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        河南省北部地區(qū)礦山開(kāi)采引發(fā)的地面沉降監(jiān)測(cè)研究

        2021-01-05 04:28:44張青鎖于松暉鄭光明
        中國(guó)金屬通報(bào) 2020年17期
        關(guān)鍵詞:開(kāi)采區(qū)監(jiān)測(cè)網(wǎng)水準(zhǔn)

        張青鎖,于松暉,鄭光明

        (1.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,河南 鄭州 450016;2.河南省地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州 450016)

        河南北部平原地區(qū)位于華北平原的西南部,地勢(shì)西高東低,包括安陽(yáng)市、濮陽(yáng)市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濟(jì)源市等6個(gè)省轄市的31個(gè)縣(市、區(qū)),面積約21641.00㎞2。自20世紀(jì)80年代以來(lái),該地區(qū)的安陽(yáng)市、鶴壁市、濮陽(yáng)市、新鄉(xiāng)市等均有不同程度地面沉降,進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)地下礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)程度愈加強(qiáng)烈,地面沉降有加劇趨勢(shì)[1-6]。地面沉降造成了公共設(shè)施破壞、線型工程受損、地面水準(zhǔn)點(diǎn)失準(zhǔn)、河流防洪能力降低[7,8]。建設(shè)完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),開(kāi)展地面沉降監(jiān)測(cè)是制定地面沉降防控措施的基礎(chǔ)。

        建立河南北部礦山開(kāi)采區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng),動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地面沉降分布和發(fā)育規(guī)律,可以為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施與重大工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害防御、自然資源利用與管控提供科學(xué)依據(jù)。

        1 礦山開(kāi)采區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)

        礦山開(kāi)采區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)保持了控制監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的相協(xié)調(diào)。在監(jiān)測(cè)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)的設(shè)置、具體監(jiān)測(cè)手段的配置上,體現(xiàn)系統(tǒng)性和完整性。根據(jù)礦山地質(zhì)條件及以往工作獲取的地面沉降狀況,結(jié)合經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)劃,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)參考地下水降落漏斗范圍,兼顧河南省北部地區(qū)規(guī)劃,主要以重大工程為研究重點(diǎn),以水準(zhǔn)剖面測(cè)量和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)礦山開(kāi)采區(qū)周?chē)孛娉两档亓芽p形變特征。其他區(qū)域進(jìn)行控制性監(jiān)測(cè),主要采用GNSS監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)進(jìn)行宏觀區(qū)域性監(jiān)測(cè)。

        1.1 GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)

        考慮到GNSS網(wǎng)監(jiān)測(cè)成果的以后應(yīng)用,參考原有A、B級(jí)控制網(wǎng)及CORS基準(zhǔn)站作為控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù);首級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)以能夠滿足下一步GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)為原則,點(diǎn)位盡可能均勻分布,B級(jí)GNSS點(diǎn)選點(diǎn)在滿足礦區(qū)需要的同時(shí)控制范圍盡可能要大,平均距離50 km;充分利用符合GNSS布點(diǎn)要求有二、三等國(guó)家控制點(diǎn)和其他相應(yīng)等級(jí)的控制點(diǎn)標(biāo)石;GNSS網(wǎng)應(yīng)有一個(gè)或若干個(gè)獨(dú)立觀測(cè)環(huán)構(gòu)成,但閉合環(huán)的邊數(shù)或附合路線的邊數(shù)一般情況下不大于6條。本次布設(shè)的GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)共有83個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中新建B級(jí)GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)66個(gè)(全部為土層天線墩),搜集GNSS監(jiān)測(cè)點(diǎn)17個(gè)。

        1.2 地面水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)

        水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)重點(diǎn)布設(shè)在礦區(qū)地下水降落漏斗范圍,主要有兩個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū):清豐—南樂(lè)監(jiān)測(cè)區(qū)和孟州—溫縣監(jiān)測(cè)區(qū)。本次水準(zhǔn)網(wǎng)建立了二等水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)200個(gè)。其中,清豐—南樂(lè)監(jiān)測(cè)區(qū)涉及安陽(yáng)市文峰區(qū)、安陽(yáng)縣、內(nèi)黃縣、滑縣、湯陰縣、濮陽(yáng)市華龍區(qū)、南樂(lè)縣、清豐縣、鶴壁市??h等,面積約3520km2,建設(shè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)150個(gè);孟州—溫縣監(jiān)測(cè)區(qū)涉及沁陽(yáng)市、孟州市、武陟縣、博愛(ài)縣、溫縣等縣市,面積約1040km2,建設(shè)二等水準(zhǔn)點(diǎn)50個(gè)。監(jiān)測(cè)頻率1次/年。

        1.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)

        自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)參照連續(xù)運(yùn)行參考站建設(shè)要求,用于對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地面沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)。本次建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)13個(gè)。監(jiān)測(cè)頻率為2次/天,上報(bào)1次/天。

        1.4 地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)

        根據(jù)礦山開(kāi)采區(qū)地下水開(kāi)采情況、開(kāi)采井孔分布情況及井孔利用和保護(hù)程度,本次共布置地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)孔80個(gè),其中淺層地下水監(jiān)測(cè)井59個(gè),中深層地下水監(jiān)測(cè)井21個(gè)。布置地下水統(tǒng)測(cè)孔400個(gè)。其中淺層地下水統(tǒng)測(cè)井344個(gè),中深層地下水統(tǒng)測(cè)井56個(gè)。監(jiān)測(cè)方法采用了人工觀測(cè)與儀器觀測(cè)相結(jié)合方式進(jìn)行。人工觀測(cè)的監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)頻率為5天1次,儀器觀測(cè)的頻率為1天1次。

        2 監(jiān)測(cè)網(wǎng)試運(yùn)行結(jié)果

        2.1 區(qū)域地面沉降空間特征

        根據(jù)GNSS監(jiān)測(cè)結(jié)果,繪制了GNSS監(jiān)測(cè)地面沉降等值線圖(圖1)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,2016-2017年工作區(qū)大部分區(qū)域發(fā)生了沉降(表1),沉降面積18909.9 km2;最大年沉降量106.5mm,年沉降量0mm~40㎜的面積達(dá)17165.8 km2,占工作區(qū)79.4%。

        表1 工作區(qū)GNSS監(jiān)測(cè)地面沉降面積統(tǒng)計(jì)表

        -90~-80 103.5 0.5-100~-90 96.6 0.4≤-100 74.0 0.3合計(jì) 21641.0 100.0

        2.2 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)地面沉降特征

        (1)南樂(lè)縣礦山開(kāi)采沉降監(jiān)測(cè)區(qū)。根據(jù)水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果,該區(qū)存在3個(gè)明顯沉降中心:內(nèi)黃縣田氏鎮(zhèn)沉降中心,最大年均沉降量為74.5mm;年沉降量大于70mm的沉降面積約0.04km2。南樂(lè)縣韓張鎮(zhèn)郭莊村沉降中心,最大年均沉降量為58.6mm;年沉降量大于50mm面積為1.27 km2。??h屯子鎮(zhèn)沉降中心,最大年均沉降量為47.5mm;年沉降量大于40mm的面積為1.40 km2。

        (2)溫縣礦山開(kāi)采沉降監(jiān)測(cè)區(qū)。該區(qū)沉降中心位于武陟縣寧郭鎮(zhèn)大聶村學(xué)校附近,最大沉降量45.7mm。沉降量大于30mm的面積14.10km2。

        圖1 GNSS監(jiān)測(cè)地面沉降等值線圖

        表2 地面沉降發(fā)育程度分區(qū)表

        2.3 礦山開(kāi)采區(qū)地面沉降特征

        本次工作在新鄉(xiāng)市和濮陽(yáng)市2個(gè)主要城市布置了地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)。新鄉(xiāng)市7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均存在不同程度的沉降,年沉降量1.4mm~15.1mm;濮陽(yáng)市6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)有5個(gè)均存在不同程度的沉降,年沉降量1.2mm~11.7mm,另外有1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上升5.8mm。

        3 地面沉降發(fā)育程度分區(qū)

        根據(jù)GNSS監(jiān)測(cè)、水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成果,綜合確定工作區(qū)地面沉降發(fā)育程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn):年沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域,50mm/a~30mm/a為地面沉降中等發(fā)育區(qū)域,30mm/a~0mm/a為地面沉降弱發(fā)育區(qū)域,上升大于0mm/a為上升區(qū)域。據(jù)此將工作區(qū)劃分為20個(gè)地面沉降發(fā)育區(qū)域(表2)。其中4個(gè)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域,面積約221.61km2,占總面積的1.03%;10個(gè)地面沉降中等發(fā)育區(qū)域,面積約2081.41km2,占總面積的9.61%;4個(gè)地面沉降弱發(fā)育區(qū)域,面積約18973.11km2,占總面積的87.66%;2個(gè)上升區(qū)域,面積約366.53km2,占總面積的1.70%。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        (1)為了監(jiān)測(cè)河南北部地區(qū)礦山開(kāi)采引發(fā)的地面沉降,本次工作建設(shè)了地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)各種設(shè)施279個(gè),其中建立了GNSS觀測(cè)墩66座,埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)石200座,建設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)13座;初步建成一個(gè)完整的地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)經(jīng)過(guò)試運(yùn)行,獲取了工作區(qū)地面沉降數(shù)據(jù),為河南省北部地區(qū)礦山開(kāi)采區(qū)引發(fā)地面沉降防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。

        (2)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示河南省北部大部分礦山開(kāi)采區(qū)域都發(fā)生了不同程度的沉降情況,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)有4個(gè)沉降中心。有4個(gè)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域,10個(gè)地面沉降中等發(fā)育區(qū)域,4個(gè)地面沉降弱發(fā)育區(qū)域,2個(gè)上升區(qū)域。經(jīng)過(guò)與地下水位監(jiān)測(cè)成果對(duì)比,礦山開(kāi)采區(qū)地面沉降強(qiáng)發(fā)育區(qū)域與地下水位強(qiáng)烈下降區(qū)范圍基本一致,說(shuō)明地下水位變化對(duì)礦山開(kāi)采區(qū)的地面沉降有較大影響。

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