老旧采煤塌陷区动态监测及其稳定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，刘欢欢

（北京市地质研究所，北京 100120）

老旧采煤塌陷区动态监测及其稳定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，刘欢欢

（北京市地质研究所，北京 100120）

采空塌陷严重影响了人民群众的生命财产安全，准确评价采空区的稳定性，提高预警的时效性，采空塌陷的实时监测至关重要。本文以北京市门头沟区王平镇南港村采空塌陷区为工程背景，建立了以GPS、静力水准、深部测斜、多通道微震监测为主的动态监测系统，实现了多源信息融合技术的采空塌陷区位移场、应力场的全天候监测。基于CAD-Surfer-ANSYS方法建立了采空区三维模型，实现了采空塌陷区监测体系的三维可视化管理，并在监测数据初步分析的基础上，采用数值模拟技术对采空塌陷区稳定性进行了初步分析，为采空塌陷灾害防治提供了技术支持。

采空塌陷；实时监测；三维模型；防治

0 引言

地下开采结束后，虽然经过长期的自然压实，但开采后形成的地下空洞及不规则的岩体裂隙等将长期存在，任何形式的扰动都可能打破覆岩中已有的平衡，导致采空区及其覆岩二次移动和变形，进而导致地面建筑物沉陷、局部开裂、倾斜等破坏，并造成人员严重伤亡和财产损失。基于此，实时、准确地监测塌陷区状况，及时掌握塌陷区变形规律变得尤为重要。

许多学者通过多种专业手段设计了不同的采空塌陷监测方法，并取得了重要的成效。如刘晓菲等（2014）利用D-INSAR技术监测了徐州某采空区的地表形变场；贾向前（2015）利用GPS和数字水准仪对万家寨引黄工程北线的煤矿采空区进行了地表位移监测；卢宏建等（2013）采用12通道微震监测系统对东河湾铁矿大型复杂滞留空区进行了地压监测，实现了矿区地压活动的自动化监控；魏雨溪（2014）基于大冶铁矿塌陷区地形及地质条件，设计了基于GPS技术的自动化监测系统，并提出了塌陷坑管理方案；芮勇勤（2010）采用INSAR和GPS融合技术，开展了高速公路采空区变形监测与评价研究；甘怀营（2011）采用声发射、钻孔摄像技术对深部采场开挖过程中的围岩损伤情况进行了监测，研究了深部采场开挖过程中围岩损伤演化规律，为矿区安全开采提供了技术支持；林健（2009）以程潮铁矿西区为工程背景，开展了基于GPS技术的地表变形监测研究；张玉成（2014）以山东某煤矿为背景，借助于多年GPS监测数据，开发了煤矿采空区地表沉降监测系统；胡静云（2014）以大红山铁矿为例，基于手持式GPS、全站仪、微震等技术，开展了采空区地表及覆岩的全方位监测。

上述监测研究对于促进采空塌陷监测预警工作的发展具有重要意义，但大多限于生产中的矿区，对于老旧采空区残余变形的监测为数不多，尚不能满足老采空区残余变形预测和稳定性分析的需要。因此，对老旧采空区残余变形监测方法进行研究，进而获得老采空区残余变形演变规律，对于老采空区塌陷灾害防治和综合治理具有重要的理论和实际意义。

1 南港村采空塌陷区监测点设计

北京市门头沟区王平镇南港村位于门头沟区王平镇东部，村域范围内地下蕴藏着丰富的煤炭资源，开采历史悠久，最早可上溯至解放前。由于长期无序的地下开采，在采空区及其影响范围内形成了0.3km2的大面积地面塌陷变形区，发育有条带状或串球状塌陷，并引发了地裂缝、墙体开裂等不同程度的灾害，不仅破坏了地表地质环境，而且成为严重地危害人民群众生命财产安全的重要因素之一。

为剖析老旧采空区覆岩及地表移动规律，判别老旧采空区在上覆岩层重力和外部载荷作用下的“活化作用”。根据采空塌陷边界、影响边界以及现场开发利用现状，结合工程地质条件及工程周围环境条件，在该地区布设了以GPS、静力水准、深部测斜、多通道微震为主的立体监测系统，对地表沉降、水平位移、深部位移及覆岩应力进行全方位监测（图1），获取第一手的观测资料，为采空塌陷演变规律分析和稳定性评价提供科学数据。

图1 采空分布及主要监测设备布设图Fig.1 Distribution of underground goaf and monitoring devices

同时，为实现采空塌陷区可视化管理，在充分搜集采空塌陷区已有工程地质图和采空区勘察资料的基础上，采用CAD-SURFER-ANSYS联合建模方式，建立了采空塌陷区大型三维地质模型（图2）。

图2 采空塌陷区三维地质图（含监测设备）Fig.2 Three dimensional model of subsidence area

2 监测数据初步分析及稳定性预测

2.1 位移场监测分析

经过一段时间调整校正后，我们做了监测数据的初步分析，监测点部分成果见图3～图5，由此可知，GPS监测点最大沉降值为3.033mm；静力水准最大沉降值为9.93mm，深部测斜仪不同层位（75m、85m以及95m分别安装传感器）X方向位移呈现较好的一致性，即同一时刻上部传感器位移大于下部传感器位移，表现出浅部岩层变形较大。由此可见，该地区位移场监测数据趋势基本成型，量级较小，上覆岩层和地表位移目前均处于较稳定状态。

图3 GPS监测曲线图Fig.3 Monitoring data of GPS

图4 静力水准监测曲线图Fig.4 Monitoring data of static leveling inclinometer

图5 深测斜仪X方向监测曲线图Fig.5 Monitoring data of GPS

2.2 微震监测分析

微震传感器于2014年10月27日 00：05和03：20时监测到了微震事件，其图谱如图6所示，经后续分析可知，该微震事件是由外部施工造成，并非采空塌陷区失稳事件。

图6 微震事件图谱（上为00：05的事件，下为03：20的事件）Fig.6 Monitoring event of microseism

2.3 数值模拟初步分析

数值模拟模型尺寸为651m×837m×170m，单元总数151623，节点总数175232。计算中，将围岩矿体均视为弹塑性连续介质，采用莫尔－库仑准则，初步计算了采空塌陷区位移场基应力场分布规律（图7、图8），结果表明，采空塌陷区现有位移和应力均未出现突变，目前处于稳定状态。

图7 采空塌陷区位移云图Fig.7 Displacment contour of surface subsidence

图8 采空塌陷区应力云图Fig.8 Stress contour of surface subsidence

3 结论

南港村多年无序开采引起的岩层及地表移动规律较为复杂，涉及到众多地质及采矿因素，本文根据采空塌陷区实际地质特征，设计出比较合理的采空塌陷监测体系，取得如下成果：

（1）门头沟南港采空塌陷区采空塌陷较为复杂，危害程度较大，构建以地表位移、深部位移、应力监测为主的多参数监测系统能够实现对采空塌陷区的全天候立体监测，为该地区采空塌陷预警提供技术支持。

（2）基于CAD-SURFER-ANSYS的联合建模方法，实现了复杂地表下的三维模型的快速建立，为采空塌陷的可视化管理提供了便利。

（3）现阶段监测数据及数值模拟结果表明，南港地区采空塌陷目前位移场和应力场均未出现大突变现象，处于较稳定状态。

（4）建议持续开展监测，通过对后续监测资料的综合分析，开展采空塌陷区演变规律分析和长期稳定性预测，为采空塌陷区的综合防治提供科学依据。

甘怀营，2011. 基于多种监测手段的深部采场开挖围岩损伤演化规律研究[D]. 沈阳：东北大学.

胡静云，李庶林，林峰，等，2014. 特大采空区上覆岩层地压与地表塌陷灾害监测研究[J]. 岩土力学，35(4)：1117-1122.

贾向前，2015. 采空区变形监测技术分析[J]. 山西水利，(7)：29-30.

刘晓菲，邓喀中，范洪冬，等，2014. D-insar监测老采空区残余变形的试验[J]. 煤炭学报，39(3)：467-472.

林健，2009. 基于GPS监测的地下开采矿山地表变形分析与预测研究[D]. 武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所.

卢宏建，李占金，陈超，2013. 大型复杂滞留采空区稳定性监测方案研究[J]. 化工矿物与加工，(2)：28-32.

芮勇勤，陈佳艺，丁晓利，2010. 基于InSAR与GPS技术的公路采空区变形监测[J]. 东北大学学报（自然科学版），31(12)：1773-1776.

魏雨溪，2014. 大冶铁矿塌陷区变形破坏特征及监测方案研究[D]. 武汉：武汉工程大学.

张玉成，2014. 煤矿采空区地表沉降远程监测系统的研究与实现[D]. 西安：西安科技大学.

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，主要从事岩土工程可靠性及地质灾害监测预警方面研究。E-mail:：zhaishuhuahbu@163.com