某调蓄水库采空区地裂缝监测研究分析

常新忠 杨秀峰 王树奎

（河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008）

拟建的某调蓄水库位于某市境内，占地8990 亩，平均深度20m，总库容1.02 亿m3。某地煤矿的煤田分布于规划某调蓄水库北侧（新庄断裂以北，太清村、盘古寨和前河柳村一线的北侧），如图1 所示。

图1 库区范围内地裂缝

某地煤矿开采自2018 年，开采深度不断增大，并向某调蓄水库场地方向延伸。煤矿开采在该拟建水库工程周边形成众多的采空区，施工现场地下原始受力结构被破坏，引起地表移动现象。拟建的某调蓄水库范围内的地裂缝位于盘古寨村东北部，起始于盘古寨村，延伸至沂水河右岸，整体长度≥250m。近似呈直线型，走向基本与隐伏的新庄断裂一致，位于规划某调蓄水库库区内，可能会对某调蓄水库建设施工产生不良的影响，需针对采空区地裂缝加强监测，以为调蓄水库工程设计以及施工方案的制定提供参考。

地裂缝自2019 年3 月出现，即采矿在先，裂缝在后，具体表现为：地表张开宽度0.2～1.5m，呈塌陷坑状，可见深度一般2～3m，最深处可达9m 左右。

2019 年10 月矿区局部出现采空沉陷，地下形成局部陷空，新庄断层上盘岩体向北西松弛形成拉应力。上盘岩体向北小量位移，带动覆盖层产生相应的局部拉应力场可能对地裂缝有诱发影响作用。为保证某调蓄水库建设期的安全运行，对地裂缝及采空区进行持续变形监测，以计算出沉降量，并评估变形程度。

观测地裂缝及采空区在施工前、施工期、运行期的变形情况，利用观测资料预测地裂缝及采空塌陷区稳定情况及发展趋势，为采空区段工程设计、施工、工程管理提供可靠的技术依据。

在某调蓄水库建设前、建设过程中以及建设投入运行后，针对地裂缝与采空区进行连续监测，准确实时掌握两者变化动态，评估未来的发展趋势，获取全面、系统的监测成果，以为某调蓄水库工程前期规划、工程设计与施工期间的质量管理等各项工作奠定基础，并对研究采空区剩余沉降规律和影响因素提供完整的信息数据支持。

1 采空区影响边界

根据某地煤矿采矿资料，煤层为北东走向，倾角3～20°，采煤层为二1 煤层和二3 煤层，在采空区影响边界计算中假定为最差情况，新庄断裂北侧经过长时间的煤炭生产，形成大面积的采空区，计算公式如下：

L=S+q

公式计算使用的是垂直剖面法，其中L 为地裂缝的影响范围；S 为土层移动距离；q 基岩移动距离。

式中：H 为采空区覆岩顶板厚度（m），覆盖土层厚度25～50m，顶板基岩厚度310～410m；φ、β 为覆盖土层及基岩移动角，据某市矿区采空沉陷区经验值：第四系地层φ 取45°，基岩下山方向β 取57°；θ 为采空区边界与煤层走向之间所夹的锐角，取0°。

计算结果：影响距离L 为143～171m，再加上预留安全距离50m，即193-221m 的水平距离为预测的地表沉陷影响安全边界。

2 监测方案

2.1 垂直位移监测仪器的选用

垂直位移监测仪器选用美国天宝DiNi 12 电子水准仪，观测精度非常高，测量误差为0.3mm，在野外观测中具有良好的适用性，快速测量时间小于3s，工作温度-20～50℃，只要有白光的条件就可进行高精度测量，视距范围1.5～100m，并具备多种水准导线测量模式，配铟瓦水准标尺进行。在正式监测之前，仪器、标尺等监测用具，均送至第三方机构进行专业的调校与检测，保证测量数据的可靠性。本次监测选用的仪器、用具等均符合相关规范规程要求，具备垂直位移监测的可行性。

2.2 水准观测

水准观测遵循1985 国家高程基准，从采空区地裂缝的垂直位移入手，按照变形监测技术规范的要求，调校复核基准点。同时根据采空区沉陷段的沉陷程度与面积，灵活布设水准线，水准线在基准点之间闭合布设，并与其他观测点连接。完成水准线路布设后，初次观测与后续观测所有事项、流程不可发生改动，包括了仪器、用具、观测路线与顺序、具体操作方法，甚至是观测人员都不可在水准观测途中发生变动，以防止出现人员误差、装置误差、方法误差等问题，确保水准观测的精度。

该地裂缝位于盘古寨村，一些观测点设置在耕地中，采用普通尺垫会受到耕地疏松土壤的影响，形成一定的观测误差，建议采用钢材尺桩以避免观测不良因素的影响。此外，为了保证观测结果的精确性，在观测之前密切关注当地的天气变化，尽量在天气晴朗、视线良好的情况下进行，详细的技术参数如表1 所示。

表1

2.3 记录整理计算

基于三等水准观测的标准，数据记录选择使用电子(数字)水准仪的PC 卡，一边观测一边完成记录。完成观测后，按照监测技术规程的要求汇总外业记录，最后整理成监测报告，计算出监测的各项数据。

2.4 水平位移测量接收机使用

水平位移测量数据的接收端使用的是GPS 接收机，为水平位移的高精度测量提供技术解决方案，可将测量误差控制在mm 级。本次观测选用的是6 台瑞士徕卡Leica 1200 型双频静态GPS 接收机，每个频道有12 个信道，重量仅有2.8kg，与SmartStation 完美兼容，并可实现长距离RTK，工作温度-40～65℃，在恶劣天气及观测条件下也能适用。

2.5 GPS 观测

GPS 观测采用的是三等水准测量，首先，在正式观测之前，深入观测区域进行实地踏勘，确定沉陷段的实际情况，初步确定观测点位，以及周边环境有无干扰信号等，综合调研信息后制定观测计划；其次，在沉陷段观测布设过程中，采用控制网观测方式，边连接各个沉陷段，两端为基准点；再次，观测技术参数设计，观测时段1h，时段数1 个，卫星6颗，PDOP≤6，天线对中精度≤2mm，采集频率30s；最后，起算点定位时间超过半小时，平差处理软件采用Leica Geo Office，计算使用2000 国家大地坐标系。

监测基准网的精度要求: 根据中华人民共和国建设部、国家质量监督检验检疫总局联合发布的《工程测量通用规范》中国建筑工业出版社.(GB55018-2021)。根据某调蓄水库地裂缝的实际情况，监测选用了三等水准测量，构建了垂直位移与水平位移监测三等基准网，具体参数详见表2。

表2

2.6 基于InSAR 技术对采空区的监测

InSAR 技术是利用同一地区两幅或以上的不同时间的两景（SAR 图像）组成干涉图，利用外部的DEM 反演干涉相对的空间几何条件下的地形相位，不考虑地形问题的基础上，开展差分处理，去除该地形相位，得到地表实际图像，经过图像解读计算出形变量。

3 成果汇总分析

3.1 一般监测结果分析

地表移动变形范围及位移量：根据现场监测，地表裂缝正向南、向西发展，水平向发展速率为2～4m/d，下沉变形最大20cm/d，6 月份以来变形有放缓趋势。自2019 年10 月采空区地表建筑物出现变形以来，在采空区及周边分别沿煤层走向和倾向设置了观测点，采用沉陷区地表长时间积累的沉降数据进行处理，得到某调蓄水库采空区地裂缝走向与倾向沉降曲线图，如图2 所示。

图2 地表沉降曲线

根据沉降曲线图，自2020 年1 月～5 月沉降变形最大，自2020 年6 月地表变形趋于稳定。

3.2 InSAR 结果分析

利用DInSAR 技术二轨法，对2019 年6 月至2021年6 月期间的水库Sentinel-1A (哨兵-1A)数据进行形变试验研究，获取其形变信息。利用获取的雷达影像数据，选择相邻时间的图像组成9 个干涉对，每个干涉对中，时间较前者为主影像。根据SAR 数据量多少，数据量满足InSAR 时间序列分析的要求，利用SBAS-InSAR 的时间序列分析方法，时间基线阈值为365d,空间基线阈值2000m，通过自由组合构建得到9 个符合条件的干涉对，进行InSAR 数据预处理，采用SVD 分解后，得到最终的沉降反演结果（X、Y 两方向变形速率，沉降速率，最终沉降量和沉降范围）示意如图3 所示。

图3 InSAR 监测形变示意图

根据InSAR 监测结果，从中可以看出，2019 年10 月之后采空区才发生沉降，有地表沉降等值线可知，采空区距离某调蓄水库500 米左右，沉降洼地面积0.75 平方公里，监测期间洼地中心线沉降量接近7.0 米左右，边缘沉降量为0.2 米，Y 方向变形速率2020 年5 月～6 月份达到最大2～4m/d ，沉降变形量0.2m/d，6 月份以来变形速率逐渐减小，有稳定趋势。监测时间范围内沉降范围在不断扩大，与现场调查采矿持续活动情况吻合。随着煤矿的持续开采会造成变形影响范围逐渐扩展，存在影响某调蓄水库安全隐患。

4 结论

根据某调蓄水库前期的监测成果综合分析可以获知，采空区沉陷缝的成因与煤矿开采有着直接的关系，采空区地层结构原始受力结构被破坏，再加上在地球重力的作用下，导致地表拉伸出现位移、变形、裂缝等现象。裂缝单个或多个分布在移动盆地的外边缘，并有塌陷表现。在监测过程中，广泛收集了采矿资料，以及采空区地裂缝历史性监测成果或相关的文件资料等，结合本次监测成果综合分析与解读后，获取了以下结论。

4.1 盘古寨的地裂缝非煤矿开采引起的采空区地裂缝，采空区的地裂缝中塌陷长度有几百米，上部的垂直位移数据较大，而下部较小。而盘古寨地裂缝在平面上是近似直线型，规模较大，地表没有塌陷盆地，地面亦没有错台，这些均不符合采空区塌陷地裂缝的特征。

4.2 地裂缝发现的时间在2019 年3 月，而当时某煤矿采空区开始形成2019 年10 月，最近采空区的采深在200～450m，其与风井上山巷道距地裂缝在1.5km（平面距离）左右，而开采引起沉陷的影响范围在300m 以内，几乎不会影响到盘古寨的地裂缝。

4.3 根据现场调查某地煤矿地表形变发展趋势，采区逐渐靠近沂水河左岸，15 采区2019 年10 月至2020年5 月间，在某地行政村柳庄和花牛李自然村之间，地表已形成了沉陷洼地，南北向延伸呈条带状沉陷洼地，断面近似梯形，洼地宽约500m，高差5～7m，沉陷缝已发展至风井上山巷道位置。以最差情况为基础，设定15 采区风井上山巷道以北全部开采完，根据L=S+q、S 土层移动距离、q 基岩移动距离等公式进行计算，覆盖土层平均厚度为150m，顶板基岩厚度80～300m；β 据附近相似矿区采空塌陷区实测值：第四系地层β 取45°，基岩（煤系地层）下山方向β 取53°；经估算算可得王行庄煤矿15 采区南翼二1、二3 煤层采空最大影响范围为采空区周边300～400m 区域。所以，地裂缝位于地下采空区开采沉陷影响边界以外。

煤田分布于某调蓄水库北侧，水库占压煤田面积约为2.9km2。水库根据规划及工程布置需进行扩容，且库周进行修筑堤坝，该区域煤田为某地煤矿今后几年的开采区，局部已形成采空区，建议地裂缝部位的构筑物采取相应的预防措施，以避免不均匀变形。根据地裂缝的发展情况，进一步分析、评价地裂缝对本工程影响。

初步监测结果，分析地裂缝基本趋于稳定。由于该水库工程进行的是地表监测，如何进行有效的动态监测将起到很重要的作用；如何采取适应不均匀沉降变形的工程处理措施，防止渗漏技术将起到重要的作用。通过对监测成果的综合研判，确定盘古寨村地裂缝整体较为稳定，受到煤矿开采影响较小，变形发展速度非常缓慢，对于某调蓄水库工程建设影响程度较小。但是盘古寨村地裂缝与新庄断裂距离较近，并且处于新庄隐伏断裂上方，对于地基施工存在一定的质量隐患，建议地裂缝部位的构筑物采取相应的预防措施，以避免不均匀沉降。