河南省北部地區(qū)礦山開采引發(fā)的地面沉降監(jiān)測研究

張青鎖，于松暉，鄭光明

（1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016；2.河南省地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450016）

河南北部平原地區(qū)位于華北平原的西南部，地勢西高東低，包括安陽市、濮陽市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濟(jì)源市等6個(gè)省轄市的31個(gè)縣（市、區(qū)），面積約21641.00㎞2。自20世紀(jì)80年代以來，該地區(qū)的安陽市、鶴壁市、濮陽市、新鄉(xiāng)市等均有不同程度地面沉降，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)程度愈加強(qiáng)烈，地面沉降有加劇趨勢［1-6］。地面沉降造成了公共設(shè)施破壞、線型工程受損、地面水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)、河流防洪能力降低［7，8］。建設(shè)完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，開展地面沉降監(jiān)測是制定地面沉降防控措施的基礎(chǔ)。

建立河南北部礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測地面沉降分布和發(fā)育規(guī)律，可以為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施與重大工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防御、自然資源利用與管控提供科學(xué)依據(jù)。

1 礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)

礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)保持了控制監(jiān)測和重點(diǎn)監(jiān)測的相協(xié)調(diào)。在監(jiān)測網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專業(yè)監(jiān)測的設(shè)置、具體監(jiān)測手段的配置上，體現(xiàn)系統(tǒng)性和完整性。根據(jù)礦山地質(zhì)條件及以往工作獲取的地面沉降狀況，結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃，重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)參考地下水降落漏斗范圍，兼顧河南省北部地區(qū)規(guī)劃，主要以重大工程為研究重點(diǎn)，以水準(zhǔn)剖面測量和自動(dòng)化監(jiān)測為主，重點(diǎn)監(jiān)測礦山開采區(qū)周圍地面沉降地裂縫形變特征。其他區(qū)域進(jìn)行控制性監(jiān)測，主要采用GNSS監(jiān)測、地下水監(jiān)測進(jìn)行宏觀區(qū)域性監(jiān)測。

1.1 GNSS監(jiān)測網(wǎng)

考慮到GNSS網(wǎng)監(jiān)測成果的以后應(yīng)用，參考原有A、B級(jí)控制網(wǎng)及CORS基準(zhǔn)站作為控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù)；首級(jí)監(jiān)測網(wǎng)以能夠滿足下一步GNSS監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)為原則，點(diǎn)位盡可能均勻分布，B級(jí)GNSS點(diǎn)選點(diǎn)在滿足礦區(qū)需要的同時(shí)控制范圍盡可能要大，平均距離50 km；充分利用符合GNSS布點(diǎn)要求有二、三等國家控制點(diǎn)和其他相應(yīng)等級(jí)的控制點(diǎn)標(biāo)石；GNSS網(wǎng)應(yīng)有一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立觀測環(huán)構(gòu)成，但閉合環(huán)的邊數(shù)或附合路線的邊數(shù)一般情況下不大于6條。本次布設(shè)的GNSS監(jiān)測網(wǎng)共有83個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中新建B級(jí)GNSS監(jiān)測點(diǎn)66個(gè)（全部為土層天線墩），搜集GNSS監(jiān)測點(diǎn)17個(gè)。

1.2 地面水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)

水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)重點(diǎn)布設(shè)在礦區(qū)地下水降落漏斗范圍，主要有兩個(gè)監(jiān)測區(qū)：清豐—南樂監(jiān)測區(qū)和孟州—溫縣監(jiān)測區(qū)。本次水準(zhǔn)網(wǎng)建立了二等水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)200個(gè)。其中，清豐—南樂監(jiān)測區(qū)涉及安陽市文峰區(qū)、安陽縣、內(nèi)黃縣、滑縣、湯陰縣、濮陽市華龍區(qū)、南樂縣、清豐縣、鶴壁市?？h等，面積約3520km2，建設(shè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)150個(gè)；孟州—溫縣監(jiān)測區(qū)涉及沁陽市、孟州市、武陟縣、博愛縣、溫縣等縣市，面積約1040km2，建設(shè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)50個(gè)。監(jiān)測頻率1次/年。

1.3 自動(dòng)化監(jiān)測網(wǎng)

自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)建設(shè)參照連續(xù)運(yùn)行參考站建設(shè)要求，用于對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的地面沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)。本次建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)13個(gè)。監(jiān)測頻率為2次/天，上報(bào)1次/天。

1.4 地下水監(jiān)測網(wǎng)

根據(jù)礦山開采區(qū)地下水開采情況、開采井孔分布情況及井孔利用和保護(hù)程度，本次共布置地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔80個(gè)，其中淺層地下水監(jiān)測井59個(gè)，中深層地下水監(jiān)測井21個(gè)。布置地下水統(tǒng)測孔400個(gè)。其中淺層地下水統(tǒng)測井344個(gè)，中深層地下水統(tǒng)測井56個(gè)。監(jiān)測方法采用了人工觀測與儀器觀測相結(jié)合方式進(jìn)行。人工觀測的監(jiān)測孔監(jiān)測頻率為5天1次，儀器觀測的頻率為1天1次。

2 監(jiān)測網(wǎng)試運(yùn)行結(jié)果

2.1 區(qū)域地面沉降空間特征

根據(jù)GNSS監(jiān)測結(jié)果，繪制了GNSS監(jiān)測地面沉降等值線圖（圖1）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，2016-2017年工作區(qū)大部分區(qū)域發(fā)生了沉降（表1），沉降面積18909.9 km2；最大年沉降量106.5mm，年沉降量0mm～40㎜的面積達(dá)17165.8 km2，占工作區(qū)79.4%。

表1 工作區(qū)GNSS監(jiān)測地面沉降面積統(tǒng)計(jì)表

-90～-80 103.5 0.5-100～-90 96.6 0.4≤-100 74.0 0.3合計(jì) 21641.0 100.0

2.2 重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)地面沉降特征

（1）南樂縣礦山開采沉降監(jiān)測區(qū)。根據(jù)水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果，該區(qū)存在3個(gè)明顯沉降中心：內(nèi)黃縣田氏鎮(zhèn)沉降中心，最大年均沉降量為74.5mm；年沉降量大于70mm的沉降面積約0.04km2。南樂縣韓張鎮(zhèn)郭莊村沉降中心，最大年均沉降量為58.6mm；年沉降量大于50mm面積為1.27 km2?？？h屯子鎮(zhèn)沉降中心，最大年均沉降量為47.5mm；年沉降量大于40mm的面積為1.40 km2。

（2）溫縣礦山開采沉降監(jiān)測區(qū)。該區(qū)沉降中心位于武陟縣寧郭鎮(zhèn)大聶村學(xué)校附近，最大沉降量45.7mm。沉降量大于30mm的面積14.10km2。

圖1 GNSS監(jiān)測地面沉降等值線圖

表2 地面沉降發(fā)育程度分區(qū)表

2.3 礦山開采區(qū)地面沉降特征

本次工作在新鄉(xiāng)市和濮陽市2個(gè)主要城市布置了地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)。新鄉(xiāng)市7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)均存在不同程度的沉降，年沉降量1.4mm～15.1mm；濮陽市6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)有5個(gè)均存在不同程度的沉降，年沉降量1.2mm～11.7mm，另外有1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上升5.8mm。

3 地面沉降發(fā)育程度分區(qū)

根據(jù)GNSS監(jiān)測、水準(zhǔn)監(jiān)測、自動(dòng)化監(jiān)測成果，綜合確定工作區(qū)地面沉降發(fā)育程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：年沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，50mm/a～30mm/a為地面沉降中等發(fā)育區(qū)域，30mm/a～0mm/a為地面沉降弱發(fā)育區(qū)域，上升大于0mm/a為上升區(qū)域。據(jù)此將工作區(qū)劃分為20個(gè)地面沉降發(fā)育區(qū)域（表2）。其中4個(gè)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，面積約221.61km2，占總面積的1.03%；10個(gè)地面沉降中等發(fā)育區(qū)域，面積約2081.41km2，占總面積的9.61%；4個(gè)地面沉降弱發(fā)育區(qū)域，面積約18973.11km2，占總面積的87.66%；2個(gè)上升區(qū)域，面積約366.53km2，占總面積的1.70%。

4 結(jié)束語

（1）為了監(jiān)測河南北部地區(qū)礦山開采引發(fā)的地面沉降，本次工作建設(shè)了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)各種設(shè)施279個(gè)，其中建立了GNSS觀測墩66座，埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)石200座，建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)13座；初步建成一個(gè)完整的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)。監(jiān)測網(wǎng)經(jīng)過試運(yùn)行，獲取了工作區(qū)地面沉降數(shù)據(jù)，為河南省北部地區(qū)礦山開采區(qū)引發(fā)地面沉降防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）監(jiān)測結(jié)果顯示河南省北部大部分礦山開采區(qū)域都發(fā)生了不同程度的沉降情況，重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)有4個(gè)沉降中心。有4個(gè)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域，10個(gè)地面沉降中等發(fā)育區(qū)域，4個(gè)地面沉降弱發(fā)育區(qū)域，2個(gè)上升區(qū)域。經(jīng)過與地下水位監(jiān)測成果對(duì)比，礦山開采區(qū)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域與地下水位強(qiáng)烈下降區(qū)范圍基本一致，說明地下水位變化對(duì)礦山開采區(qū)的地面沉降有較大影響。