張書華，陳洪年，李洪亮（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東兗州272100）

1 概述

近年來，隨著煤炭企業(yè)的深入開采，各地都出現(xiàn)了面積、深度不等的塌陷地。多處農(nóng)田被毀，莊稼被淹，樹木、植被被淹，以至枯死。為了改善地質(zhì)環(huán)境，恢復(fù)耕地，變廢為寶，國家從各地礦山企業(yè)征收的稅費(fèi)中拿出大量的資金進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境治理。治理效果如何？治理后的環(huán)境會(huì)如何變化？從哪些方面、以何種方法去監(jiān)測此種地災(zāi)現(xiàn)象引起的各種變化？目前仍是地學(xué)界正在熱議的問題。

鄒城市位于山東省西南部，是典型的資源型城市，該市境內(nèi)煤炭資源豐富,含煤面積357km2,占境域面積的22%,地下煤炭儲(chǔ)量達(dá)41×108t,是全國8大煤炭生產(chǎn)基地之一[1]。多年來,煤炭開采在帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí),也帶來了采煤區(qū)塌陷等毀壞耕地、破壞生態(tài)等人為地質(zhì)災(zāi)害方面的問題。為了改善生態(tài)環(huán)境，最大限度地恢復(fù)塌陷區(qū)土地耕作條件，該市多方籌措資金1.8億元，先后實(shí)施了平陽寺403hm2、北宿唐村373hm2和北宿800hm2三大重點(diǎn)治理工程，累計(jì)綜合治理采煤塌陷地2067hm2，恢復(fù)耕地733hm2[2]。為了掌握礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境變化規(guī)律，檢驗(yàn)礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程效果，指導(dǎo)后期的礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程，必須對治理區(qū)實(shí)行全面監(jiān)測。鄒城市國土資源局委托中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測設(shè)計(jì)，隨后監(jiān)測單位進(jìn)行為期10年的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測，監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)已布設(shè)完畢，各種儀器設(shè)備也已購置妥當(dāng)，現(xiàn)分述如下。

2 工程概況

2.1 工作區(qū)概況

鄒城市地處山東省西南部,轄區(qū)總面積1616km2。“鄒城市太平采煤區(qū)礦山地質(zhì)環(huán)境治理示范工程（一期）監(jiān)測工程”位于鄒城市西側(cè)——太平鎮(zhèn)平陽寺村，處于新濟(jì)鄒路與泗河交叉處，新濟(jì)鄒路路北，泗河?xùn)|側(cè)，屬兗州煤田范圍。

該地區(qū)氣候?qū)倥瘻貛?，為東亞大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水集中，雨熱同步，冷熱季和干濕季區(qū)別明顯。全市年平均太陽輻射總熱量120.64kcal/cm2，年日照時(shí)數(shù)為2l51～2596h，平均占可照時(shí)數(shù)的55%，年平均氣溫為14.1℃，日平均氣溫穩(wěn)定超過0℃農(nóng)耕期297d，其間大于0℃的積溫為5217℃，日平均氣溫≥10℃的活動(dòng)積溫為4697℃，持續(xù)217d。全年無霜期平均為202d，平均初霜日在10月28日，平均終霜日在4月8日。年平均降水量為777.1mm，主要集中在6、7、8月份，年最大降水量為1225.5mm，年最小降水量為434.4mm，年際之間和年內(nèi)各季節(jié)的降水極不平衡。歷年平均相對濕度64%。該地區(qū)水系屬淮河流域，主要河流有泗河、白馬河，屬季節(jié)性間歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含砂量大。

2.2 完成工作量情況及購買的主要儀器設(shè)備

為了完成該項(xiàng)目的監(jiān)測設(shè)計(jì)意圖，必須建立相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)過幾個(gè)月的努力，我們完成了本監(jiān)測項(xiàng)目工程的所有施工。主要包括地面沉降位移監(jiān)測樁、GPS監(jiān)測標(biāo)墩、地表水監(jiān)測樁（直立式水尺）、深孔水文鉆探、成井、淺孔水文鉆探、成井、擋墻位移監(jiān)測樁、土壤肥力監(jiān)測斷面線標(biāo)樁、岸坡侵蝕監(jiān)測標(biāo)樁埋設(shè)等分項(xiàng)工程，完成的主要實(shí)物工作量見表1。

表1 監(jiān)測部署工程實(shí)物工作量一覽表

為了完成該監(jiān)測工程，購置了索佳全站儀2臺(tái)，天寶DiNi03高精度電子水準(zhǔn)儀2臺(tái)，GPS觀測墩強(qiáng)制對中歸心盤（不銹鋼）17套，Trimble GPS接收機(jī)2臺(tái)套，進(jìn)行地面位移監(jiān)測；購置裂縫報(bào)警器28個(gè)，進(jìn)行建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測；購置直立式水尺14根，HI9804多參數(shù)水質(zhì)分析儀1臺(tái)，有機(jī)玻璃取水器2個(gè)，進(jìn)行地表水監(jiān)測；購置干濕球溫度計(jì)2個(gè)，濕敏電容1個(gè)，雨量器2個(gè)，小型蒸發(fā)器1個(gè)，地表面濕度表1個(gè)，風(fēng)速儀1個(gè)，風(fēng)向儀1個(gè)，進(jìn)行氣象監(jiān)測；購置離心水泵2臺(tái)，購置加拿大SOLINST公司自動(dòng)水位探頭20只，水位讀數(shù)儀2臺(tái)，有機(jī)玻璃取水器2個(gè)，多參數(shù)水質(zhì)分析儀2臺(tái)，電纜940m，進(jìn)行地下水監(jiān)測；購置TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測量儀1臺(tái)，螺旋取土鉆5臺(tái)，鐵鍬4把，樣品袋7540個(gè)，樣品箱2個(gè)，進(jìn)行土壤監(jiān)測。

3 各監(jiān)測設(shè)施施工

3.1 GPS監(jiān)測墩施工

在選定位置按1.2m×1.2m進(jìn)行開挖，深度超過1.5m。觀測標(biāo)樁用鋼筋混凝土在選定的點(diǎn)位澆制，混凝土采用C25，澆筑時(shí)應(yīng)邊澆筑邊用鋼釬搗實(shí)。安裝對中盤，盤面應(yīng)水平，孔應(yīng)垂直，對中盤面傾斜不大于2mm，并在點(diǎn)的記錄中注明對中孔的深度、孔徑以及觀測時(shí)帶的工具。強(qiáng)制對中觀測標(biāo)樁埋設(shè)后，在標(biāo)樁的朝南側(cè)注明點(diǎn)名、編號、埋設(shè)單位、埋設(shè)日期和“GPS“字樣?；鶞?zhǔn)標(biāo)墩和變形點(diǎn)測量標(biāo)墩結(jié)構(gòu)參見圖1。

GPS觀測墩施工工序：現(xiàn)場實(shí)地踏勘和選點(diǎn)→測量放點(diǎn)→土石方開挖→鋼筋制作和安裝→模板和混凝土工程→強(qiáng)制對中盤、水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)安裝→施工現(xiàn)場看護(hù)→拆模和模板轉(zhuǎn)移→油漆噴涂和保護(hù)罩的安裝→觀測墩的裝飾、裝修。

3.2 地下水監(jiān)測井施工

（1）深層地下水監(jiān)測井施工。本次共施工深層孔隙水監(jiān)測井4眼，DS1號孔位于監(jiān)測區(qū)東北部的湖心島中，孔深175m；DS2號孔位于邢村東南角，TX1和TX2塘之間南側(cè)，孔深185m；DS3號孔位于平陽寺村南側(cè)，孔深200m；DS4號孔位于平陽寺鎮(zhèn)鮑店煤礦風(fēng)井附近，孔深135m。本次施工采用SPJ-300型水文鉆機(jī)，先用?168mm鉆具取芯鉆進(jìn)，進(jìn)行水文地質(zhì)巖芯編錄，確定監(jiān)測的含水層位置和止水位置；采用?450mm分翼式鉆頭擴(kuò)孔后，下入?219mm鋼管和橋式濾水管，采用夾板提吊焊接法下管；管外采用粘土球止水，止水深度分別為160m、182m、141m和80m；成井結(jié)束后進(jìn)行了洗井和抽水試驗(yàn)工作，并取水樣送檢。

（2）淺孔水文鉆探、成井。淺層地下水監(jiān)測井施工方法和工序與深層孔施工一致，采用SPJ-300型水文鉆機(jī)，先用?168mm鉆具取芯鉆進(jìn)，進(jìn)行水文地質(zhì)巖芯編錄，確定監(jiān)測的含水層位置和止水位置；采用?450mm分翼式鉆頭擴(kuò)孔后，下入?219mm鋼管和橋式濾水管，采用夾板提吊焊接法下管，成井深度均為25m；管外采用粘土球止水。本次施工完成淺層水監(jiān)測孔19眼，成井結(jié)束后均進(jìn)行了洗井和抽水試驗(yàn)工作，并取水樣送檢。

圖1 GPS監(jiān)測墩設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

3.3 水準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)施工

埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)石，首先應(yīng)挖一深100cm、長寬各70cm的基坑，倒入混凝土，厚度約20cm，搗實(shí)，然后將標(biāo)石放入基坑，讓混凝土與標(biāo)石凝結(jié)在一起，再將土回填、夯實(shí)，蓋以小水泥上蓋，砌0.6m×0.6m保護(hù)池，池邊高出自然地面10～20cm，蓋水泥護(hù)蓋，旁立一水泥指示樁，噴以“測量標(biāo)志，嚴(yán)禁碰動(dòng),法律保護(hù)，違者必究”字樣。水準(zhǔn)標(biāo)石的埋設(shè)尺寸如圖2所示。

4 主要儀器設(shè)備及用途

4.1 地下水監(jiān)測儀器的安裝及用途

深層地下水監(jiān)測采用加拿大生產(chǎn)的Solinst M3001 Levelogger Edge——“銳界”系列地下水液位、溫度自動(dòng)記錄儀。其工作原理如圖3所示。

觀測動(dòng)態(tài)水位為基巖承壓水，監(jiān)測裝置能實(shí)現(xiàn)地下水連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測，可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)自動(dòng)傳輸至室內(nèi)監(jiān)測中心，并實(shí)現(xiàn)地下水監(jiān)測省內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了從手工量測到水位、水溫自動(dòng)記錄的重大變革。

4.2 地表水監(jiān)測儀器設(shè)備及用途

按照設(shè)計(jì)要求，分別在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的泗河、白馬河上游和下游，5個(gè)主要塌陷積水坑塘和生活污水排放點(diǎn)安裝直立式水尺。首先將靠樁打入至水底，水尺靠樁入土深度1.5m。安裝水尺時(shí)，采用水下下套管方法將水排出，套管內(nèi)下挖1m，待水尺立穩(wěn)且垂直水面后，用鐵絲將水尺和靠樁綁牢，在水尺和靠樁下部澆注混凝土凝固。本次施工完成14個(gè)地表水環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)，質(zhì)量均達(dá)到合格要求。

圖2 地面塌陷觀測樁埋設(shè)示意圖(單位：mm)

4.3 地下水觀測設(shè)備及安裝

為完成地下水監(jiān)測工作，我單位購置2臺(tái)多參數(shù)水質(zhì)分析儀（smarTROLL MP手持式多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀，尺寸4.7cm外徑×26.9cm，每10s讀1次）及其他監(jiān)測設(shè)備，地下水觀測設(shè)備儀器詳見表2。

4.4 測量設(shè)備的投入

圖3 深層地下水自動(dòng)監(jiān)測原理示意圖

表2 地下水監(jiān)測主要設(shè)備儀器一覽表

表3 沉降監(jiān)測主要設(shè)備儀器一覽表

為圓滿完成本次監(jiān)測任務(wù)，我單位購置全站儀2臺(tái)（索佳FX101，基本參數(shù)測角精度1秒，測距精度2mm+1ppm，1秒級全站儀），購置天寶接收機(jī)1+1臺(tái)（美國天寶光譜EPOCH 50 GNSS，精度指標(biāo):靜態(tài)平面±3mm+0.1ppm，RTK平面±10mm+1ppm，靜態(tài)垂直±3.5mm+0.4ppm，RTK垂直±20mm+1ppm），購置水準(zhǔn)儀2臺(tái)（天寶DiNi03，測距范圍1.5～100m，觀測精度達(dá)0.3mm，最小顯示0.01mm）。沉降監(jiān)測部署工程中監(jiān)測儀器、設(shè)備材料的采購、運(yùn)輸、保管、檢驗(yàn)、埋設(shè)安裝均已完成，投入的主要設(shè)備儀器見表3。

4.5 裂縫報(bào)警器購置及安裝

使用拉線法安裝裂縫報(bào)警器。具體實(shí)施方法：將裂縫兩側(cè)處理干凈，貼上十幾厘米長的寬透明膠帶，用刀片沿裂縫割斷膠帶。撕開報(bào)警器背面膠紙，橫向固定于裂縫的一側(cè)，在裂縫的另一側(cè)固定一顆釘子，拉線一頭纏繞于釘子上，保持拉線處于繃直狀態(tài)，使報(bào)警器處于工作狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求在監(jiān)測區(qū)共布置28個(gè)建（構(gòu)）筑物變形監(jiān)測點(diǎn),購買28個(gè)裂縫報(bào)警器，施工數(shù)量、質(zhì)量均合格，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.6 小型氣象設(shè)備安裝及用途

為了監(jiān)測監(jiān)測區(qū)的氣候變化情況，我們在監(jiān)測區(qū)中部安裝了小型氣象站。氣象站結(jié)構(gòu)：風(fēng)速傳感器安裝在西邊的風(fēng)桿上；風(fēng)向傳感器安裝在東面的大桿上；溫、濕傳感器安裝在北邊的大支撐桿上；蒸發(fā)量傳感器安裝在西南角，上空無任何遮擋；雨量傳感器安裝在原來虹吸雨量計(jì)的位置上，上面無任何遮擋；淺層地溫傳感器安裝在原曲管地溫表東面擴(kuò)展的裸地內(nèi)；深層地溫傳感器安裝在原直管地溫表的南側(cè)，與原直管地溫表相0.5m，東西方向排列。儀器間南北間距2m，東西間距3m，儀器距圍欄距離3m。安裝的設(shè)備主要有：干濕球溫度計(jì)2個(gè)，濕敏電容1個(gè)，雨量器2個(gè)，小型蒸發(fā)器1個(gè)，地表面溫度表1個(gè)，風(fēng)速儀1個(gè)，風(fēng)向儀1個(gè)，氣壓計(jì)1個(gè)，質(zhì)量全部合格。

5 結(jié)論

通過以上施工和安裝工程，共完成了9大類，共12項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目的設(shè)施安裝，各項(xiàng)施工都滿足或高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)目已通過業(yè)主——國土資源部門的驗(yàn)收，各分項(xiàng)及總體工程皆滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求。目前，該項(xiàng)目已投入運(yùn)行，各項(xiàng)監(jiān)測工程正在有條不紊地進(jìn)行。礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測是最近幾年才興起的一種監(jiān)測工作，監(jiān)測內(nèi)容涵蓋了工程測量、水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)的諸多內(nèi)容。如何能夠全面而有效地進(jìn)行監(jiān)測？監(jiān)測應(yīng)該達(dá)到何種最佳監(jiān)測效果？還需要各方面的專家共同探討。希望各界同仁共同探討，不吝賜教，以期取得更好的監(jiān)測效果。

[1]許開營，劉陽.鄒城市綜合治理采煤塌陷地成效顯著[J].山東國土資源，2007，23(12):39-40.

[2]李慶強(qiáng)，苗偉.鄒城市采煤塌陷地治理存在的問題及建議[J].山東國土資源，2011，27(4):35-39.