应急监测在采空塌陷抢险中的应用实例

李妍松，黄妤诗，李蔚林，瞿 炼，刘希贵

(湖北省鄂州地质环境监测保护站，湖北鄂州 436000)

地质灾害应急监测，是指当突发性地质灾害产生时，为准确了解灾害体的变化趋势及预测突发性次生灾害，现场部署的一种动态监测手段［1］。通过对灾害体在时空上的变形破坏信息及灾变诱发因素信息实施动态监测，达到及时掌握灾害体的稳定状态、变化趋势的目的，预测爆发或产生次生灾害的可能与时间，为现场应急抢险的安全性提供技术保障。采空塌陷的应急救援工作主要在地下巷道开展，没有详细勘查的支持，抢险工作具有高危险性、空间局限性、不确定性及迫切性，因此对采空塌陷应急监测具有快速响应、迅速部署、实时监测、准确分析的技术要求。本文以湖北省鄂州市铜坑矿区“1·5”采空塌陷为例，介绍应急监测方案的选取及其在采空塌陷抢险中的应用。

1 概况

2015年1月5日13:40，鄂州市小铜坑矿区内发生采空塌陷，塌坑平面形态近椭圆形，塌陷面积约600 m2，可见深度约6 m，塌陷方量约3 000 m3。经过近45个小时的紧张救援，6名被困矿井工人先后成功获救，现场未发生次生灾害，救援工作圆满成功。

塌陷发生后，造成地下-60 m水平采矿巷道被堵塞，6人被困井下［2］。地表塌陷坑周边可见圆弧形坍滑座落现象，稳定性差，塌陷区产生再次塌陷的可能性较大。

但现场情况是急需派遣施救人员下井救援被困矿工，其后对塌陷区进行封填，以免在不利外因影响下，塌陷变形区继续发展扩大，威胁到矿区员工住宅区及办公室，对矿区内生命财产安全造成更大损失。在此情形下，地表应急监测成为掌控灾害体变化趋势、预测突发性次生灾害、保障救援人员安全的重要手段。危难时刻，湖北省鄂州地质环境监测保护站承担了地面变形应急监测任务。

2 应急监测手段选取

采空塌陷的应急救援工作主要在地下巷道开展，灾害体发展趋势不稳定，救援空间狭小限制人员和设备进入，救援通道不稳定，被困人员所在深度不明确，救援工作具有高危险性、空间局限性、不确定性及迫切性。因此，应急监测方法的选择与监测点的布置应当注意现场空间性与设备适用性［3］。

地面塌陷所在矿区的全面调查及塌陷影响范围的确定是应急监测方案制定的基础［4］。地面塌陷应急现场具有救援空间局限性和人员繁杂的特点，突发性和应急性要求设备选择以地面位移变化监测为主，辅以定期人工地表巡查。在巡查过程中，要及时记录地表变形情况及变形时间，并找出每次变形的影响因素，为抢险工作的应急部署、快速响应作出预测［5］。

以往地表变形测量多采用传统的大地测量方法，通过建立平面和高程中误差为毫米级的小型监测控制网，测量监测网上各点的空间微小变动量。其需要的工作人员较多，存在单点工作周期长、工作效率低的问题，且施工救援现场复杂，监测站点间通视较差。因此常规大地测量方法难以满足应急监测的任务要求。

由于本次塌陷地下变形影响区域深度超过100 m，受空间限制，地表应急监测采用GPS静态相对定位技术。GPS静态相对定位技术是利用接收空中卫星信号测距进行定位，这种定位技术观测时间短(并可进行连续的动态观测)，无须测站间通视，精度可以达到毫米级，大大减少工作量。而且利用无线通信技术可以将观测数据传到数据处理中心，可以实时监测工作区地表变形特征［6］。受空间范围影响，地下变形以与地下工作人员实时沟通为主。在此基础上，派遣专职监测人员定期对塌陷区影响范围进行巡查。

3 监测方案

3．1 地表监测点布置

为有效监控、监视塌陷区域变形情况，灾害发生后，本站技术人员立即在塌陷坑周边布设了5个GPS监测点(包括1个基准点和4个变形监测点)，详见图1。基准点布设于距离塌陷坑附近(影响范围外)视野通透的高地。监测点的设置应当选取最能反应灾害体发展、推测首先变形的部位，尽量避开救援通道和地表人员流动较大区域，保证监测点的代表性与分布合理性。

图1 监测点平面布置图Fig．1 Layout plane of monitoring point

3．2 预警方案

应急监测将涉及到应急抢险预案的实施，本次监测按变形程度分为一、二、三级预警。

一级(橙色) 灾害点保持较小的匀速或减速变形状态，GPS监测点位移变化＞50 mm/d，降雨级别为中雨，24 h降水总量10～25 mm。应急响应:巡查频率加密，每1—5 h巡视1次，密切注意灾害点发展情况。

二级(黄色) 灾害点宏观变形迹象明显，GPS监测点位移变化较大，变形位移＞100 mm/d;降雨级别为大雨，24 h降水总量25～50 mm。应急响应:增加巡查频率，每小时1次到多次，密切注意灾害点发展情况，在24 h内以简报形式向业主进行汇报，并通知相关人员准备撤离灾害点危险区。

三级(红色) 灾害点宏观变形明显加快，GPS监测点位移变化大，降雨级别为暴雨—大暴雨，24 h时降水总量50～200 mm或＞200mm。应急响应:组织灾害点范围内全部人员迅速撤离。

3．3 监测流程

将所有监测记录及时做好整理，根据观测结果做出正确分析。实行24小时值班制度，如果GPS监测点数据及曲线短时间内有较大波动，立即上报相关部门。监测报警值见表1。

表1 监测报警值Table 1 Alarm value of monitoring

同时为掌握灾害体的稳定状态和变形趋势，需要记录救援或应急施工进度以及气象条件等对地质灾害体的影响，为抢险工作的应急部署、快速响应作出预测。

本次应急监测起止日期为1月6日—28日。其中，1月19日8:00，排水渠道损坏导致水流溢出，部分尾砂及水流入塌陷坑内，引起站点03、04的三脚架倾斜，该两点于1月20日停止监测;1月24日—28日有连续小雨，详见表2;应急回填工作于1月26日启动。

4 监测成果分析

本次监测设备为高通 DM-GPS，仪器号:A100，水平精度±3 mm，垂直精度±5 mm。为了直观地分析各站点的变形情况，工作人员绘制出各站点在监测期间的位移—时间曲线，见图2-图5，所有监测点累计值均未超出警戒值范围。

表2 监测晴雨表Table 2 Barometer of monitoring

如图2所示，各监测点东方向位移在-5．789～15．064 mm之间，变形总体呈增长趋势。其中，站点01在监测初期位移量增长较快，后期变形平稳，累计向东偏移15．064 mm，变形量最大。这是因为站点01距离塌陷坑西侧8 m，位于蓄水池与塌陷坑之间，1月7日中午12:00点蓄水池水满溢出后流入塌陷坑内，站点附近土体发生较大位移，将该情况上报处理后变形得到控制。站点02-04的位移为负值，即均向西变形，累计位移较小，在 -5．789～0．524 mm 之间，呈增长趋势。

图2 东方向位移随时间变化曲线Fig．2 Variation curve of oriental displacement with time change

图3 北方向位移随时间变化曲线Fig．3 Variation curve of northern displacement with time curve

图4 垂直位移随时间变化曲线Fig．4 Variation curve of vertical displacement with time change

如图3所示，各监测点均向北发生变形，总体呈增长趋势，位移量在0．28～6．05 mm之间。监测初期，由于蓄水池溢水各点位移增长较快，后期变形减缓，1月24日—28日站点01、02变形速率再次增加是由于连续降雨所致。其中，站点04距离塌陷坑南侧较近，仅间隔1．5 m，其北部临空为变形创造了有利条件，所以其位移量最大，且增长速率最快。

如图4所示，各监测点垂直位移曲线趋势相同，位移量在0～-12．012 mm之间。监测初期，各点位移增长较快，后期变形相对减缓，1月24日20:00变形回弹增加是由于降雨所致。

图5 综合方向位移随时间变化曲线Fig．5 Variation curve of synthesized pattern displacement with time change

从图5可以看出，四个监测点的整体变形规律一致，总体呈增长趋势，变形区间值为0～21 mm。站点01、04变形较大，说明塌陷坑有东西向扩展趋势。

经综合分析，各监测点变形速度较稳定，变形量不大，未超出预警值，认为再次产生塌陷的可能性小，井下救援与应急治理工作可以安全正常进行。

5 应急监测在抢险中的应用意义

应急监测是通过监测地表的位移变化来判断灾害体的近期发展趋势、破坏形式、次生灾害发生的时间及规模，以保障地下抢险工作及后期应急治理工作的安全性，具有特殊性和必要性。

地下抢险及应急治理过程中，在预测可能发生地面变形的区域，选择合适的位置布置监测点进行实时监测，并派遣专职监测员对灾害体周边进行定期巡查。在巡查过程中，不仅要及时地记录和描述地表出现的裂缝、塌陷的形态和时间，还要记载每次观测时救援或施工的推进速度、气象条件等有关情况对灾害体变形的影响。

应急监测工作是对井下救援人员及灾害体现场工作人员生命安全的保证，地质灾害应急监测必须要做到以下几个方面:

(1)响应迅速，应急布置监测点，迅速确定监测员和地面巡查路线，以最快的速度对地质灾害变形影响区域实行有效监控。

(2)实时掌握区域变形动态(包括变形方向、变形速度、变形范围等)，准确分析，对稳定状态及变形发展趋势作出预测。

(3)有效监控、监视区域安全状况，发现异常情况和隐患，及时发布各级预警，为有关部门管理决策和应急抢险提供科学依据和技术支持，确保区域内工作人员的生命安全。

6 结论

(1)采空塌陷的应急救援工作主要在地下巷道开展，抢险工作具有高危险性、空间局限性、不确定性及迫切性，应急现场具有救援空间局限性和人员繁杂的特点，突发性和应急性要求设备选择以地面位移变形监测为主，地下变形主要以与地下工作人员实时沟通为主，辅以定期人工地表巡查。应急监测方法的选择与布置应当注意现场空间性与设备适用性。

(2)采用GPS静态相对定位技术进行地表应急监测，基准点的设置应当选取距离塌陷坑附近(影响范围外)视野通透的高地;监测点的设置应当选取最能反应灾害体发展、推测首先变形的部位，尽量避开救援通道和地表人员流动较大区域，保证监测点的代表性与分布合理性。

(3)本次应急监测周期共计23天，四个监测点的整体变形规律是一致的，总体呈增长趋势，与塌陷坑东侧裂缝加宽、下沉的宏观变形现象是相符的。经综合分析，形成的结论是:各点变形速度较稳定，变形量不大，未超出预警值，再次产生塌陷的可能性小，井下救援与应急治理工作可以安全正常进行。

(4)应急监测具有实时监测、准确分析的特点。除了观测监测数据，还要及时进行人工巡查，以掌握救援或施工的推进速度以及气象条件对灾害体稳定状态和变形趋势的影响，为抢险工作的应急部署、快速响应作出预警。

［1］ 江鸿彬，谭爱平，夏春梅，等．突发地质灾害应急监测探讨［J］．地质灾害与环境保护，2012，23(1):13-15．

［2］ 王明起，周蒙．鄂州宏盛矿业有限公司小铜坑铜铁矿“1·5”地面塌陷应急治理设计方案［R］．武汉:湖北省地质环境总站，2015．

［3］ 赫中峰．变形监测在重庆市五童路小石坝高架桥应急抢险工程中的应用［J］．国土资源导刊，2012(6):84-85．

［4］ 苏志军，许多，王迎霜，等．河北矾山磷矿矿山地质环境及地面塌陷监测［J］．地质灾害与环境保护，2014，25(3):43-48．

［5］ 张兵，刘双双，赵瑞，等．六道湾煤矿塌陷西区地面沉降监测设计方法探讨［J］．测绘工程，2008，17(3):50-52．

［6］ 高朝忠，魏海燕．测量技术在地质灾害监测中的应用［J］．大众科技，2009(5):143-151．