李妍松，黃妤詩，李蔚林，瞿 煉，劉希貴

(湖北省鄂州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測保護站，湖北鄂州 436000)

地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測，是指當(dāng)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生時，為準(zhǔn)確了解災(zāi)害體的變化趨勢及預(yù)測突發(fā)性次生災(zāi)害，現(xiàn)場部署的一種動態(tài)監(jiān)測手段［1］。通過對災(zāi)害體在時空上的變形破壞信息及災(zāi)變誘發(fā)因素信息實施動態(tài)監(jiān)測，達(dá)到及時掌握災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)、變化趨勢的目的，預(yù)測爆發(fā)或產(chǎn)生次生災(zāi)害的可能與時間，為現(xiàn)場應(yīng)急搶險的安全性提供技術(shù)保障。采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，沒有詳細(xì)勘查的支持，搶險工作具有高危險性、空間局限性、不確定性及迫切性，因此對采空塌陷應(yīng)急監(jiān)測具有快速響應(yīng)、迅速部署、實時監(jiān)測、準(zhǔn)確分析的技術(shù)要求。本文以湖北省鄂州市銅坑礦區(qū)“1·5”采空塌陷為例，介紹應(yīng)急監(jiān)測方案的選取及其在采空塌陷搶險中的應(yīng)用。

1 概況

2015年1月5日13:40，鄂州市小銅坑礦區(qū)內(nèi)發(fā)生采空塌陷，塌坑平面形態(tài)近橢圓形，塌陷面積約600 m2，可見深度約6 m，塌陷方量約3 000 m3。經(jīng)過近45個小時的緊張救援，6名被困礦井工人先后成功獲救，現(xiàn)場未發(fā)生次生災(zāi)害，救援工作圓滿成功。

塌陷發(fā)生后，造成地下-60 m水平采礦巷道被堵塞，6人被困井下［2］。地表塌陷坑周邊可見圓弧形坍滑座落現(xiàn)象，穩(wěn)定性差，塌陷區(qū)產(chǎn)生再次塌陷的可能性較大。

但現(xiàn)場情況是急需派遣施救人員下井救援被困礦工，其后對塌陷區(qū)進行封填，以免在不利外因影響下，塌陷變形區(qū)繼續(xù)發(fā)展擴大，威脅到礦區(qū)員工住宅區(qū)及辦公室，對礦區(qū)內(nèi)生命財產(chǎn)安全造成更大損失。在此情形下，地表應(yīng)急監(jiān)測成為掌控災(zāi)害體變化趨勢、預(yù)測突發(fā)性次生災(zāi)害、保障救援人員安全的重要手段。危難時刻，湖北省鄂州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測保護站承擔(dān)了地面變形應(yīng)急監(jiān)測任務(wù)。

2 應(yīng)急監(jiān)測手段選取

采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，災(zāi)害體發(fā)展趨勢不穩(wěn)定，救援空間狹小限制人員和設(shè)備進入，救援通道不穩(wěn)定，被困人員所在深度不明確，救援工作具有高危險性、空間局限性、不確定性及迫切性。因此，應(yīng)急監(jiān)測方法的選擇與監(jiān)測點的布置應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)場空間性與設(shè)備適用性［3］。

地面塌陷所在礦區(qū)的全面調(diào)查及塌陷影響范圍的確定是應(yīng)急監(jiān)測方案制定的基礎(chǔ)［4］。地面塌陷應(yīng)急現(xiàn)場具有救援空間局限性和人員繁雜的特點，突發(fā)性和應(yīng)急性要求設(shè)備選擇以地面位移變化監(jiān)測為主，輔以定期人工地表巡查。在巡查過程中，要及時記錄地表變形情況及變形時間，并找出每次變形的影響因素，為搶險工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)測［5］。

以往地表變形測量多采用傳統(tǒng)的大地測量方法，通過建立平面和高程中誤差為毫米級的小型監(jiān)測控制網(wǎng)，測量監(jiān)測網(wǎng)上各點的空間微小變動量。其需要的工作人員較多，存在單點工作周期長、工作效率低的問題，且施工救援現(xiàn)場復(fù)雜，監(jiān)測站點間通視較差。因此常規(guī)大地測量方法難以滿足應(yīng)急監(jiān)測的任務(wù)要求。

由于本次塌陷地下變形影響區(qū)域深度超過100 m，受空間限制，地表應(yīng)急監(jiān)測采用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)。GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)是利用接收空中衛(wèi)星信號測距進行定位，這種定位技術(shù)觀測時間短(并可進行連續(xù)的動態(tài)觀測)，無須測站間通視，精度可以達(dá)到毫米級，大大減少工作量。而且利用無線通信技術(shù)可以將觀測數(shù)據(jù)傳到數(shù)據(jù)處理中心，可以實時監(jiān)測工作區(qū)地表變形特征［6］。受空間范圍影響，地下變形以與地下工作人員實時溝通為主。在此基礎(chǔ)上，派遣專職監(jiān)測人員定期對塌陷區(qū)影響范圍進行巡查。

3 監(jiān)測方案

3．1 地表監(jiān)測點布置

為有效監(jiān)控、監(jiān)視塌陷區(qū)域變形情況，災(zāi)害發(fā)生后，本站技術(shù)人員立即在塌陷坑周邊布設(shè)了5個GPS監(jiān)測點(包括1個基準(zhǔn)點和4個變形監(jiān)測點)，詳見圖1?；鶞?zhǔn)點布設(shè)于距離塌陷坑附近(影響范圍外)視野通透的高地。監(jiān)測點的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取最能反應(yīng)災(zāi)害體發(fā)展、推測首先變形的部位，盡量避開救援通道和地表人員流動較大區(qū)域，保證監(jiān)測點的代表性與分布合理性。

圖1 監(jiān)測點平面布置圖Fig．1 Layout plane of monitoring point

3．2 預(yù)警方案

應(yīng)急監(jiān)測將涉及到應(yīng)急搶險預(yù)案的實施，本次監(jiān)測按變形程度分為一、二、三級預(yù)警。

一級(橙色) 災(zāi)害點保持較小的勻速或減速變形狀態(tài)，GPS監(jiān)測點位移變化＞50 mm/d，降雨級別為中雨，24 h降水總量10～25 mm。應(yīng)急響應(yīng):巡查頻率加密，每1—5 h巡視1次，密切注意災(zāi)害點發(fā)展情況。

二級(黃色) 災(zāi)害點宏觀變形跡象明顯，GPS監(jiān)測點位移變化較大，變形位移＞100 mm/d;降雨級別為大雨，24 h降水總量25～50 mm。應(yīng)急響應(yīng):增加巡查頻率，每小時1次到多次，密切注意災(zāi)害點發(fā)展情況，在24 h內(nèi)以簡報形式向業(yè)主進行匯報，并通知相關(guān)人員準(zhǔn)備撤離災(zāi)害點危險區(qū)。

三級(紅色) 災(zāi)害點宏觀變形明顯加快，GPS監(jiān)測點位移變化大，降雨級別為暴雨—大暴雨，24 h時降水總量50～200 mm或＞200mm。應(yīng)急響應(yīng):組織災(zāi)害點范圍內(nèi)全部人員迅速撤離。

3．3 監(jiān)測流程

將所有監(jiān)測記錄及時做好整理，根據(jù)觀測結(jié)果做出正確分析。實行24小時值班制度，如果GPS監(jiān)測點數(shù)據(jù)及曲線短時間內(nèi)有較大波動，立即上報相關(guān)部門。監(jiān)測報警值見表1。

表1 監(jiān)測報警值Table 1 Alarm value of monitoring

同時為掌握災(zāi)害體的穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢，需要記錄救援或應(yīng)急施工進度以及氣象條件等對地質(zhì)災(zāi)害體的影響，為搶險工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)測。

本次應(yīng)急監(jiān)測起止日期為1月6日—28日。其中，1月19日8:00，排水渠道損壞導(dǎo)致水流溢出，部分尾砂及水流入塌陷坑內(nèi)，引起站點03、04的三腳架傾斜，該兩點于1月20日停止監(jiān)測;1月24日—28日有連續(xù)小雨，詳見表2;應(yīng)急回填工作于1月26日啟動。

4 監(jiān)測成果分析

本次監(jiān)測設(shè)備為高通 DM-GPS，儀器號:A100，水平精度±3 mm，垂直精度±5 mm。為了直觀地分析各站點的變形情況，工作人員繪制出各站點在監(jiān)測期間的位移—時間曲線，見圖2-圖5，所有監(jiān)測點累計值均未超出警戒值范圍。

表2 監(jiān)測晴雨表Table 2 Barometer of monitoring

如圖2所示，各監(jiān)測點東方向位移在-5．789～15．064 mm之間，變形總體呈增長趨勢。其中，站點01在監(jiān)測初期位移量增長較快，后期變形平穩(wěn)，累計向東偏移15．064 mm，變形量最大。這是因為站點01距離塌陷坑西側(cè)8 m，位于蓄水池與塌陷坑之間，1月7日中午12:00點蓄水池水滿溢出后流入塌陷坑內(nèi)，站點附近土體發(fā)生較大位移，將該情況上報處理后變形得到控制。站點02-04的位移為負(fù)值，即均向西變形，累計位移較小，在 -5．789～0．524 mm 之間，呈增長趨勢。

圖2 東方向位移隨時間變化曲線Fig．2 Variation curve of oriental displacement with time change

圖3 北方向位移隨時間變化曲線Fig．3 Variation curve of northern displacement with time curve

圖4 垂直位移隨時間變化曲線Fig．4 Variation curve of vertical displacement with time change

如圖3所示，各監(jiān)測點均向北發(fā)生變形，總體呈增長趨勢，位移量在0．28～6．05 mm之間。監(jiān)測初期，由于蓄水池溢水各點位移增長較快，后期變形減緩，1月24日—28日站點01、02變形速率再次增加是由于連續(xù)降雨所致。其中，站點04距離塌陷坑南側(cè)較近，僅間隔1．5 m，其北部臨空為變形創(chuàng)造了有利條件，所以其位移量最大，且增長速率最快。

如圖4所示，各監(jiān)測點垂直位移曲線趨勢相同，位移量在0～-12．012 mm之間。監(jiān)測初期，各點位移增長較快，后期變形相對減緩，1月24日20:00變形回彈增加是由于降雨所致。

圖5 綜合方向位移隨時間變化曲線Fig．5 Variation curve of synthesized pattern displacement with time change

從圖5可以看出，四個監(jiān)測點的整體變形規(guī)律一致，總體呈增長趨勢，變形區(qū)間值為0～21 mm。站點01、04變形較大，說明塌陷坑有東西向擴展趨勢。

經(jīng)綜合分析，各監(jiān)測點變形速度較穩(wěn)定，變形量不大，未超出預(yù)警值，認(rèn)為再次產(chǎn)生塌陷的可能性小，井下救援與應(yīng)急治理工作可以安全正常進行。

5 應(yīng)急監(jiān)測在搶險中的應(yīng)用意義

應(yīng)急監(jiān)測是通過監(jiān)測地表的位移變化來判斷災(zāi)害體的近期發(fā)展趨勢、破壞形式、次生災(zāi)害發(fā)生的時間及規(guī)模，以保障地下?lián)岆U工作及后期應(yīng)急治理工作的安全性，具有特殊性和必要性。

地下?lián)岆U及應(yīng)急治理過程中，在預(yù)測可能發(fā)生地面變形的區(qū)域，選擇合適的位置布置監(jiān)測點進行實時監(jiān)測，并派遣專職監(jiān)測員對災(zāi)害體周邊進行定期巡查。在巡查過程中，不僅要及時地記錄和描述地表出現(xiàn)的裂縫、塌陷的形態(tài)和時間，還要記載每次觀測時救援或施工的推進速度、氣象條件等有關(guān)情況對災(zāi)害體變形的影響。

應(yīng)急監(jiān)測工作是對井下救援人員及災(zāi)害體現(xiàn)場工作人員生命安全的保證，地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測必須要做到以下幾個方面:

(1)響應(yīng)迅速，應(yīng)急布置監(jiān)測點，迅速確定監(jiān)測員和地面巡查路線，以最快的速度對地質(zhì)災(zāi)害變形影響區(qū)域?qū)嵭杏行ПO(jiān)控。

(2)實時掌握區(qū)域變形動態(tài)(包括變形方向、變形速度、變形范圍等)，準(zhǔn)確分析，對穩(wěn)定狀態(tài)及變形發(fā)展趨勢作出預(yù)測。

(3)有效監(jiān)控、監(jiān)視區(qū)域安全狀況，發(fā)現(xiàn)異常情況和隱患，及時發(fā)布各級預(yù)警，為有關(guān)部門管理決策和應(yīng)急搶險提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，確保區(qū)域內(nèi)工作人員的生命安全。

6 結(jié)論

(1)采空塌陷的應(yīng)急救援工作主要在地下巷道開展，搶險工作具有高危險性、空間局限性、不確定性及迫切性，應(yīng)急現(xiàn)場具有救援空間局限性和人員繁雜的特點，突發(fā)性和應(yīng)急性要求設(shè)備選擇以地面位移變形監(jiān)測為主，地下變形主要以與地下工作人員實時溝通為主，輔以定期人工地表巡查。應(yīng)急監(jiān)測方法的選擇與布置應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)場空間性與設(shè)備適用性。

(2)采用GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)進行地表應(yīng)急監(jiān)測，基準(zhǔn)點的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取距離塌陷坑附近(影響范圍外)視野通透的高地;監(jiān)測點的設(shè)置應(yīng)當(dāng)選取最能反應(yīng)災(zāi)害體發(fā)展、推測首先變形的部位，盡量避開救援通道和地表人員流動較大區(qū)域，保證監(jiān)測點的代表性與分布合理性。

(3)本次應(yīng)急監(jiān)測周期共計23天，四個監(jiān)測點的整體變形規(guī)律是一致的，總體呈增長趨勢，與塌陷坑?xùn)|側(cè)裂縫加寬、下沉的宏觀變形現(xiàn)象是相符的。經(jīng)綜合分析，形成的結(jié)論是:各點變形速度較穩(wěn)定，變形量不大，未超出預(yù)警值，再次產(chǎn)生塌陷的可能性小，井下救援與應(yīng)急治理工作可以安全正常進行。

(4)應(yīng)急監(jiān)測具有實時監(jiān)測、準(zhǔn)確分析的特點。除了觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)，還要及時進行人工巡查，以掌握救援或施工的推進速度以及氣象條件對災(zāi)害體穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢的影響，為搶險工作的應(yīng)急部署、快速響應(yīng)作出預(yù)警。

［1］ 江鴻彬，譚愛平，夏春梅，等．突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測探討［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2012，23(1):13-15．

［2］ 王明起，周蒙．鄂州宏盛礦業(yè)有限公司小銅坑銅鐵礦“1·5”地面塌陷應(yīng)急治理設(shè)計方案［R］．武漢:湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2015．

［3］ 赫中峰．變形監(jiān)測在重慶市五童路小石壩高架橋應(yīng)急搶險工程中的應(yīng)用［J］．國土資源導(dǎo)刊，2012(6):84-85．

［4］ 蘇志軍，許多，王迎霜，等．河北礬山磷礦礦山地質(zhì)環(huán)境及地面塌陷監(jiān)測［J］．地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護，2014，25(3):43-48．

［5］ 張兵，劉雙雙，趙瑞，等．六道灣煤礦塌陷西區(qū)地面沉降監(jiān)測設(shè)計方法探討［J］．測繪工程，2008，17(3):50-52．

［6］ 高朝忠，魏海燕．測量技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．大眾科技，2009(5):143-151．