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

        2021-01-05 04:28:44張青鎖于松暉鄭光明
        中國金屬通報 2020年17期
        關(guān)鍵詞:開采區(qū)監(jiān)測網(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)測院,河南 鄭州 450016;2.河南省地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室,河南 鄭州 450016)

        河南北部平原地區(qū)位于華北平原的西南部,地勢西高東低,包括安陽市、濮陽市、鶴壁市、新鄉(xiāng)市、焦作市、濟源市等6個省轄市的31個縣(市、區(qū)),面積約21641.00㎞2。自20世紀(jì)80年代以來,該地區(qū)的安陽市、鶴壁市、濮陽市、新鄉(xiāng)市等均有不同程度地面沉降,進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,人類活動對地下礦產(chǎn)資源的開發(fā)程度愈加強烈,地面沉降有加劇趨勢[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)點失準(zhǔn)、河流防洪能力降低[7,8]。建設(shè)完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),開展地面沉降監(jiān)測是制定地面沉降防控措施的基礎(chǔ)。

        建立河南北部礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng),動態(tài)監(jiān)測地面沉降分布和發(fā)育規(guī)律,可以為中原經(jīng)濟區(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 礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)

        礦山開采區(qū)地面沉降監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)保持了控制監(jiān)測和重點監(jiān)測的相協(xié)調(diào)。在監(jiān)測網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和專業(yè)監(jiān)測的設(shè)置、具體監(jiān)測手段的配置上,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)濟社會發(fā)展規(guī)劃,重點監(jiān)測區(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,以水準(zhǔn)剖面測量和自動化監(jiān)測為主,重點監(jiān)測礦山開采區(qū)周圍地面沉降地裂縫形變特征。其他區(qū)域進(jìn)行控制性監(jiān)測,主要采用GNSS監(jiān)測、地下水監(jiān)測進(jìn)行宏觀區(qū)域性監(jiān)測。

        1.1 GNSS監(jiān)測網(wǎng)

        考慮到GNSS網(wǎng)監(jiān)測成果的以后應(yīng)用,參考原有A、B級控制網(wǎng)及CORS基準(zhǔn)站作為控制網(wǎng)起算數(shù)據(jù);首級監(jiān)測網(wǎng)以能夠滿足下一步GNSS監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)為原則,點位盡可能均勻分布,B級GNSS點選點在滿足礦區(qū)需要的同時控制范圍盡可能要大,平均距離50 km;充分利用符合GNSS布點要求有二、三等國家控制點和其他相應(yīng)等級的控制點標(biāo)石;GNSS網(wǎng)應(yīng)有一個或若干個獨立觀測環(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)測網(wǎng)共有83個監(jiān)測點,其中新建B級GNSS監(jiān)測點66個(全部為土層天線墩),搜集GNSS監(jiān)測點17個。

        1.2 地面水準(zhǔn)監(jiān)測網(wǎng)

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

        1.3 自動化監(jiān)測網(wǎng)

        自動化監(jiān)測點建設(shè)參照連續(xù)運行參考站建設(shè)要求,用于對監(jiān)測點的地面沉降情況進(jìn)行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)定時上報。本次建設(shè)自動化監(jiān)測點13個。監(jiān)測頻率為2次/天,上報1次/天。

        1.4 地下水監(jiān)測網(wǎng)

        根據(jù)礦山開采區(qū)地下水開采情況、開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態(tài)監(jiān)測孔80個,其中淺層地下水監(jiān)測井59個,中深層地下水監(jiān)測井21個。布置地下水統(tǒng)測孔400個。其中淺層地下水統(tǒng)測井344個,中深層地下水統(tǒng)測井56個。監(jiān)測方法采用了人工觀測與儀器觀測相結(jié)合方式進(jìn)行。人工觀測的監(jiān)測孔監(jiān)測頻率為5天1次,儀器觀測的頻率為1天1次。

        2 監(jiān)測網(wǎng)試運行結(jié)果

        2.1 區(qū)域地面沉降空間特征

        根據(jù)GNSS監(jiān)測結(jié)果,繪制了GNSS監(jiān)測地面沉降等值線圖(圖1)。經(jīng)統(tǒng)計分析,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)測地面沉降面積統(tǒng)計表

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

        2.2 重點監(jiān)測區(qū)地面沉降特征

        (1)南樂縣礦山開采沉降監(jiān)測區(qū)。根據(jù)水準(zhǔn)監(jiān)測結(jié)果,該區(qū)存在3個明顯沉降中心: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)溫縣礦山開采沉降監(jiān)測區(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 礦山開采區(qū)地面沉降特征

        本次工作在新鄉(xiāng)市和濮陽市2個主要城市布置了地面沉降自動化監(jiān)測點。新鄉(xiāng)市7個監(jiān)測點均存在不同程度的沉降,年沉降量1.4mm~15.1mm;濮陽市6個監(jiān)測點有5個均存在不同程度的沉降,年沉降量1.2mm~11.7mm,另外有1個監(jiān)測點上升5.8mm。

        3 地面沉降發(fā)育程度分區(qū)

        根據(jù)GNSS監(jiān)測、水準(zhǔn)監(jiān)測、自動化監(jiān)測成果,綜合確定工作區(qū)地面沉降發(fā)育程度分級標(biāo)準(zhǔn):年沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強發(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個地面沉降發(fā)育區(qū)域(表2)。其中4個地面沉降強發(fā)育區(qū)域,面積約221.61km2,占總面積的1.03%;10個地面沉降中等發(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個上升區(qū)域,面積約366.53km2,占總面積的1.70%。

        4 結(jié)束語

        (1)為了監(jiān)測河南北部地區(qū)礦山開采引發(fā)的地面沉降,本次工作建設(shè)了地面沉降監(jiān)測網(wǎng)各種設(shè)施279個,其中建立了GNSS觀測墩66座,埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)石200座,建設(shè)自動化監(jiān)測點13座;初步建成一個完整的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)。監(jiān)測網(wǎng)經(jīng)過試運行,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)測結(jié)果顯示河南省北部大部分礦山開采區(qū)域都發(fā)生了不同程度的沉降情況,重點監(jiān)測區(qū)有4個沉降中心。有4個地面沉降強發(fā)育區(qū)域,10個地面沉降中等發(fā)育區(qū)域,4個地面沉降弱發(fā)育區(qū)域,2個上升區(qū)域。經(jīng)過與地下水位監(jiān)測成果對比,礦山開采區(qū)地面沉降強發(fā)育區(qū)域與地下水位強烈下降區(qū)范圍基本一致,說明地下水位變化對礦山開采區(qū)的地面沉降有較大影響。

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