老舊采煤塌陷區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其穩(wěn)定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，劉歡歡

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

老舊采煤塌陷區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及其穩(wěn)定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，劉歡歡

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

采空塌陷嚴(yán)重影響了人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)采空區(qū)的穩(wěn)定性，提高預(yù)警的時(shí)效性，采空塌陷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。本文以北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村采空塌陷區(qū)為工程背景，建立了以GPS、靜力水準(zhǔn)、深部測(cè)斜、多通道微震監(jiān)測(cè)為主的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多源信息融合技術(shù)的采空塌陷區(qū)位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的全天候監(jiān)測(cè)?；贑AD-Surfer-ANSYS方法建立了采空區(qū)三維模型，實(shí)現(xiàn)了采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)體系的三維可視化管理，并在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)采空塌陷區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了初步分析，為采空塌陷災(zāi)害防治提供了技術(shù)支持。

采空塌陷；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；三維模型；防治

0 引言

地下開(kāi)采結(jié)束后，雖然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然壓實(shí)，但開(kāi)采后形成的地下空洞及不規(guī)則的巖體裂隙等將長(zhǎng)期存在，任何形式的擾動(dòng)都可能打破覆巖中已有的平衡，導(dǎo)致采空區(qū)及其覆巖二次移動(dòng)和變形，進(jìn)而導(dǎo)致地面建筑物沉陷、局部開(kāi)裂、傾斜等破壞，并造成人員嚴(yán)重傷亡和財(cái)產(chǎn)損失?；诖?，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)塌陷區(qū)狀況，及時(shí)掌握塌陷區(qū)變形規(guī)律變得尤為重要。

許多學(xué)者通過(guò)多種專業(yè)手段設(shè)計(jì)了不同的采空塌陷監(jiān)測(cè)方法，并取得了重要的成效。如劉曉菲等（2014）利用D-INSAR技術(shù)監(jiān)測(cè)了徐州某采空區(qū)的地表形變場(chǎng)；賈向前（2015）利用GPS和數(shù)字水準(zhǔn)儀對(duì)萬(wàn)家寨引黃工程北線的煤礦采空區(qū)進(jìn)行了地表位移監(jiān)測(cè)；盧宏建等（2013）采用12通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)東河灣鐵礦大型復(fù)雜滯留空區(qū)進(jìn)行了地壓監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了礦區(qū)地壓活動(dòng)的自動(dòng)化監(jiān)控；魏雨溪（2014）基于大冶鐵礦塌陷區(qū)地形及地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了基于GPS技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并提出了塌陷坑管理方案；芮勇勤（2010）采用INSAR和GPS融合技術(shù)，開(kāi)展了高速公路采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)研究；甘懷營(yíng)（2011）采用聲發(fā)射、鉆孔攝像技術(shù)對(duì)深部采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖損傷情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，研究了深部采場(chǎng)開(kāi)挖過(guò)程中圍巖損傷演化規(guī)律，為礦區(qū)安全開(kāi)采提供了技術(shù)支持；林?。?009）以程潮鐵礦西區(qū)為工程背景，開(kāi)展了基于GPS技術(shù)的地表變形監(jiān)測(cè)研究；張玉成（2014）以山東某煤礦為背景，借助于多年GPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)了煤礦采空區(qū)地表沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；胡靜云（2014）以大紅山鐵礦為例，基于手持式GPS、全站儀、微震等技術(shù)，開(kāi)展了采空區(qū)地表及覆巖的全方位監(jiān)測(cè)。

上述監(jiān)測(cè)研究對(duì)于促進(jìn)采空塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的發(fā)展具有重要意義，但大多限于生產(chǎn)中的礦區(qū)，對(duì)于老舊采空區(qū)殘余變形的監(jiān)測(cè)為數(shù)不多，尚不能滿足老采空區(qū)殘余變形預(yù)測(cè)和穩(wěn)定性分析的需要。因此，對(duì)老舊采空區(qū)殘余變形監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，進(jìn)而獲得老采空區(qū)殘余變形演變規(guī)律，對(duì)于老采空區(qū)塌陷災(zāi)害防治和綜合治理具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 南港村采空塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

北京市門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)南港村位于門頭溝區(qū)王平鎮(zhèn)東部，村域范圍內(nèi)地下蘊(yùn)藏著豐富的煤炭資源，開(kāi)采歷史悠久，最早可上溯至解放前。由于長(zhǎng)期無(wú)序的地下開(kāi)采，在采空區(qū)及其影響范圍內(nèi)形成了0.3km2的大面積地面塌陷變形區(qū)，發(fā)育有條帶狀或串球狀塌陷，并引發(fā)了地裂縫、墻體開(kāi)裂等不同程度的災(zāi)害，不僅破壞了地表地質(zhì)環(huán)境，而且成為嚴(yán)重地危害人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的重要因素之一。

為剖析老舊采空區(qū)覆巖及地表移動(dòng)規(guī)律，判別老舊采空區(qū)在上覆巖層重力和外部載荷作用下的“活化作用”。根據(jù)采空塌陷邊界、影響邊界以及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，結(jié)合工程地質(zhì)條件及工程周圍環(huán)境條件，在該地區(qū)布設(shè)了以GPS、靜力水準(zhǔn)、深部測(cè)斜、多通道微震為主的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地表沉降、水平位移、深部位移及覆巖應(yīng)力進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè)（圖1），獲取第一手的觀測(cè)資料，為采空塌陷演變規(guī)律分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1 采空分布及主要監(jiān)測(cè)設(shè)備布設(shè)圖Fig.1 Distribution of underground goaf and monitoring devices

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)采空塌陷區(qū)可視化管理，在充分搜集采空塌陷區(qū)已有工程地質(zhì)圖和采空區(qū)勘察資料的基礎(chǔ)上，采用CAD-SURFER-ANSYS聯(lián)合建模方式，建立了采空塌陷區(qū)大型三維地質(zhì)模型（圖2）。

圖2 采空塌陷區(qū)三維地質(zhì)圖（含監(jiān)測(cè)設(shè)備）Fig.2 Three dimensional model of subsidence area

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析及穩(wěn)定性預(yù)測(cè)

2.1 位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間調(diào)整校正后，我們做了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的初步分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)部分成果見(jiàn)圖3～圖5，由此可知，GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大沉降值為3.033mm；靜力水準(zhǔn)最大沉降值為9.93mm，深部測(cè)斜儀不同層位（75m、85m以及95m分別安裝傳感器）X方向位移呈現(xiàn)較好的一致性，即同一時(shí)刻上部傳感器位移大于下部傳感器位移，表現(xiàn)出淺部巖層變形較大。由此可見(jiàn)，該地區(qū)位移場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本成型，量級(jí)較小，上覆巖層和地表位移目前均處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 GPS監(jiān)測(cè)曲線圖Fig.3 Monitoring data of GPS

圖4 靜力水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)曲線圖Fig.4 Monitoring data of static leveling inclinometer

圖5 深測(cè)斜儀X方向監(jiān)測(cè)曲線圖Fig.5 Monitoring data of GPS

2.2 微震監(jiān)測(cè)分析

微震傳感器于2014年10月27日 00：05和03：20時(shí)監(jiān)測(cè)到了微震事件，其圖譜如圖6所示，經(jīng)后續(xù)分析可知，該微震事件是由外部施工造成，并非采空塌陷區(qū)失穩(wěn)事件。

圖6 微震事件圖譜（上為00：05的事件，下為03：20的事件）Fig.6 Monitoring event of microseism

2.3 數(shù)值模擬初步分析

數(shù)值模擬模型尺寸為651m×837m×170m，單元總數(shù)151623，節(jié)點(diǎn)總數(shù)175232。計(jì)算中，將圍巖礦體均視為彈塑性連續(xù)介質(zhì)，采用莫爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則，初步計(jì)算了采空塌陷區(qū)位移場(chǎng)基應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律（圖7、圖8），結(jié)果表明，采空塌陷區(qū)現(xiàn)有位移和應(yīng)力均未出現(xiàn)突變，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 采空塌陷區(qū)位移云圖Fig.7 Displacment contour of surface subsidence

圖8 采空塌陷區(qū)應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour of surface subsidence

3 結(jié)論

南港村多年無(wú)序開(kāi)采引起的巖層及地表移動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，涉及到眾多地質(zhì)及采礦因素，本文根據(jù)采空塌陷區(qū)實(shí)際地質(zhì)特征，設(shè)計(jì)出比較合理的采空塌陷監(jiān)測(cè)體系，取得如下成果：

（1）門頭溝南港采空塌陷區(qū)采空塌陷較為復(fù)雜，危害程度較大，構(gòu)建以地表位移、深部位移、應(yīng)力監(jiān)測(cè)為主的多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采空塌陷區(qū)的全天候立體監(jiān)測(cè)，為該地區(qū)采空塌陷預(yù)警提供技術(shù)支持。

（2）基于CAD-SURFER-ANSYS的聯(lián)合建模方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地表下的三維模型的快速建立，為采空塌陷的可視化管理提供了便利。

（3）現(xiàn)階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬結(jié)果表明，南港地區(qū)采空塌陷目前位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)均未出現(xiàn)大突變現(xiàn)象，處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）建議持續(xù)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)后續(xù)監(jiān)測(cè)資料的綜合分析，開(kāi)展采空塌陷區(qū)演變規(guī)律分析和長(zhǎng)期穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，為采空塌陷區(qū)的綜合防治提供科學(xué)依據(jù)。

甘懷營(yíng)，2011. 基于多種監(jiān)測(cè)手段的深部采場(chǎng)開(kāi)挖圍巖損傷演化規(guī)律研究[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué).

胡靜云，李庶林，林峰，等，2014. 特大采空區(qū)上覆巖層地壓與地表塌陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)研究[J]. 巖土力學(xué)，35(4)：1117-1122.

賈向前，2015. 采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)技術(shù)分析[J]. 山西水利，(7)：29-30.

劉曉菲，鄧喀中，范洪冬，等，2014. D-insar監(jiān)測(cè)老采空區(qū)殘余變形的試驗(yàn)[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，39(3)：467-472.

林健，2009. 基于GPS監(jiān)測(cè)的地下開(kāi)采礦山地表變形分析與預(yù)測(cè)研究[D]. 武漢：中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所.

盧宏建，李占金，陳超，2013. 大型復(fù)雜滯留采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方案研究[J]. 化工礦物與加工，(2)：28-32.

芮勇勤，陳佳藝，丁曉利，2010. 基于InSAR與GPS技術(shù)的公路采空區(qū)變形監(jiān)測(cè)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），31(12)：1773-1776.

魏雨溪，2014. 大冶鐵礦塌陷區(qū)變形破壞特征及監(jiān)測(cè)方案研究[D]. 武漢：武漢工程大學(xué).

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Dynamic Monitoring and Stability Prediction of Old Coal Mining Subsidence Area

ZHAI Shuhua, WANG Yihong, MAO Jian, LIU Huanhuan
(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

The mining subsidence is the important factor to threaten the local people’s lives and properties. It is very important to monitor the subsidence for evaluating the stability and accurately predicting the occurrence time. Nangang Village mining subsidence area, Wangping Town, Mentougou District, Beijing, is taken as the engineering background study area in this paper. A three-dimension monitoring system based on GPS, static leveling inclinometer as well as microseism monitoring technique are established, which realizes the 24-hour monitoring of stress field and displacement field; then, a three-dimension geological model is established by means of CAD-Surfer-ANSYS, which realizes the visualization of monitoring system. Besides, the monitoring data and numerical simulation data are analyzed primary, which offer technique supports for prevention and control of mining subsidence.

Mining subsidence; Real-time monitoring; Three-dimension model; Prevention and control.

A

1007-1903（2017）04-0054-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.010

翟淑花（1979- ），女，博士，高工，主要從事巖土工程可靠性及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面研究。E-mail:：zhaishuhuahbu@163.com