北京典型煤矿采空塌陷监测技术研究与实践

2019-09-10邢宇鑫吴大鹏王亚婷张涛孙楠秦沛

城市地质 2019年4期

邢宇鑫　吴大鹏　王亚婷　张涛　孙楠　秦沛

摘要：煤矿开采引起的采空塌陷、地裂缝等矿山地质环境问题日益严重。为了动态监督管理矿山环境，研究闭坑矿山采空塌陷区安全状况，选取北京西部煤矿集中开采区内的西岳台村作为典型监测示范区。区内布置3个基准点，4个工作基点，15个沉降观测点以及一套微震监测系统。通过采用地表形变测量与微震监测技术相结合的方法，以2015—2018年4年监测数据分析，年平均沉降量在-10mm～10mm之间，年平均1～2次微震事件。监测发现已闭坑煤矿虽然处于稳定期，但是仍存在缓变塌陷状况并且受外界变量影响，需进一步加强监测。

关键词：微震监测;形变测量;稳定期;缓变塌陷

中图分类号：P694 文献标识码：A 文章编号：1007-1903（2019）04-0055-06

Abstract： Mine geological environment problems such as goaf collapse and ground fissure caused by coal mining are becoming more and more serious. In order to dynamically supervise the mine environment and study the safety situation of the mined-out subsidence area in closed pit mines， Xiyuetai village in the concentrated mining area of Western Beijing is selected as a typical monitoring demonstration area. Three datum points， four working datum points， 15 settlement observation points and a set of micro-seismic monitoring system are arranged in the area. By using a new method of combining surface deformation measurement with micro-seismic monitoring technology， and analyzing the monitoring data from 2015 to 2018， the annual average settlement is between - 10mm and 10mm， and the annual average number of micro-seismic events is 1-2. Although the closed pit coal mine is in a stable period， there is a slow subsidence situation that is affected by external variables. So it needs further monitoring in the future.

Keywords： Micro-seismic monitoring; Deformation measurement; Stable period; Slow subsidence

0 前言

采空塌陷是由煤矿及其他矿种地下开采引发的矿山地质灾害。由于地下矿产被采出后，形成采空区，其上覆岩层的原始平衡状态遭到破坏，周围岩体产生应力集中、移动变形、离层、裂缝，甚至破坏垮落。这就需要对典型的矿山进行动态的监测，以便及时掌握最新信息，动态的对矿山环境进行监督管理（孟中华，2011）。

目前，我国监测工作主要是以地面形变监测为主，在开展变形监测方面积累大量的工程实践经验，主要采用全站仪、经纬仪、水准仪以及GPS监测、遥感技术、InSAR技术等进行监测预报的技术水平有所提高，但仍难以實现准确预报（李海鹰，2007;国巧真等，2005）。存在的主要问题是：（1）主要以形变监测为主，预警预报准确性差;（2）主要围绕单个矿区地表及浅部监测为主，缺乏深部及区域性监测研究;（3）监测方式以定期监测为主，不能实时监测（刘洪涛，2011;刘建坡等，2012）。究其原因，是由于位移、裂缝等现象只是地下岩层破坏的必要条件和后续连锁反应，并不是充分条件。作为一个天然的力学系统，地面塌陷等灾害的发生与否决定于地下采空区围岩之间的平衡状态变化和破坏程度。

对监测示范区采取传统的区域地表形变监测与深部岩体力学监测相结合的方式进行。地表形变监测在西岳台问题严重区采用水准监测，达到对宏观和微观形变的监测;而深部岩体监测采取先进的微震监测技术。

2012—2015年由原国土资源部科技与国际合作司组织，与芬兰阿尔托大学城市与区域研究中心、国家地质试验测试中心合作，通过“产、学、研”相结合的方式，总结北京典型煤矿采空塌陷监测取得的实践经验，针对深部应力集中层位的岩石断裂事件进行监控，结合区域性地表形变监测，建立采空区“地-空”立体型监测技术示范研究，做到监测数据实时采集分析，提高区域性关闭矿山地质环境监测预警的整体技术水平（文兴等，2014;郭玉豹等，2015）。

1 地质概况

监测示范区位于北京市房山区史家营乡西岳台村内矿集区的塌陷区，为西岳台村至小村涧村约3.5km2区域内，西岳台村及周边地区采煤活动以改革开放以来开始活跃，经原北京市国土局批准的集体煤矿有村西的福增煤矿，村北的翁窑煤矿，村南的安岳煤矿。详见图1。

（1）福增煤矿

福增煤矿矿权范围位于西岳台村西，离村子500m以远，开采侏罗系窑坡组煤层，巷道位于700m水平，其采矿活动对西岳台村影响不大。

（2）翁窑煤矿

翁窑矿矿界位于西岳台村北侧，巷道处于790m水平，主要开采侏罗系窑坡组四煤层和二煤层，该二层煤呈透镜体产出，开采方式为斜坡后退爆破陷落法，其它煤层薄，亦采用斜坡后退爆破陷落法开采，生成规模为6万吨/年。矿山开采围岩条件为山西组砂岩和粉砂岩，属较坚硬岩体，裂隙和断层不发育，一般很少支护，在接近煤层或在煤巷中，煤层及顶板岩体疏松，需要密集支护，废弃坑道内岩石自然塌落高度一般为3m。

（3）安岳煤矿

安岳煤矿北界紧接西岳台村南，开采石炭二叠系山西组煤层四煤层（M4）和五煤层（M5）。

监测示范区位于百花山向斜的东南翼，除局部地段发育小型层间褶皱外，地层总体走向北东，倾向北西，倾角25°左右。断裂构造以小型为主，其中在青土涧西部为马兰断裂带的南延部分，小型断裂较发育，造成窑坡组等地层呈断块状多次重复。断层总体走向北东40°左右，倾向西，倾角60°～80°。史家营西南断裂相对较少，主要为北西和北东向，对地层亦有一定破坏作用。煤矿资源主要分布石炭系山西组和侏罗系窑坡组两个地层单元中。

2 矿山分布及地面塌陷情况

监测示范区分布的采空塌陷灾害有地面塌坑、地裂缝和建筑物变形，主要分布于村西和村南。经过现场地面调查，发现西岳台村现有地面塌陷坑6个（图2、表1），其中较大的塌陷坑2个，分布于村子中部西侧;小塌陷坑（群）4个，分布于村子西部和南侧。塌坑最长30m，最宽15m，最深12m，发生时间自2008年5月18日至2009年3月。其中5号塌坑和6号塌坑最大，位于西岳台上街，呈串珠状相连。

3 地面塌陷监测及数据分析

3.1地表形变监测网布置

（1）地表形变监测网

监测手段采用GPS、全站仪和水准仪等仪器。2015—2018年，在3.5km2研究区内根据规范要求及现场情况，沉降观测测点埋设均采用汽车钻打孔，水泥砂浆灌注，待测点过凝固期稳定后开始觀测。基准点埋设在影响区域以外的地区。结合现场实际情况，本次观测埋设3个基准点，4个工作基点，埋设深度为2.50m，共计埋设15个沉降观测点（图3），埋设深度为1.50m。

（2）地表形变监测数据分析

以3次观测初始值作为基准，监测分析2015—2018年期间累计沉降量变化趋势，数据显示监测区大部分区域基本稳定，符合前期勘查结果，判定监测区内采空区基本已过了活跃期。地表趋于稳定，但老采空区对区域内工程建设生产生活仍然具有巨大的潜在威胁，在局部地区仍存在较大的沉降。区内监测点年均沉降最大的为（DM12）-9.91mm与（DM13）9.68mm，沉降形成了公路房屋为中心明显的沉降区，以此沉降区为中心周边沉降量在6～7mm之间，主要分布在贾史公路路旁沉降区，沉降量在1～3mm之间（表2、图4）。

3.2 微震监测布置及数据分析

微震监测技术用于监测岩体在变形和破坏过程中，裂纹产生、扩展、摩擦时内部积聚的能量以应力波的形式释放，产生微震事件。IMS微震监测系统是被设计安装于露天矿和地下矿等严酷环境中，也适用于非矿山的应用，如核废料的地下储藏，地表区域性地震监测，水坝坝体监测等（王书文等，2015;国巧真等，2005）。

（1）微震监测原理

微震产生机理，岩石变形时，局部地区应力集中，可能会发生突然的破坏，从而向周围发射处弹性波，滑动产生P和S波（压缩波和剪切波），两者速度不同，P波>S波，可用三分量检波器接收（图5）。

三分量检波器记录的原始数据，经简单处理后可得到微震记录，其中每个微震都是P波在前，S波在后，他们都有3个分量：一个垂直分量（V），两个水平分量（H1和H2）（蔡静，2017;陈迪，2014）。

微震波形有体波（包括P波和S波两种）和导波两类，体波包括直达波、反射波、折射波等。其中最重要的是直达波，即从发震点直接传播到检测器被接收的微震，它在记录到的微震数中占绝大多数。其特点是：在3个检波器记录上，每个分量上P波和S波成对出现，并且三个分量上的P波波至时间和S波波至时间分别相同。

（2）微震监测数据分析

IMS微震监测数据分析及判定主要使用Trace软件。Trace 是一个软件包，用来可视化和处理IMS地震系统收集的地震波数据。地震波处理是指确认P波和S波的到达，以估计地震事件的震源参数，如位置、辐射地震能和非弹性共地震形变（肖海平，2007;张睿，2014）。

2015年1月至2018年12月，IMS微震监测系统共接收微震事件5074起，经判定，有效微震事件10起，无效微震事件5064起（表3）。微震事件多为周围小范围岩体开裂或错动导致，亦有可能是采空区顶板破碎带局部挤压或松动产生。部分发生采空塌陷区内岩石脆性破裂或剥落引起，10次微震事件与周边自然地震事件相关。例如北京时间2016年04月19日01时10分，2016年11月03日19时43分40秒，中国地震台网数据可查。通过多年数据统计微震事件多发期在7—11月，受外界环境因素影响较大。

微震事件判定主要从通过波形形态，能量，频谱特征等方面进行判定。首先从波形形态上，通常微震事件发生后，由于每个微震都是P波在前，S波在后，所以微震事件在波形形态上表现为“二级跳”，即先接收到P波，形成能量较弱的波形，在之后S波达到后再次形成振幅较大的波。其次在能量量级上，微震事件能量是以质点速度表示的，作为震动幅度，微震事件能量范围一般在E-6 到 E-4之间（杨志国等，2008;乔中栋等，2010）。最后在频谱特征方面，微震事件通常不会连续发生，通常会形成独立频谱，见图6。

4 讨论

示范区采用水准联测的方式进行地表测量，通过数据分析，监测数据波动可以确定7—11月第二、三季度，在DM6、DM12、DM13等点位，于6#塌陷坑周边为沉降变化量较大区域。通过地表监测技术方法，可确定了闭坑煤矿矿山周边的沉降量时空变化特点。

示范区采用深部岩层断裂监测的方式进行监测，通过资料分析，钻探工作确定采空区应力集中层，并规范安装微震检波器，监测实践证明微震系统对区域内振动（扰动）事件采集灵敏度高，精度能够满足区域采空区微震事件的识别定位，可有效应用于闭坑矿山采空塌陷监测。

矿山地质环境监测工作是一项持续性的工作，需要不断积累大量监测数据和成果。因此，地表形变测量和微震监测，仍要进一步加强后期监测数据的分析和系统的维护，保证监测工作的连续性和数据及时有效的采集分析。

5 结论

通过对比史家营采空塌陷区内静力水准测量，结合IMS微震监测数据，综合判定目前西岳台采空塌陷区处于稳定状态。

在下一步监测中针对史家营采空塌陷区内深部位移计、静力水准、GPS监测站等专业地质灾害监测数据，结合IMS微震监测数据，综合判定目前西岳台采空塌陷区状态。

通过地—空监测手段发现采空塌陷区具有：1）隐蔽性。老采空区深埋于地下，人员难以进入，其特征一般难以弄清，采空区“活化”过程一般难以观察。2）复杂性。其“活化”过程受多种自然和人为因素的影响，其“活化”机理、过程及其对地表的影响规律相当复杂。3）突发性。许多存在较大残留矿洞的浅部老采空区，其失稳破坏常常是突然性的，其塌陷时间难以准确预计。

通过采空区微震事件的采集分析，初步提出了基于微震事件和地表沉陷预测、预警的方法，探索了采空区微震事件分布与地表沉陷的关系，通过区域性矿山地质环境监测修复技术的示范研究，将以地表形变监测为主的监测思路、方式提高到深部应力和岩层断裂监测为主的监测思路、方式，揭示地表变形、塌陷形成的时空变化过程，提高监测的预警能力，为全国区域性、关闭矿山地质环境的监测起到示范推动作用。

参考文献

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