀測選用的是6 臺瑞士徠卡Leica 1200 型雙頻靜態(tài)GPS 接收機(jī)，每個頻道有12 個信道，重量僅有2.8kg，與SmartStation 完美兼容，并可實(shí)現(xiàn)長距離RTK，工作溫度-40～65℃，在惡劣天氣及觀測條件下也能適用。

2.5 GPS 觀測

GPS 觀測采用的是三等水準(zhǔn)測量，首先，在正式觀測之前，深入觀測區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘，確定沉陷段的實(shí)際情況，初步確定觀測點(diǎn)位，以及周邊環(huán)境有無干擾信號等，綜合調(diào)研信息后制定觀測計劃；其次，在沉陷段觀測布設(shè)過程中，采用控制網(wǎng)觀測方式，邊連接各個沉陷段，兩端為基準(zhǔn)點(diǎn)；再次，觀測技術(shù)參數(shù)設(shè)計，觀測時段1h，時段數(shù)1 個，衛(wèi)星6顆，PDOP≤6，天線對中精度≤2mm，采集頻率30s；最后，起算點(diǎn)定位時間超過半小時，平差處理軟件采用Leica Geo Office，計算使用2000 國家大地坐標(biāo)系。

監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求: 根據(jù)中華人民共和國建設(shè)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的《工程測量通用規(guī)范》中國建筑工業(yè)出版社.(GB55018-2021)。根據(jù)某調(diào)蓄水庫地裂縫的實(shí)際情況，監(jiān)測選用了三等水準(zhǔn)測量，構(gòu)建了垂直位移與水平位移監(jiān)測三等基準(zhǔn)網(wǎng)，具體參數(shù)詳見表2。

表2

2.6 基于InSAR 技術(shù)對采空區(qū)的監(jiān)測

InSAR 技術(shù)是利用同一地區(qū)兩幅或以上的不同時間的兩景（SAR 圖像）組成干涉圖，利用外部的DEM 反演干涉相對的空間幾何條件下的地形相位，不考慮地形問題的基礎(chǔ)上，開展差分處理，去除該地形相位，得到地表實(shí)際圖像，經(jīng)過圖像解讀計算出形變量。

3 成果匯總分析

3.1 一般監(jiān)測結(jié)果分析

地表移動變形范圍及位移量：根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，地表裂縫正向南、向西發(fā)展，水平向發(fā)展速率為2～4m/d，下沉變形最大20cm/d，6 月份以來變形有放緩趨勢。自2019 年10 月采空區(qū)地表建筑物出現(xiàn)變形以來，在采空區(qū)及周邊分別沿煤層走向和傾向設(shè)置了觀測點(diǎn)，采用沉陷區(qū)地表長時間積累的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到某調(diào)蓄水庫采空區(qū)地裂縫走向與傾向沉降曲線圖，如圖2 所示。

圖2 地表沉降曲線

根據(jù)沉降曲線圖，自2020 年1 月～5 月沉降變形最大，自2020 年6 月地表變形趨于穩(wěn)定。

3.2 InSAR 結(jié)果分析

利用DInSAR 技術(shù)二軌法，對2019 年6 月至2021年6 月期間的水庫Sentinel-1A (哨兵-1A)數(shù)據(jù)進(jìn)行形變試驗(yàn)研究，獲取其形變信息。利用獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù)，選擇相鄰時間的圖像組成9 個干涉對，每個干涉對中，時間較前者為主影像。根據(jù)SAR 數(shù)據(jù)量多少，數(shù)據(jù)量滿足InSAR 時間序列分析的要求，利用SBAS-InSAR 的時間序列分析方法，時間基線閾值為365d,空間基線閾值2000m，通過自由組合構(gòu)建得到9 個符合條件的干涉對，進(jìn)行InSAR 數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用SVD 分解后，得到最終的沉降反演結(jié)果（X、Y 兩方向變形速率，沉降速率，最終沉降量和沉降范圍）示意如圖3 所示。

圖3 InSAR 監(jiān)測形變示意圖

根據(jù)InSAR 監(jiān)測結(jié)果，從中可以看出，2019 年10 月之后采空區(qū)才發(fā)生沉降，有地表沉降等值線可知，采空區(qū)距離某調(diào)蓄水庫500 米左右，沉降洼地面積0.75 平方公里，監(jiān)測期間洼地中心線沉降量接近7.0 米左右，邊緣沉降量為0.2 米，Y 方向變形速率2020 年5 月～6 月份達(dá)到最大2～4m/d ，沉降變形量0.2m/d，6 月份以來變形速率逐漸減小，有穩(wěn)定趨勢。監(jiān)測時間范圍內(nèi)沉降范圍在不斷擴(kuò)大，與現(xiàn)場調(diào)查采礦持續(xù)活動情況吻合。隨著煤礦的持續(xù)開采會造成變形影響范圍逐漸擴(kuò)展，存在影響某調(diào)蓄水庫安全隱患。

4 結(jié)論

根據(jù)某調(diào)蓄水庫前期的監(jiān)測成果綜合分析可以獲知，采空區(qū)沉陷縫的成因與煤礦開采有著直接的關(guān)系，采空區(qū)地層結(jié)構(gòu)原始受力結(jié)構(gòu)被破壞，再加上在地球重力的作用下，導(dǎo)致地表拉伸出現(xiàn)位移、變形、裂縫等現(xiàn)象。裂縫單個或多個分布在移動盆地的外邊緣，并有塌陷表現(xiàn)。在監(jiān)測過程中，廣泛收集了采礦資料，以及采空區(qū)地裂縫歷史性監(jiān)測成果或相關(guān)的文件資料等，結(jié)合本次監(jiān)測成果綜合分析與解讀后，獲取了以下結(jié)論。

4.1 盤古寨的地裂縫非煤礦開采引起的采空區(qū)地裂縫，采空區(qū)的地裂縫中塌陷長度有幾百米，上部的垂直位移數(shù)據(jù)較大，而下部較小。而盤古寨地裂縫在平面上是近似直線型，規(guī)模較大，地表沒有塌陷盆地，地面亦沒有錯臺，這些均不符合采空區(qū)塌陷地裂縫的特征。

4.2 地裂縫發(fā)現(xiàn)的時間在2019 年3 月，而當(dāng)時某煤礦采空區(qū)開始形成2019 年10 月，最近采空區(qū)的采深在200～450m，其與風(fēng)井上山巷道距地裂縫在1.5km（平面距離）左右，而開采引起沉陷的影響范圍在300m 以內(nèi)，幾乎不會影響到盤古寨的地裂縫。

4.3 根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查某地煤礦地表形變發(fā)展趨勢，采區(qū)逐漸靠近沂水河左岸，15 采區(qū)2019 年10 月至2020年5 月間，在某地行政村柳莊和花牛李自然村之間，地表已形成了沉陷洼地，南北向延伸呈條帶狀沉陷洼地，斷面近似梯形，洼地寬約500m，高差5～7m，沉陷縫已發(fā)展至風(fēng)井上山巷道位置。以最差情況為基礎(chǔ)，設(shè)定15 采區(qū)風(fēng)井上山巷道以北全部開采完，根據(jù)L=S+q、S 土層移動距離、q 基巖移動距離等公式進(jìn)行計算，覆蓋土層平均厚度為150m，頂板基巖厚度80～300m；β 據(jù)附近相似礦區(qū)采空塌陷區(qū)實(shí)測值：第四系地層β 取45°，基巖（煤系地層）下山方向β 取53°；經(jīng)估算算可得王行莊煤礦15 采區(qū)南翼二1、二3 煤層采空最大影響范圍為采空區(qū)周邊300～400m 區(qū)域。所以，地裂縫位于地下采空區(qū)開采沉陷影響邊界以外。

煤田分布于某調(diào)蓄水庫北側(cè)，水庫占壓煤田面積約為2.9km2。水庫根據(jù)規(guī)劃及工程布置需進(jìn)行擴(kuò)容，且?guī)熘苓M(jìn)行修筑堤壩，該區(qū)域煤田為某地煤礦今后幾年的開采區(qū)，局部已形成采空區(qū)，建議地裂縫部位的構(gòu)筑物采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以避免不均勻變形。根據(jù)地裂縫的發(fā)展情況，進(jìn)一步分析、評價地裂縫對本工程影響。

初步監(jiān)測結(jié)果，分析地裂縫基本趨于穩(wěn)定。由于該水庫工程進(jìn)行的是地表監(jiān)測，如何進(jìn)行有效的動態(tài)監(jiān)測將起到很重要的作用；如何采取適應(yīng)不均勻沉降變形的工程處理措施，防止?jié)B漏技術(shù)將起到重要的作用。通過對監(jiān)測成果的綜合研判，確定盤古寨村地裂縫整體較為穩(wěn)定，受到煤礦開采影響較小，變形發(fā)展速度非常緩慢，對于某調(diào)蓄水庫工程建設(shè)影響程度較小。但是盤古寨村地裂縫與新莊斷裂距離較近，并且處于新莊隱伏斷裂上方，對于地基施工存在一定的質(zhì)量隱患，建議地裂縫部位的構(gòu)筑物采取相應(yīng)的預(yù)防措施，以避免不均勻沉降。