老舊采煤塌陷區動態監測及其穩定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，劉歡歡

（北京市地質研究所，北京 100120）

老舊采煤塌陷區動態監測及其穩定性初步分析

翟淑花，王翊虹，冒 建，劉歡歡

（北京市地質研究所，北京 100120）

采空塌陷嚴重影響了人民群眾的生命財產安全，準確評價采空區的穩定性，提高預警的時效性，采空塌陷的實時監測至關重要。本文以北京市門頭溝區王平鎮南港村采空塌陷區為工程背景，建立了以GPS、靜力水準、深部測斜、多通道微震監測為主的動態監測系統，實現了多源信息融合技術的采空塌陷區位移場、應力場的全天候監測。基于CAD-Surfer-ANSYS方法建立了采空區三維模型，實現了采空塌陷區監測體系的三維可視化管理，并在監測數據初步分析的基礎上，采用數值模擬技術對采空塌陷區穩定性進行了初步分析，為采空塌陷災害防治提供了技術支持。

采空塌陷；實時監測；三維模型；防治

0 引言

地下開采結束后，雖然經過長期的自然壓實，但開采后形成的地下空洞及不規則的巖體裂隙等將長期存在，任何形式的擾動都可能打破覆巖中已有的平衡，導致采空區及其覆巖二次移動和變形，進而導致地面建筑物沉陷、局部開裂、傾斜等破壞，并造成人員嚴重傷亡和財產損失。基于此，實時、準確地監測塌陷區狀況，及時掌握塌陷區變形規律變得尤為重要。

許多學者通過多種專業手段設計了不同的采空塌陷監測方法，并取得了重要的成效。如劉曉菲等（2014）利用D-INSAR技術監測了徐州某采空區的地表形變場；賈向前（2015）利用GPS和數字水準儀對萬家寨引黃工程北線的煤礦采空區進行了地表位移監測；盧宏建等（2013）采用12通道微震監測系統對東河灣鐵礦大型復雜滯留空區進行了地壓監測，實現了礦區地壓活動的自動化監控；魏雨溪（2014）基于大冶鐵礦塌陷區地形及地質條件，設計了基于GPS技術的自動化監測系統，并提出了塌陷坑管理方案；芮勇勤（2010）采用INSAR和GPS融合技術，開展了高速公路采空區變形監測與評價研究；甘懷營（2011）采用聲發射、鉆孔攝像技術對深部采場開挖過程中的圍巖損傷情況進行了監測，研究了深部采場開挖過程中圍巖損傷演化規律，為礦區安全開采提供了技術支持；林?。?009）以程潮鐵礦西區為工程背景，開展了基于GPS技術的地表變形監測研究；張玉成（2014）以山東某煤礦為背景，借助于多年GPS監測數據，開發了煤礦采空區地表沉降監測系統；胡靜云（2014）以大紅山鐵礦為例，基于手持式GPS、全站儀、微震等技術，開展了采空區地表及覆巖的全方位監測。

上述監測研究對于促進采空塌陷監測預警工作的發展具有重要意義，但大多限于生產中的礦區，對于老舊采空區殘余變形的監測為數不多，尚不能滿足老采空區殘余變形預測和穩定性分析的需要。因此，對老舊采空區殘余變形監測方法進行研究，進而獲得老采空區殘余變形演變規律，對于老采空區塌陷災害防治和綜合治理具有重要的理論和實際意義。

1 南港村采空塌陷區監測點設計

北京市門頭溝區王平鎮南港村位于門頭溝區王平鎮東部，村域范圍內地下蘊藏著豐富的煤炭資源，開采歷史悠久，最早可上溯至解放前。由于長期無序的地下開采，在采空區及其影響范圍內形成了0.3km2的大面積地面塌陷變形區，發育有條帶狀或串球狀塌陷，并引發了地裂縫、墻體開裂等不同程度的災害，不僅破壞了地表地質環境，而且成為嚴重地危害人民群眾生命財產安全的重要因素之一。

為剖析老舊采空區覆巖及地表移動規律，判別老舊采空區在上覆巖層重力和外部載荷作用下的“活化作用”。根據采空塌陷邊界、影響邊界以及現場開發利用現狀，結合工程地質條件及工程周圍環境條件，在該地區布設了以GPS、靜力水準、深部測斜、多通道微震為主的立體監測系統，對地表沉降、水平位移、深部位移及覆巖應力進行全方位監測（圖1），獲取第一手的觀測資料，為采空塌陷演變規律分析和穩定性評價提供科學數據。

圖1 采空分布及主要監測設備布設圖Fig.1 Distribution of underground goaf and monitoring devices

同時，為實現采空塌陷區可視化管理，在充分搜集采空塌陷區已有工程地質圖和采空區勘察資料的基礎上，采用CAD-SURFER-ANSYS聯合建模方式，建立了采空塌陷區大型三維地質模型（圖2）。

圖2 采空塌陷區三維地質圖（含監測設備）Fig.2 Three dimensional model of subsidence area

2 監測數據初步分析及穩定性預測

2.1 位移場監測分析

經過一段時間調整校正后，我們做了監測數據的初步分析，監測點部分成果見圖3～圖5，由此可知，GPS監測點最大沉降值為3.033mm；靜力水準最大沉降值為9.93mm，深部測斜儀不同層位（75m、85m以及95m分別安裝傳感器）X方向位移呈現較好的一致性，即同一時刻上部傳感器位移大于下部傳感器位移，表現出淺部巖層變形較大。由此可見，該地區位移場監測數據趨勢基本成型，量級較小，上覆巖層和地表位移目前均處于較穩定狀態。

圖3 GPS監測曲線圖Fig.3 Monitoring data of GPS

圖4 靜力水準監測曲線圖Fig.4 Monitoring data of static leveling inclinometer

圖5 深測斜儀X方向監測曲線圖Fig.5 Monitoring data of GPS

2.2 微震監測分析

微震傳感器于2014年10月27日 00：05和03：20時監測到了微震事件，其圖譜如圖6所示，經后續分析可知，該微震事件是由外部施工造成，并非采空塌陷區失穩事件。

圖6 微震事件圖譜（上為00：05的事件，下為03：20的事件）Fig.6 Monitoring event of microseism

2.3 數值模擬初步分析

數值模擬模型尺寸為651m×837m×170m，單元總數151623，節點總數175232。計算中，將圍巖礦體均視為彈塑性連續介質，采用莫爾－庫侖準則，初步計算了采空塌陷區位移場基應力場分布規律（圖7、圖8），結果表明，采空塌陷區現有位移和應力均未出現突變，目前處于穩定狀態。

圖7 采空塌陷區位移云圖Fig.7 Displacment contour of surface subsidence

圖8 采空塌陷區應力云圖Fig.8 Stress contour of surface subsidence

3 結論

南港村多年無序開采引起的巖層及地表移動規律較為復雜，涉及到眾多地質及采礦因素，本文根據采空塌陷區實際地質特征，設計出比較合理的采空塌陷監測體系，取得如下成果：

（1）門頭溝南港采空塌陷區采空塌陷較為復雜，危害程度較大，構建以地表位移、深部位移、應力監測為主的多參數監測系統能夠實現對采空塌陷區的全天候立體監測，為該地區采空塌陷預警提供技術支持。

（2）基于CAD-SURFER-ANSYS的聯合建模方法，實現了復雜地表下的三維模型的快速建立，為采空塌陷的可視化管理提供了便利。

（3）現階段監測數據及數值模擬結果表明，南港地區采空塌陷目前位移場和應力場均未出現大突變現象，處于較穩定狀態。

（4）建議持續開展監測，通過對后續監測資料的綜合分析，開展采空塌陷區演變規律分析和長期穩定性預測，為采空塌陷區的綜合防治提供科學依據。

甘懷營，2011. 基于多種監測手段的深部采場開挖圍巖損傷演化規律研究[D]. 沈陽：東北大學.

胡靜云，李庶林，林峰，等，2014. 特大采空區上覆巖層地壓與地表塌陷災害監測研究[J]. 巖土力學，35(4)：1117-1122.

賈向前，2015. 采空區變形監測技術分析[J]. 山西水利，(7)：29-30.

劉曉菲，鄧喀中，范洪冬，等，2014. D-insar監測老采空區殘余變形的試驗[J]. 煤炭學報，39(3)：467-472.

林健，2009. 基于GPS監測的地下開采礦山地表變形分析與預測研究[D]. 武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所.

盧宏建，李占金，陳超，2013. 大型復雜滯留采空區穩定性監測方案研究[J]. 化工礦物與加工，(2)：28-32.

芮勇勤，陳佳藝，丁曉利，2010. 基于InSAR與GPS技術的公路采空區變形監測[J]. 東北大學學報（自然科學版），31(12)：1773-1776.

魏雨溪，2014. 大冶鐵礦塌陷區變形破壞特征及監測方案研究[D]. 武漢：武漢工程大學.

張玉成，2014. 煤礦采空區地表沉降遠程監測系統的研究與實現[D]. 西安：西安科技大學.

Dynamic Monitoring and Stability Prediction of Old Coal Mining Subsidence Area

ZHAI Shuhua, WANG Yihong, MAO Jian, LIU Huanhuan
(Beijing Institute of Geology, Beijing 100120)

The mining subsidence is the important factor to threaten the local people’s lives and properties. It is very important to monitor the subsidence for evaluating the stability and accurately predicting the occurrence time. Nangang Village mining subsidence area, Wangping Town, Mentougou District, Beijing, is taken as the engineering background study area in this paper. A three-dimension monitoring system based on GPS, static leveling inclinometer as well as microseism monitoring technique are established, which realizes the 24-hour monitoring of stress field and displacement field; then, a three-dimension geological model is established by means of CAD-Surfer-ANSYS, which realizes the visualization of monitoring system. Besides, the monitoring data and numerical simulation data are analyzed primary, which offer technique supports for prevention and control of mining subsidence.

Mining subsidence; Real-time monitoring; Three-dimension model; Prevention and control.

A

1007-1903（2017）04-0054-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.04.010

翟淑花（1979- ），女，博士，高工，主要從事巖土工程可靠性及地質災害監測預警方面研究。E-mail:：zhaishuhuahbu@163.com