基于GPS静态定位法监测数据分析与塌陷特征认识

2018-04-20胡向德陈海龙谭昌伟

中国煤炭地质 2018年3期

魏　洁，胡向德，陈海龙，张　磊，谭昌伟

(甘肃省地质环境监测院，兰州　730050)

华亭县位于甘肃省东南部，是全国十三个大型煤炭基地之一，也是全国100个重点产煤县之一，煤田总面积133.8km2，地质储量28.5亿吨[1]。由于长期煤炭资源开采，形成大规模采空塌陷区，使本区地质环境造成严重破坏。为掌握华亭采煤沉陷区地面塌陷特征及其变化趋势，为矿山地质环境管理及恢复治理服务，自2014年起，甘肃省地质环境监测院会同中国地调局水环中心陆续开展了华亭采煤沉陷区地表移动变形监测工作，部署了GPS监测、三维激光扫描、光纤光栅位移计、拉杆(绳)位移计及物探深部监测等多种监测方法[2]，开展了采煤沉陷区监测技术方法研究。本文基于GPS监测桩布设、监测信息采集及监测数据分析，结合矿区地面塌陷的现场调查，对监测方法适用性、地表移动变形特征、监测部署应注意的问题等进行总结，以期为矿山地质环境监测工作提供技术和经验积累。

1　矿区地质与开采方式

甘肃华亭煤矿区地处六盘山山脉关山东麓陕甘宁盆地之西南缘，六盘山岩质山区与陕甘宁黄土高原的过渡带，属黄土低山丘陵区。矿区内地形复杂，沟壑纵横，冲沟发育[3]。矿区表层大部为黄土层覆盖，其下部依次为上三叠统延长群、中侏罗统延安组、下白垩统志丹群、古近系甘肃群，可采煤层赋存于中侏罗统延安组[4-5]。

华亭煤田呈不对称的复式向斜构造，由中生代地层构成，轴部由北西至南东呈反“S”形延伸，南、北两端隆起，煤田内断层少，地质构造简单[6]。向斜轴部宽缓，向斜东翼倾角35°～53°，一般40°左右，西翼倾角普遍大于40°，局部陡立达80°，轴部宽缓，岩层倾角几度至十几度。

煤田内共有五个可采煤层，累加平均厚度为28.7m，最大可达50m。煤层埋藏深度在20～250m，向斜深部在500～800m[7]。煤层底板主要为砂岩、炭质泥岩及砂质泥岩，煤层顶板以泥岩和砂质泥岩为主，其次为粗—粉砂岩及炭质泥岩，岩石力学强度差，软弱，易风化破碎、遇水变软膨胀，易垮落[8]。

本次布设监测工程的东峡煤矿位于华亭复式向斜东南部，矿区山坡较缓，一般坡度20°～30°，相对高差100～200m，海拔高度1 530～1 401m。该矿区煤田大部分范围处于向斜的东翼，井田内煤系中无大的断裂和褶曲构造。含主要可采的特厚煤6层，其结构复杂，由上而下分岔为煤6-1、煤6-2及煤6-3层，煤层总厚由北向南，由向斜轴部向两翼逐渐变薄，厚度在33～146m。煤层走向大致为北北西5°～15°，倾向南西西245°左右，煤层倾角37°～42°[9]。

东峡煤矿采用综合机械化放顶采煤方法，矿井采用片盘斜井多水平开拓方式，开采水平为+1400～700m。矿区现有生产井筒有主井、风井各一个，井筒标高1 425m。全矿井设一个采区，一个采煤工作面，工作面推进自北向南，采取后退式回采。矿井通过运输顺槽、回风顺槽与采煤工作面沟通，形成煤流、材料及通风系统。顶板管理采用全部陷落法管理顶板，爆破落煤。

2　采空区地面塌陷特征

东峡煤矿地表塌陷区根据塌陷特征、稳定性，以鸡家沟为界，可分为两部分：鸡家沟以东区段塌陷已基本稳定，该区裂缝产生于20世纪80年代，目前该地段地表形成的塌陷槽大都被掩埋，可见的塌陷槽宽度3～4m，深1～2m，延伸长度20～180m，裂缝走向N20°～35°W。鸡家沟以西区域大面积塌陷是近十多年来的煤矿开采直接导致的，地表出现大小40余条塌陷槽、裂缝，最大沉陷幅度超过10m，塌陷使丘陵区地表形成错落台坎、陷槽，将山体切割成条块状。塌陷槽深0.1～5m，宽2～6m，陷落带内主体裂缝带多呈平行展布，其走向一般为N10°～35°W，间距4～10m，相距最近的为0.3m。陷槽、裂缝延伸长度50～250m，最长可达300m以上，宽0.05～0.5m，最宽达1m以上，裂缝内多为黄土填充。

3　监测工作部署与监测方法

本次在东峡煤矿地表塌陷监测区由北向南共部署GPS监测剖面3条，总体成平行趋势，监测剖面基本垂直于煤层走向，与现有的塌陷裂缝、陷槽走向垂直，构成顺煤层倾向和煤层走向的监测网，控制监测塌陷沿煤层走向、煤层倾向的塌陷情况。共布置GPS监测桩19个，另在矿区外布设基准点3个，其中第一条监测剖面位于二级阶地后部，从西向东依次埋设监测桩7个；第二条监测剖面位于汭河南岸谷坡坡顶，剖面线覆盖了东峡煤矿整个采区，根据地形及塌陷带发育情况，共埋设监测桩6个；第三条监测剖面位于第二条剖面南侧约350m处，处于沟谷相间的黄土丘陵区，控制监测已采空的30218—4工作面的塌陷情况，共埋设监测桩6个[10]。

GPS监测以现场人力采集数据为主，采用静态定位方法，用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的4颗以上GPS卫星，以确定基线两端点的相对位置(图1)。监测周期为1月/次，通过周期性获取监测桩移动数据[11-12]。监测网自2015年5月份布设完毕后，分别于5月24日、6月29日、7月23日、8月29日、9月28日、10月28日、11月30日进行了7次监测，获得6个阶段的有效监测数据。

4　监测结果与数据分析

4.1　塌陷区地表垂直移动和变形分析

为细致分析华亭东峡煤矿区地表形变特征，根据布设的监测剖面构成的测网，对其纵横向监测数据和形变特征进行分析。同时，为了更好的反映本区塌陷变形的规律，在东峡煤矿测区采用一般统计图示与三次样条插值拟合数理统计方法相结合的手段进行分析[13-14]。

4.1.1A-A′剖面监测数据分析

从图2可以看出，自西向东各GPS监测桩沉降量有依次增大的趋势，累积沉降量从0.014m增加至0.032m，反映了采空地面塌陷由外缘区向内缘区沉降增大的总体特征，其中JA-7更接近现采区，监测期内其累计沉降幅度也最大。图中显示JA-2监测桩沉降量异常，累计沉降量达0.029m，呈现较大值。据现场监测桩埋设情况，该桩位于塌陷槽内，土质疏松，且地势较低，雨水易汇集。分析认为，在地面塌陷持续发展的情况下，降雨汇流入渗可能加大了JA-2沉降量，但也不排除地表差异沉降的可能性。

地面沉降速率从JA-1至JA-7呈增大的趋势(图3)，说明越接近采空区，地面下沉速度越快。JA-1号桩从2015年5月至10月沉降速率小，10月至11月沉降速率增大，该桩处于西侧塌陷边缘地带，以此推测采煤塌陷边界可能向西扩展的趋势。JA-2、JA-3号桩各月沉降速率基本不变，为均匀沉降，月平均沉降速率在0.002 5～0.005m，特别是JA-2号桩下沉较快，且下沉速率基本不变，结合其沉降量认为，地表存在差异下沉的现象。其余接近采空区的4、5、6、7号监测桩在8月份形成明显的拐点，显示了在时间上地表沉降的差异性，也可能与雨季降雨量增大，降雨入渗使地表形变随之增大或滞后反应的特征。其中JA-4号桩在6、9月，JA-5在6、9月沉降量偏大，导致曲线在7月和10月出现上凸的现象，但偏差值均小于0.005m，应属监测系统误差所致。

根据每次测量的高程，以5月测量结果为起算值，利用三次样条差值拟合的方法做出沉降曲线(图4)。从图4上可知5月至6月，各桩幅度较大，7月至8月各桩幅度偏小，8月以后各桩的沉降幅度均偏大。这与图2、图3显示的各桩沉降特征基本一致。同时，三次样条差值拟合沉降曲线也较直观的反映了各桩逐月沉降量、桩间地带的沉降趋势。JA-4、JA-5号桩在6、9月的监测数据的系统误差，导致累积沉降三次样条差值拟合曲线的异常波动。

4.1.2B-B′剖面监测数据分析

B-B′监测剖面累积沉降量柱状图(图5)反映出监测区内各监测桩均有不同程度的地表变形，而垂直变形比较大的集中在JB-3—JB-5地段，垂直沉降量在0.048～0.11m，反映出地表差异下沉的特征。而从图6可知，沉降速率有两次增大的现象，第一次为2015年5月底各监测桩埋设完后到7月，第二次为8月至9月间，其余时间段内沉降速率较小，曲线接近水平。分析认为，在该区地表塌陷持续变形的情况下，存在逐月差异下沉的特征，此外也可能受两个方面因素的影响，一是各桩埋设后，由于表层黄土土质疏松，桩存在自然沉降的过程，与地面塌陷沉降相叠加，导致速率增大，至7月底自然沉降基本完成，沉降速率减小；二是7、8、9月份雨季降雨量增加，加大了地面沉降速率。

图2　A-A′剖面累积沉降量柱状Figure 2　A-A’ section cumulative settlement column

图3　A-A′剖面地面沉降速率曲线Figure 3　A-A’ section surface settlement rate curve

图4　A-A′剖面各GPS监测桩累积沉降三次样条差值拟合曲线Figure 4　A-A’ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

图5　B-B′剖面累积沉降量柱状Figure 5　B-B′ section cumulative settlement column

图6　B-B′剖面地面沉降速率曲线Figure 6　B-B′ section surface settlement rate curve

三次样条差值拟合沉降曲线(图7)显示的特征与上述地面形变特征基本相近，5月至7月各桩沉降幅度较大，8月至9月除JB-3号桩外，其余各桩沉降幅度均较大。

4.1.3C-C′剖面监测数据分析

监测期间该剖面由西向东各监测桩累积沉降量逐渐增大(图8)，累计沉降量由JC-1的0.081m增长到JC-5的0.293m，监测结果符合采空区岩移沉降向塌陷盆地中心的变形规律，并具有正态分布的特征。JC-6号桩位于现采空区的东侧，距采煤工作面在水平距离上与JC-4相近，但其沉降量较JC-4小，为0.195m，反映出较陡的倾斜煤层开采下，塌陷移动盆地沉降的不对称性特征。同时，也说明东峡煤矿区地面塌陷总体呈正态沉陷规律的情况下，各地段仍出现差异沉降的现象，处于塌陷区西侧边缘地带的塌陷程度较弱，而随着采煤工作面向南推进，采空区不断扩大，岩移沉降逐步发展至地表，使离采空区较近的JC-4、5、6号桩因塌陷反复扰动，图形出现拐点，下沉速率反复增大(图9)。

三次样条差值拟合累计沉降曲线(图10)也反映该测线各监测桩的岩移沉降特征：沉降幅度逐次增大，速率增加，而且采空塌陷岩移向东倾斜的特点。

图7　B-B′剖面各GPS监测桩累积沉降三次样条差值拟合曲线Figure 7　B-B′ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

图8　C-C′剖面累积沉降量柱状Figure 8　C-C′ section cumulative settlement column

图9　C-C′剖面地面沉降速率曲线Figure 9　C-C′ section surface settlement rate curve

图10　C-C′剖面各GPS监测桩累积沉降三次样条差值拟合曲线Figure 10　C-C′ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

4.1.4监测沉降量纵向对比

华亭东峡煤矿监测区监测桩的布设构成了沿煤层倾向和走向的监测网，上述A、B、C各剖面沉降变化反映了煤层倾向方向的地表塌陷特征。分析各监测桩沿煤层走向的监测数据(图11)显示，A-A′监测线各桩的沉降值均较小，最大沉降值0.032m，沉降曲线平缓；剖面B-B′各桩的沉降值最大为0.096m，曲线总体位于A-A′曲线下方，除JB-6外，各桩沉降量纵向上均小于相对应的A-A′测线各桩沉降值；而C-C′各桩沉降量大于B-B′，最大降幅为0.244m。由此反映出测区内由北向南，地面塌陷沉降幅度增大，这与采煤工作面从北向南推进，采空区逐步向南发展所产生的岩移塌陷规律相一致，监测效果较好。从实际调查来看，测线A-A′附近地表裂缝、陷槽属早期塌陷形成，部分裂缝被当地农民耕种复平，该地段塌陷处于后期趋稳阶段；而B-B′、C-C′测线区段塌陷裂缝呈楔形，错裂面新鲜，明显反映出正在发展的塌陷特征。

图11　各监测剖面沉降曲线Figure 11　Settlement curves of each monitoring section

4.2　塌陷区地表水平移动及变形分析

根据测区内各监测点的x、y方向位移量的变化可知，在监测期间，鸡家沟以西各桩的总体水平移动方向为北东—北东东，且在该方向的位移矢量具有剖面A-A′最小，剖面B-B′居中，剖面C-C′最大，各剖面矢量具有从西向东逐渐增大的现象，反映出鸡家沟以西监测区内，地面塌陷整体向北东方向移动，即指向岩移盆地中心方向，且靠近采煤工作面处，移动量越大，水平移动变形越大。而处于采矿区东侧的JB-6、JC-6号桩其水平移动趋势为向西、南西，与煤层倾向基本一致。同时，由北向南A、B、C三条测线反映出的地表水平移动矢量也呈现逐步增大的趋势，与前述地表沉降移动特征有一致性，也反映出随采煤工作面的推进，塌陷向南发展。

从监测数据看，东峡煤矿地面水平移动最大为JC-2号测点，其值为0.178m，最小为JA-6号桩位移量0.037m；地面移动最大的地段发生在8～9月间的JC-3与JA-4之间的地块，单月移动值为0.141m，同时变形也达到最大为3.32E-03。

值得说明的是，受地形、地层岩性、煤层倾向、采空区空间形态及开采时间等综合性因素影响，区内各监测点水平移动方向也存在差异性，反映出岩移沉降过程的复杂性。个别监测桩水平移动方向与埋设位置的地形、坡向有一定关系，如JA-1、JA-2、JA-3、JA-6位于斜坡地带，坡向为北西西方向，其运动方向偏向北西；JA-7位于塌陷槽内靠近东侧的裂缝处，其水平移动方向指向槽内；JB-4位于沟坡斜坡处，坡度约30°，其水平位移与坡向基本一致。

5　监测效果与认识

在华亭东峡煤矿通过布设了GPS监测剖面，基本控制了测区范围，形成了沿煤矿走向及倾向的纵横向监测网，其GPS监测数据所反映的特征与煤矿采空形成的地面塌陷现状及其发展趋势具有很好的对应性。

1)GPS静态定位由于采用载波相位观测值以及相位观测值之间的线性组合技术，极大地削弱了GPS测量中的卫星星历、接收机钟差、信号传输的误差，其定位精度达10-6～10-7，在地面塌陷定位测量中精度很高，而且不受通视限制，可实现全天候自动化监测，同时也可增加观测量，有利于提高采空塌陷区地表移动观测成果的可靠性。

2)东峡煤矿测区范围内垂直移动及沉降量由西向东、由南向北逐步增大，测区在监测时段内最大沉降量0.244m，最小沉降量0.014m；水平移动方向总体指向采空区方向，塌陷边缘地带水平变形小，越接近采空区移动量越大，水平移动变形越大。地面水平移动最大值0.178m，最小为0.037m。无论是垂直移动变形还是水平移动变形或是倾斜等监测数据显示，测区内由北向南其地表塌陷程度明显增强。这与采煤工作面从北向南推进，采空区逐步向南发展所产生的岩移塌陷规律相一致。

3)测区内地面塌陷垂直移动变形总体呈正态沉陷规律的情况下，各地段表现出时空上的差异沉降现象；而水平移动的方向及变形量也有差异性。反映出煤矿采空地面岩移塌陷的复杂性。地面塌陷总体受控于地层岩性、构造条件、采矿方式及采空区大小等，而降雨也可能是地表移动变形的重要影响因素。监测也显示区内监测点水平

移动与监测桩埋设位置的地形条件有一定的相关性。

4)通过对东峡煤矿监测网的布设及数据分析总结认为，监测点的布设应根据地面塌陷分区(中心区、内缘区、外缘区)及其引发的裂缝、陷槽或塌陷条块等实际情况，进行系统布设，以形成纵横向监测网，使监测数据比较分析具有对应性，有利于提高研究精度，也可全面反映地面形变特征。

5)三次样条差值法在东峡煤矿区地面塌陷监测中取得的拟合沉降曲线比较直观的反映了各桩逐月沉降量、累计沉降量及监测桩间地带的沉降趋势。但由于监测桩间距不均一，一些桩距相差较远，限制了三次样条差值法应用效果。

6)在采空塌陷区特别是黄土覆盖及扰动松散土体较厚的地段埋设GPS监测桩，应对桩底基础进行加固处理，并铺浆固底，或适当扩大监测桩底面积，以减低压强，增加监测桩基础承载力，减低因桩自身重力造成的沉降，提高监测精度。

7)采空塌陷区地表移动变形监测中，应对监测数据及时整理分析，出现数据异变或较大的仪器系统误差及测量误差，应及时进行补测校核，以提高监测数据的准确性和精度。

参考文献:

[1]张新虎.甘肃省区域构造及区域成矿找矿研究[D].兰州：兰州大学，2007.

[2]国巧真，等采煤塌陷区监测技术研究现状及发展趋势[J].有色金属(矿山部分)，2005，(01):25-28.

[3]张新虎.甘肃省成矿区(带)研究[J].甘肃地质，2008， 17(2):1～8.

[4]刘远康.复合构造控制陇东煤系的形成[J].煤，2010，(06):60-61.

[5]刘文明.甘肃陇东地区延安组层序地层与岩相古地理研究[J].煤炭工程，2013，(8):101-103.