邢宇鑫　吳大鵬　王亞婷　張濤　孫楠　 秦沛

摘 要：煤礦開(kāi)采引起的采空塌陷、地裂縫等礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了動(dòng)態(tài)監(jiān)督管理礦山環(huán)境，研究閉坑礦山采空塌陷區(qū)安全狀況，選取北京西部煤礦集中開(kāi)采區(qū)內(nèi)的西岳臺(tái)村作為典型監(jiān)測(cè)示范區(qū)。區(qū)內(nèi)布置3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，4個(gè)工作基點(diǎn)，15個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)以及一套微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采用地表形變測(cè)量與微震監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方法，以2015—2018年4年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，年平均沉降量在-10mm～10mm之間，年平均1～2次微震事件。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)已閉坑煤礦雖然處于穩(wěn)定期，但是仍存在緩變塌陷狀況并且受外界變量影響，需進(jìn)一步加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測(cè);形變測(cè)量;穩(wěn)定期;緩變塌陷

中圖分類號(hào)：P694? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：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

采空塌陷是由煤礦及其他礦種地下開(kāi)采引發(fā)的礦山地質(zhì)災(zāi)害。由于地下礦產(chǎn)被采出后，形成采空區(qū)，其上覆巖層的原始平衡狀態(tài)遭到破壞，周?chē)鷰r體產(chǎn)生應(yīng)力集中、移動(dòng)變形、離層、裂縫，甚至破壞垮落。這就需要對(duì)典型的礦山進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握最新信息，動(dòng)態(tài)的對(duì)礦山環(huán)境進(jìn)行監(jiān)督管理（孟中華，2011）。

目前，我國(guó)監(jiān)測(cè)工作主要是以地面形變監(jiān)測(cè)為主，在開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)方面積累大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要采用全站儀、經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀以及GPS監(jiān)測(cè)、遙感技術(shù)、InSAR技術(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的技術(shù)水平有所提高，但仍難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)（李海鷹，2007;國(guó)巧真等，2005）。存在的主要問(wèn)題是：（1）主要以形變監(jiān)測(cè)為主，預(yù)警預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性差;（2）主要圍繞單個(gè)礦區(qū)地表及淺部監(jiān)測(cè)為主，缺乏深部及區(qū)域性監(jiān)測(cè)研究;（3）監(jiān)測(cè)方式以定期監(jiān)測(cè)為主，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（劉洪濤，2011;劉建坡等，2012）。究其原因，是由于位移、裂縫等現(xiàn)象只是地下巖層破壞的必要條件和后續(xù)連鎖反應(yīng)，并不是充分條件。作為一個(gè)天然的力學(xué)系統(tǒng)，地面塌陷等災(zāi)害的發(fā)生與否決定于地下采空區(qū)圍巖之間的平衡狀態(tài)變化和破壞程度。

對(duì)監(jiān)測(cè)示范區(qū)采取傳統(tǒng)的區(qū)域地表形變監(jiān)測(cè)與深部巖體力學(xué)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行。地表形變監(jiān)測(cè)在西岳臺(tái)問(wèn)題嚴(yán)重區(qū)采用水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，達(dá)到對(duì)宏觀和微觀形變的監(jiān)測(cè);而深部巖體監(jiān)測(cè)采取先進(jìn)的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2012—2015年由原國(guó)土資源部科技與國(guó)際合作司組織，與芬蘭阿爾托大學(xué)城市與區(qū)域研究中心、國(guó)家地質(zhì)試驗(yàn)測(cè)試中心合作，通過(guò)“產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合的方式，總結(jié)北京典型煤礦采空塌陷監(jiān)測(cè)取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)深部應(yīng)力集中層位的巖石斷裂事件進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合區(qū)域性地表形變監(jiān)測(cè)，建立采空區(qū)“地-空”立體型監(jiān)測(cè)技術(shù)示范研究，做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析，提高區(qū)域性關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的整體技術(shù)水平（文興等，2014;郭玉豹等，2015）。

1 地質(zhì)概況

監(jiān)測(cè)示范區(qū)位于北京市房山區(qū)史家營(yíng)鄉(xiāng)西岳臺(tái)村內(nèi)礦集區(qū)的塌陷區(qū)，為西岳臺(tái)村至小村澗村約3.5km2區(qū)域內(nèi)，西岳臺(tái)村及周邊地區(qū)采煤活動(dòng)以改革開(kāi)放以來(lái)開(kāi)始活躍，經(jīng)原北京市國(guó)土局批準(zhǔn)的集體煤礦有村西的福增煤礦，村北的翁窯煤礦，村南的安岳煤礦。詳見(jiàn)圖1。

（1）福增煤礦

福增煤礦礦權(quán)范圍位于西岳臺(tái)村西，離村子500m以遠(yuǎn)，開(kāi)采侏羅系窯坡組煤層，巷道位于700m水平，其采礦活動(dòng)對(duì)西岳臺(tái)村影響不大。

（2）翁窯煤礦

翁窯礦礦界位于西岳臺(tái)村北側(cè)，巷道處于790m水平，主要開(kāi)采侏羅系窯坡組四煤層和二煤層，該二層煤呈透鏡體產(chǎn)出，開(kāi)采方式為斜坡后退爆破陷落法，其它煤層薄，亦采用斜坡后退爆破陷落法開(kāi)采，生成規(guī)模為6萬(wàn)噸/年。礦山開(kāi)采圍巖條件為山西組砂巖和粉砂巖，屬較堅(jiān)硬巖體，裂隙和斷層不發(fā)育，一般很少支護(hù)，在接近煤層或在煤巷中，煤層及頂板巖體疏松，需要密集支護(hù)，廢棄坑道內(nèi)巖石自然塌落高度一般為3m。

（3）安岳煤礦

安岳煤礦北界緊接西岳臺(tái)村南，開(kāi)采石炭二疊系山西組煤層四煤層（M4）和五煤層（M5）。

監(jiān)測(cè)示范區(qū)位于百花山向斜的東南翼，除局部地段發(fā)育小型層間褶皺外，地層總體走向北東，傾向北西，傾角25°左右。斷裂構(gòu)造以小型為主，其中在青土澗西部為馬蘭斷裂帶的南延部分，小型斷裂較發(fā)育，造成窯坡組等地層呈斷塊狀多次重復(fù)。斷層總體走向北東40°左右，傾向西，傾角60°～80°。史家營(yíng)西南斷裂相對(duì)較少，主要為北西和北東向，對(duì)地層亦有一定破壞作用。煤礦資源主要分布石炭系山西組和侏羅系窯坡組兩個(gè)地層單元中。

2 礦山分布及地面塌陷情況

監(jiān)測(cè)示范區(qū)分布的采空塌陷災(zāi)害有地面塌坑、地裂縫和建筑物變形，主要分布于村西和村南。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地面調(diào)查，發(fā)現(xiàn)西岳臺(tái)村現(xiàn)有地面塌陷坑6個(gè)（圖2、表1），其中較大的塌陷坑2個(gè)，分布于村子中部西側(cè);小塌陷坑（群）4個(gè)，分布于村子西部和南側(cè)。塌坑最長(zhǎng)30m，最寬15m，最深12m，發(fā)生時(shí)間自2008年5月18日至2009年3月。其中5號(hào)塌坑和6號(hào)塌坑最大，位于西岳臺(tái)上街，呈串珠狀相連。

3 地面塌陷監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

3.1地表形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)布置

（1）地表形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)

監(jiān)測(cè)手段采用GPS、全站儀和水準(zhǔn)儀等儀器。2015—2018年，在3.5km2研究區(qū)內(nèi)根據(jù)規(guī)范要求及現(xiàn)場(chǎng)情況，沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)均采用汽車(chē)鉆打孔，水泥砂漿灌注，待測(cè)點(diǎn)過(guò)凝固期穩(wěn)定后開(kāi)始觀測(cè)。基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在影響區(qū)域以外的地區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次觀測(cè)埋設(shè)3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，4個(gè)工作基點(diǎn)，埋設(shè)深度為2.50m，共計(jì)埋設(shè)15個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)（圖3），埋設(shè)深度為1.50m。

（2）地表形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以3次觀測(cè)初始值作為基準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)分析2015—2018年期間累計(jì)沉降量變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)顯示監(jiān)測(cè)區(qū)大部分區(qū)域基本穩(wěn)定，符合前期勘查結(jié)果，判定監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)采空區(qū)基本已過(guò)了活躍期。地表趨于穩(wěn)定，但老采空區(qū)對(duì)區(qū)域內(nèi)工程建設(shè)生產(chǎn)生活仍然具有巨大的潛在威脅，在局部地區(qū)仍存在較大的沉降。區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)年均沉降最大的為（DM12）-9.91mm與（DM13）9.68mm，沉降形成了公路房屋為中心明顯的沉降區(qū)，以此沉降區(qū)為中心周邊沉降量在6～7mm之間，主要分布在賈史公路路旁沉降區(qū)，沉降量在1～3mm之間（表2、圖4）。

3.2 微震監(jiān)測(cè)布置及數(shù)據(jù)分析

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)用于監(jiān)測(cè)巖體在變形和破壞過(guò)程中，裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展、摩擦?xí)r內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放，產(chǎn)生微震事件。IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是被設(shè)計(jì)安裝于露天礦和地下礦等嚴(yán)酷環(huán)境中，也適用于非礦山的應(yīng)用，如核廢料的地下儲(chǔ)藏，地表區(qū)域性地震監(jiān)測(cè)，水壩壩體監(jiān)測(cè)等（王書(shū)文等，2015;國(guó)巧真等，2005）。

（1）微震監(jiān)測(cè)原理

微震產(chǎn)生機(jī)理，巖石變形時(shí)，局部地區(qū)應(yīng)力集中，可能會(huì)發(fā)生突然的破壞，從而向周?chē)l(fā)射處彈性波，滑動(dòng)產(chǎn)生P和S波（壓縮波和剪切波），兩者速度不同，P波>S波，可用三分量檢波器接收（圖5）。

三分量檢波器記錄的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)簡(jiǎn)單處理后可得到微震記錄，其中每個(gè)微震都是P波在前，S波在后，他們都有3個(gè)分量：一個(gè)垂直分量（V），兩個(gè)水平分量（H1和H2）（蔡靜，2017;陳迪，2014）。

微震波形有體波（包括P波和S波兩種）和導(dǎo)波兩類，體波包括直達(dá)波、反射波、折射波等。其中最重要的是直達(dá)波，即從發(fā)震點(diǎn)直接傳播到檢測(cè)器被接收的微震，它在記錄到的微震數(shù)中占絕大多數(shù)。其特點(diǎn)是：在3個(gè)檢波器記錄上，每個(gè)分量上P波和S波成對(duì)出現(xiàn)，并且三個(gè)分量上的P波波至?xí)r間和S波波至?xí)r間分別相同。

（2）微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

IMS微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析及判定主要使用Trace軟件。Trace 是一個(gè)軟件包，用來(lái)可視化和處理IMS地震系統(tǒng)收集的地震波數(shù)據(jù)。地震波處理是指確認(rèn)P波和S波的到達(dá)，以估計(jì)地震事件的震源參數(shù)，如位置、輻射地震能和非彈性共地震形變（肖海平，2007;張睿，2014）。

2015年1月至2018年12月，IMS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共接收微震事件5074起，經(jīng)判定，有效微震事件10起，無(wú)效微震事件5064起（表3）。微震事件多為周?chē)》秶鷰r體開(kāi)裂或錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致，亦有可能是采空區(qū)頂板破碎帶局部擠壓或松動(dòng)產(chǎn)生。部分發(fā)生采空塌陷區(qū)內(nèi)巖石脆性破裂或剝落引起，10次微震事件與周邊自然地震事件相關(guān)。例如北京時(shí)間2016年04月19日01時(shí)10分，2016年11月03日19時(shí)43分40秒，中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)可查。通過(guò)多年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)微震事件多發(fā)期在7—11月，受外界環(huán)境因素影響較大。

微震事件判定主要從通過(guò)波形形態(tài)，能量，頻譜特征等方面進(jìn)行判定。首先從波形形態(tài)上，通常微震事件發(fā)生后，由于每個(gè)微震都是P波在前，S波在后，所以微震事件在波形形態(tài)上表現(xiàn)為“二級(jí)跳”，即先接收到P波，形成能量較弱的波形，在之后S波達(dá)到后再次形成振幅較大的波。其次在能量量級(jí)上，微震事件能量是以質(zhì)點(diǎn)速度表示的，作為震動(dòng)幅度，微震事件能量范圍一般在E-6 到 E-4之間（楊志國(guó)等，2008;喬中棟等，2010）。最后在頻譜特征方面，微震事件通常不會(huì)連續(xù)發(fā)生，通常會(huì)形成獨(dú)立頻譜，見(jiàn)圖6。

4 討論

示范區(qū)采用水準(zhǔn)聯(lián)測(cè)的方式進(jìn)行地表測(cè)量，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)可以確定7—11月第二、三季度，在DM6、DM12、DM13等點(diǎn)位，于6#塌陷坑周邊為沉降變化量較大區(qū)域。通過(guò)地表監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，可確定了閉坑煤礦礦山周邊的沉降量時(shí)空變化特點(diǎn)。

示范區(qū)采用深部巖層斷裂監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)資料分析，鉆探工作確定采空區(qū)應(yīng)力集中層，并規(guī)范安裝微震檢波器，監(jiān)測(cè)實(shí)踐證明微震系統(tǒng)對(duì)區(qū)域內(nèi)振動(dòng)（擾動(dòng)）事件采集靈敏度高，精度能夠滿足區(qū)域采空區(qū)微震事件的識(shí)別定位，可有效應(yīng)用于閉坑礦山采空塌陷監(jiān)測(cè)。

礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作是一項(xiàng)持續(xù)性的工作，需要不斷積累大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和成果。因此，地表形變測(cè)量和微震監(jiān)測(cè)，仍要進(jìn)一步加強(qiáng)后期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和系統(tǒng)的維護(hù)，保證監(jiān)測(cè)工作的連續(xù)性和數(shù)據(jù)及時(shí)有效的采集分析。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比史家營(yíng)采空塌陷區(qū)內(nèi)靜力水準(zhǔn)測(cè)量，結(jié)合IMS微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合判定目前西岳臺(tái)采空塌陷區(qū)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在下一步監(jiān)測(cè)中針對(duì)史家營(yíng)采空塌陷區(qū)內(nèi)深部位移計(jì)、靜力水準(zhǔn)、GPS監(jiān)測(cè)站等專業(yè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合IMS微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合判定目前西岳臺(tái)采空塌陷區(qū)狀態(tài)。

通過(guò)地—空監(jiān)測(cè)手段發(fā)現(xiàn)采空塌陷區(qū)具有：1）隱蔽性。老采空區(qū)深埋于地下，人員難以進(jìn)入，其特征一般難以弄清，采空區(qū)“活化”過(guò)程一般難以觀察。2）復(fù)雜性。其“活化”過(guò)程受多種自然和人為因素的影響，其“活化”機(jī)理、過(guò)程及其對(duì)地表的影響規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜。3）突發(fā)性。許多存在較大殘留礦洞的淺部老采空區(qū)，其失穩(wěn)破壞常常是突然性的，其塌陷時(shí)間難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)。

通過(guò)采空區(qū)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預(yù)測(cè)、預(yù)警的方法，探索了采空區(qū)微震事件分布與地表沉陷的關(guān)系，通過(guò)區(qū)域性礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)修復(fù)技術(shù)的示范研究，將以地表形變監(jiān)測(cè)為主的監(jiān)測(cè)思路、方式提高到深部應(yīng)力和巖層斷裂監(jiān)測(cè)為主的監(jiān)測(cè)思路、方式，揭示地表變形、塌陷形成的時(shí)空變化過(guò)程，提高監(jiān)測(cè)的預(yù)警能力，為全國(guó)區(qū)域性、關(guān)閉礦山地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)起到示范推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

蔡靜，2017.礦山采空區(qū)監(jiān)測(cè)中微震技術(shù)的應(yīng)用[J].世界有色金屬，（15）：242-243.

陳迪，2014.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及其在井下救援中的應(yīng)用分析[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，41（1）：106-108+112.

國(guó)巧真，李富平，趙紅蕊，2005.采煤塌陷區(qū)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].有色金屬（礦山部分）， （1）：25-28.

國(guó)巧真，魯明星，王紅新，等，2005.采煤塌陷區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制及應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，（3）：5-7+11-88.

郭玉豹，李京濂，冀虎，等，2015.基于IMS的玲南金礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].有色金屬（礦山部分），67（2）：4-9+26.

劉洪濤，2011. 紅透山銅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用研究[D].東北大學(xué).

劉建坡，石長(zhǎng)巖，李元輝，等，2012.紅透山銅礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立及應(yīng)用研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，29（1）：72-77.

李海鷹，2007. RS與GIS技術(shù)在采煤塌陷區(qū)生態(tài)環(huán)境時(shí)空監(jiān)測(cè)中的研究與應(yīng)用[D].成都理工大學(xué).

孟中華，2011. MAPGIS在金屬礦山地表巖層移動(dòng)監(jiān)測(cè)分析中的應(yīng)用[J]. 礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，31（2）：18-20+62.

喬中棟，宋治紅，2010.礦山微震分析預(yù)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，12（5）：74-75.

文興，郭曉強(qiáng)，2014.基于微震監(jiān)測(cè)的采空區(qū)安全性分區(qū)分級(jí)研究[J].礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)，34（7）：23-26.

王書(shū)文，毛德兵，潘俊鋒，等，2015.采空區(qū)側(cè)向支承壓力演化及微震活動(dòng)全過(guò)程實(shí)測(cè)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，40（12）：2772-2779.

肖海平，2007.礦山變形監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的研制[D].江西理工大學(xué).

楊志國(guó)，于潤(rùn)滄，郭然，等，2008.微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在深井礦山中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，27（5）：1066-1073.

張睿，2014.撫順市采沉變形監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)建設(shè)與分析[D].東北大學(xué).