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        某調(diào)蓄水庫(kù)采空區(qū)地裂縫監(jiān)測(cè)研究分析

        2022-07-24 08:32:20常新忠楊秀峰王樹(shù)奎
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年20期
        關(guān)鍵詞:調(diào)蓄采空區(qū)水庫(kù)

        常新忠 楊秀峰 王樹(shù)奎

        (河南省水利勘測(cè)有限公司,河南 鄭州 450008)

        擬建的某調(diào)蓄水庫(kù)位于某市境內(nèi),占地8990 畝,平均深度20m,總庫(kù)容1.02 億m3。某地煤礦的煤田分布于規(guī)劃某調(diào)蓄水庫(kù)北側(cè)(新莊斷裂以北,太清村、盤(pán)古寨和前河柳村一線的北側(cè)),如圖1 所示。

        圖1 庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)地裂縫

        某地煤礦開(kāi)采自2018 年,開(kāi)采深度不斷增大,并向某調(diào)蓄水庫(kù)場(chǎng)地方向延伸。煤礦開(kāi)采在該擬建水庫(kù)工程周邊形成眾多的采空區(qū),施工現(xiàn)場(chǎng)地下原始受力結(jié)構(gòu)被破壞,引起地表移動(dòng)現(xiàn)象。擬建的某調(diào)蓄水庫(kù)范圍內(nèi)的地裂縫位于盤(pán)古寨村東北部,起始于盤(pán)古寨村,延伸至沂水河右岸,整體長(zhǎng)度≥250m。近似呈直線型,走向基本與隱伏的新莊斷裂一致,位于規(guī)劃某調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi),可能會(huì)對(duì)某調(diào)蓄水庫(kù)建設(shè)施工產(chǎn)生不良的影響,需針對(duì)采空區(qū)地裂縫加強(qiáng)監(jiān)測(cè),以為調(diào)蓄水庫(kù)工程設(shè)計(jì)以及施工方案的制定提供參考。

        地裂縫自2019 年3 月出現(xiàn),即采礦在先,裂縫在后,具體表現(xiàn)為:地表張開(kāi)寬度0.2~1.5m,呈塌陷坑狀,可見(jiàn)深度一般2~3m,最深處可達(dá)9m 左右。

        2019 年10 月礦區(qū)局部出現(xiàn)采空沉陷,地下形成局部陷空,新莊斷層上盤(pán)巖體向北西松弛形成拉應(yīng)力。上盤(pán)巖體向北小量位移,帶動(dòng)覆蓋層產(chǎn)生相應(yīng)的局部拉應(yīng)力場(chǎng)可能對(duì)地裂縫有誘發(fā)影響作用。為保證某調(diào)蓄水庫(kù)建設(shè)期的安全運(yùn)行,對(duì)地裂縫及采空區(qū)進(jìn)行持續(xù)變形監(jiān)測(cè),以計(jì)算出沉降量,并評(píng)估變形程度。

        觀測(cè)地裂縫及采空區(qū)在施工前、施工期、運(yùn)行期的變形情況,利用觀測(cè)資料預(yù)測(cè)地裂縫及采空塌陷區(qū)穩(wěn)定情況及發(fā)展趨勢(shì),為采空區(qū)段工程設(shè)計(jì)、施工、工程管理提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

        在某調(diào)蓄水庫(kù)建設(shè)前、建設(shè)過(guò)程中以及建設(shè)投入運(yùn)行后,針對(duì)地裂縫與采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確實(shí)時(shí)掌握兩者變化動(dòng)態(tài),評(píng)估未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),獲取全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)成果,以為某調(diào)蓄水庫(kù)工程前期規(guī)劃、工程設(shè)計(jì)與施工期間的質(zhì)量管理等各項(xiàng)工作奠定基礎(chǔ),并對(duì)研究采空區(qū)剩余沉降規(guī)律和影響因素提供完整的信息數(shù)據(jù)支持。

        1 采空區(qū)影響邊界

        根據(jù)某地煤礦采礦資料,煤層為北東走向,傾角3~20°,采煤層為二1 煤層和二3 煤層,在采空區(qū)影響邊界計(jì)算中假定為最差情況,新莊斷裂北側(cè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的煤炭生產(chǎn),形成大面積的采空區(qū),計(jì)算公式如下:

        L=S+q

        公式計(jì)算使用的是垂直剖面法,其中L 為地裂縫的影響范圍;S 為土層移動(dòng)距離;q 基巖移動(dòng)距離。

        式中:H 為采空區(qū)覆巖頂板厚度(m),覆蓋土層厚度25~50m,頂板基巖厚度310~410m;φ、β 為覆蓋土層及基巖移動(dòng)角,據(jù)某市礦區(qū)采空沉陷區(qū)經(jīng)驗(yàn)值:第四系地層φ 取45°,基巖下山方向β 取57°;θ 為采空區(qū)邊界與煤層走向之間所夾的銳角,取0°。

        計(jì)算結(jié)果:影響距離L 為143~171m,再加上預(yù)留安全距離50m,即193-221m 的水平距離為預(yù)測(cè)的地表沉陷影響安全邊界。

        2 監(jiān)測(cè)方案

        2.1 垂直位移監(jiān)測(cè)儀器的選用

        垂直位移監(jiān)測(cè)儀器選用美國(guó)天寶DiNi 12 電子水準(zhǔn)儀,觀測(cè)精度非常高,測(cè)量誤差為0.3mm,在野外觀測(cè)中具有良好的適用性,快速測(cè)量時(shí)間小于3s,工作溫度-20~50℃,只要有白光的條件就可進(jìn)行高精度測(cè)量,視距范圍1.5~100m,并具備多種水準(zhǔn)導(dǎo)線測(cè)量模式,配銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺進(jìn)行。在正式監(jiān)測(cè)之前,儀器、標(biāo)尺等監(jiān)測(cè)用具,均送至第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行專業(yè)的調(diào)校與檢測(cè),保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。本次監(jiān)測(cè)選用的儀器、用具等均符合相關(guān)規(guī)范規(guī)程要求,具備垂直位移監(jiān)測(cè)的可行性。

        2.2 水準(zhǔn)觀測(cè)

        水準(zhǔn)觀測(cè)遵循1985 國(guó)家高程基準(zhǔn),從采空區(qū)地裂縫的垂直位移入手,按照變形監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范的要求,調(diào)校復(fù)核基準(zhǔn)點(diǎn)。同時(shí)根據(jù)采空區(qū)沉陷段的沉陷程度與面積,靈活布設(shè)水準(zhǔn)線,水準(zhǔn)線在基準(zhǔn)點(diǎn)之間閉合布設(shè),并與其他觀測(cè)點(diǎn)連接。完成水準(zhǔn)線路布設(shè)后,初次觀測(cè)與后續(xù)觀測(cè)所有事項(xiàng)、流程不可發(fā)生改動(dòng),包括了儀器、用具、觀測(cè)路線與順序、具體操作方法,甚至是觀測(cè)人員都不可在水準(zhǔn)觀測(cè)途中發(fā)生變動(dòng),以防止出現(xiàn)人員誤差、裝置誤差、方法誤差等問(wèn)題,確保水準(zhǔn)觀測(cè)的精度。

        該地裂縫位于盤(pán)古寨村,一些觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置在耕地中,采用普通尺墊會(huì)受到耕地疏松土壤的影響,形成一定的觀測(cè)誤差,建議采用鋼材尺樁以避免觀測(cè)不良因素的影響。此外,為了保證觀測(cè)結(jié)果的精確性,在觀測(cè)之前密切關(guān)注當(dāng)?shù)氐奶鞖庾兓?,盡量在天氣晴朗、視線良好的情況下進(jìn)行,詳細(xì)的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

        表1

        2.3 記錄整理計(jì)算

        基于三等水準(zhǔn)觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)記錄選擇使用電子(數(shù)字)水準(zhǔn)儀的PC 卡,一邊觀測(cè)一邊完成記錄。完成觀測(cè)后,按照監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程的要求匯總外業(yè)記錄,最后整理成監(jiān)測(cè)報(bào)告,計(jì)算出監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

        2.4 水平位移測(cè)量接收機(jī)使用

        水平位移測(cè)量數(shù)據(jù)的接收端使用的是GPS 接收機(jī),為水平位移的高精度測(cè)量提供技術(shù)解決方案,可將測(cè)量誤差控制在mm 級(jí)。本次觀測(cè)選用的是6 臺(tái)瑞士徠卡Leica 1200 型雙頻靜態(tài)GPS 接收機(jī),每個(gè)頻道有12 個(gè)信道,重量?jī)H有2.8kg,與SmartStation 完美兼容,并可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離RTK,工作溫度-40~65℃,在惡劣天氣及觀測(cè)條件下也能適用。

        2.5 GPS 觀測(cè)

        GPS 觀測(cè)采用的是三等水準(zhǔn)測(cè)量,首先,在正式觀測(cè)之前,深入觀測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)地踏勘,確定沉陷段的實(shí)際情況,初步確定觀測(cè)點(diǎn)位,以及周邊環(huán)境有無(wú)干擾信號(hào)等,綜合調(diào)研信息后制定觀測(cè)計(jì)劃;其次,在沉陷段觀測(cè)布設(shè)過(guò)程中,采用控制網(wǎng)觀測(cè)方式,邊連接各個(gè)沉陷段,兩端為基準(zhǔn)點(diǎn);再次,觀測(cè)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì),觀測(cè)時(shí)段1h,時(shí)段數(shù)1 個(gè),衛(wèi)星6顆,PDOP≤6,天線對(duì)中精度≤2mm,采集頻率30s;最后,起算點(diǎn)定位時(shí)間超過(guò)半小時(shí),平差處理軟件采用Leica Geo Office,計(jì)算使用2000 國(guó)家大地坐標(biāo)系。

        監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求: 根據(jù)中華人民共和國(guó)建設(shè)部、國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布的《工程測(cè)量通用規(guī)范》中國(guó)建筑工業(yè)出版社.(GB55018-2021)。根據(jù)某調(diào)蓄水庫(kù)地裂縫的實(shí)際情況,監(jiān)測(cè)選用了三等水準(zhǔn)測(cè)量,構(gòu)建了垂直位移與水平位移監(jiān)測(cè)三等基準(zhǔn)網(wǎng),具體參數(shù)詳見(jiàn)表2。

        表2

        2.6 基于InSAR 技術(shù)對(duì)采空區(qū)的監(jiān)測(cè)

        InSAR 技術(shù)是利用同一地區(qū)兩幅或以上的不同時(shí)間的兩景(SAR 圖像)組成干涉圖,利用外部的DEM 反演干涉相對(duì)的空間幾何條件下的地形相位,不考慮地形問(wèn)題的基礎(chǔ)上,開(kāi)展差分處理,去除該地形相位,得到地表實(shí)際圖像,經(jīng)過(guò)圖像解讀計(jì)算出形變量。

        3 成果匯總分析

        3.1 一般監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

        地表移動(dòng)變形范圍及位移量:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),地表裂縫正向南、向西發(fā)展,水平向發(fā)展速率為2~4m/d,下沉變形最大20cm/d,6 月份以來(lái)變形有放緩趨勢(shì)。自2019 年10 月采空區(qū)地表建筑物出現(xiàn)變形以來(lái),在采空區(qū)及周邊分別沿煤層走向和傾向設(shè)置了觀測(cè)點(diǎn),采用沉陷區(qū)地表長(zhǎng)時(shí)間積累的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到某調(diào)蓄水庫(kù)采空區(qū)地裂縫走向與傾向沉降曲線圖,如圖2 所示。

        圖2 地表沉降曲線

        根據(jù)沉降曲線圖,自2020 年1 月~5 月沉降變形最大,自2020 年6 月地表變形趨于穩(wěn)定。

        3.2 InSAR 結(jié)果分析

        利用DInSAR 技術(shù)二軌法,對(duì)2019 年6 月至2021年6 月期間的水庫(kù)Sentinel-1A (哨兵-1A)數(shù)據(jù)進(jìn)行形變?cè)囼?yàn)研究,獲取其形變信息。利用獲取的雷達(dá)影像數(shù)據(jù),選擇相鄰時(shí)間的圖像組成9 個(gè)干涉對(duì),每個(gè)干涉對(duì)中,時(shí)間較前者為主影像。根據(jù)SAR 數(shù)據(jù)量多少,數(shù)據(jù)量滿足InSAR 時(shí)間序列分析的要求,利用SBAS-InSAR 的時(shí)間序列分析方法,時(shí)間基線閾值為365d,空間基線閾值2000m,通過(guò)自由組合構(gòu)建得到9 個(gè)符合條件的干涉對(duì),進(jìn)行InSAR 數(shù)據(jù)預(yù)處理,采用SVD 分解后,得到最終的沉降反演結(jié)果(X、Y 兩方向變形速率,沉降速率,最終沉降量和沉降范圍)示意如圖3 所示。

        圖3 InSAR 監(jiān)測(cè)形變示意圖

        根據(jù)InSAR 監(jiān)測(cè)結(jié)果,從中可以看出,2019 年10 月之后采空區(qū)才發(fā)生沉降,有地表沉降等值線可知,采空區(qū)距離某調(diào)蓄水庫(kù)500 米左右,沉降洼地面積0.75 平方公里,監(jiān)測(cè)期間洼地中心線沉降量接近7.0 米左右,邊緣沉降量為0.2 米,Y 方向變形速率2020 年5 月~6 月份達(dá)到最大2~4m/d ,沉降變形量0.2m/d,6 月份以來(lái)變形速率逐漸減小,有穩(wěn)定趨勢(shì)。監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)沉降范圍在不斷擴(kuò)大,與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采礦持續(xù)活動(dòng)情況吻合。隨著煤礦的持續(xù)開(kāi)采會(huì)造成變形影響范圍逐漸擴(kuò)展,存在影響某調(diào)蓄水庫(kù)安全隱患。

        4 結(jié)論

        根據(jù)某調(diào)蓄水庫(kù)前期的監(jiān)測(cè)成果綜合分析可以獲知,采空區(qū)沉陷縫的成因與煤礦開(kāi)采有著直接的關(guān)系,采空區(qū)地層結(jié)構(gòu)原始受力結(jié)構(gòu)被破壞,再加上在地球重力的作用下,導(dǎo)致地表拉伸出現(xiàn)位移、變形、裂縫等現(xiàn)象。裂縫單個(gè)或多個(gè)分布在移動(dòng)盆地的外邊緣,并有塌陷表現(xiàn)。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中,廣泛收集了采礦資料,以及采空區(qū)地裂縫歷史性監(jiān)測(cè)成果或相關(guān)的文件資料等,結(jié)合本次監(jiān)測(cè)成果綜合分析與解讀后,獲取了以下結(jié)論。

        4.1 盤(pán)古寨的地裂縫非煤礦開(kāi)采引起的采空區(qū)地裂縫,采空區(qū)的地裂縫中塌陷長(zhǎng)度有幾百米,上部的垂直位移數(shù)據(jù)較大,而下部較小。而盤(pán)古寨地裂縫在平面上是近似直線型,規(guī)模較大,地表沒(méi)有塌陷盆地,地面亦沒(méi)有錯(cuò)臺(tái),這些均不符合采空區(qū)塌陷地裂縫的特征。

        4.2 地裂縫發(fā)現(xiàn)的時(shí)間在2019 年3 月,而當(dāng)時(shí)某煤礦采空區(qū)開(kāi)始形成2019 年10 月,最近采空區(qū)的采深在200~450m,其與風(fēng)井上山巷道距地裂縫在1.5km(平面距離)左右,而開(kāi)采引起沉陷的影響范圍在300m 以內(nèi),幾乎不會(huì)影響到盤(pán)古寨的地裂縫。

        4.3 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查某地煤礦地表形變發(fā)展趨勢(shì),采區(qū)逐漸靠近沂水河左岸,15 采區(qū)2019 年10 月至2020年5 月間,在某地行政村柳莊和花牛李自然村之間,地表已形成了沉陷洼地,南北向延伸呈條帶狀沉陷洼地,斷面近似梯形,洼地寬約500m,高差5~7m,沉陷縫已發(fā)展至風(fēng)井上山巷道位置。以最差情況為基礎(chǔ),設(shè)定15 采區(qū)風(fēng)井上山巷道以北全部開(kāi)采完,根據(jù)L=S+q、S 土層移動(dòng)距離、q 基巖移動(dòng)距離等公式進(jìn)行計(jì)算,覆蓋土層平均厚度為150m,頂板基巖厚度80~300m;β 據(jù)附近相似礦區(qū)采空塌陷區(qū)實(shí)測(cè)值:第四系地層β 取45°,基巖(煤系地層)下山方向β 取53°;經(jīng)估算算可得王行莊煤礦15 采區(qū)南翼二1、二3 煤層采空最大影響范圍為采空區(qū)周邊300~400m 區(qū)域。所以,地裂縫位于地下采空區(qū)開(kāi)采沉陷影響邊界以外。

        煤田分布于某調(diào)蓄水庫(kù)北側(cè),水庫(kù)占?jí)好禾锩娣e約為2.9km2。水庫(kù)根據(jù)規(guī)劃及工程布置需進(jìn)行擴(kuò)容,且?guī)熘苓M(jìn)行修筑堤壩,該區(qū)域煤田為某地煤礦今后幾年的開(kāi)采區(qū),局部已形成采空區(qū),建議地裂縫部位的構(gòu)筑物采取相應(yīng)的預(yù)防措施,以避免不均勻變形。根據(jù)地裂縫的發(fā)展情況,進(jìn)一步分析、評(píng)價(jià)地裂縫對(duì)本工程影響。

        初步監(jiān)測(cè)結(jié)果,分析地裂縫基本趨于穩(wěn)定。由于該水庫(kù)工程進(jìn)行的是地表監(jiān)測(cè),如何進(jìn)行有效的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)將起到很重要的作用;如何采取適應(yīng)不均勻沉降變形的工程處理措施,防止?jié)B漏技術(shù)將起到重要的作用。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)成果的綜合研判,確定盤(pán)古寨村地裂縫整體較為穩(wěn)定,受到煤礦開(kāi)采影響較小,變形發(fā)展速度非常緩慢,對(duì)于某調(diào)蓄水庫(kù)工程建設(shè)影響程度較小。但是盤(pán)古寨村地裂縫與新莊斷裂距離較近,并且處于新莊隱伏斷裂上方,對(duì)于地基施工存在一定的質(zhì)量隱患,建議地裂縫部位的構(gòu)筑物采取相應(yīng)的預(yù)防措施,以避免不均勻沉降。

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