國家級礦山地質環境監測基礎設施的建立

張書華，陳洪年，李洪亮（山東省魯南地質工程勘察院，山東兗州272100）

1 概述

近年來，隨著煤炭企業的深入開采，各地都出現了面積、深度不等的塌陷地。多處農田被毀，莊稼被淹，樹木、植被被淹，以至枯死。為了改善地質環境，恢復耕地，變廢為寶，國家從各地礦山企業征收的稅費中拿出大量的資金進行礦山地質環境治理。治理效果如何？治理后的環境會如何變化？從哪些方面、以何種方法去監測此種地災現象引起的各種變化？目前仍是地學界正在熱議的問題。

鄒城市位于山東省西南部，是典型的資源型城市，該市境內煤炭資源豐富,含煤面積357km2,占境域面積的22%,地下煤炭儲量達41×108t,是全國8大煤炭生產基地之一[1]。多年來,煤炭開采在帶動地方經濟快速發展的同時,也帶來了采煤區塌陷等毀壞耕地、破壞生態等人為地質災害方面的問題。為了改善生態環境，最大限度地恢復塌陷區土地耕作條件，該市多方籌措資金1.8億元，先后實施了平陽寺403hm2、北宿唐村373hm2和北宿800hm2三大重點治理工程，累計綜合治理采煤塌陷地2067hm2，恢復耕地733hm2[2]。為了掌握礦區的地質環境變化規律，檢驗礦山地質環境治理工程效果，指導后期的礦山地質環境治理工程，必須對治理區實行全面監測。鄒城市國土資源局委托中國地質大學（武漢）進行地質環境監測設計，隨后監測單位進行為期10年的地質環境監測，監測基礎設施現已布設完畢，各種儀器設備也已購置妥當，現分述如下。

2 工程概況

2.1 工作區概況

鄒城市地處山東省西南部,轄區總面積1616km2?！班u城市太平采煤區礦山地質環境治理示范工程（一期）監測工程”位于鄒城市西側——太平鎮平陽寺村，處于新濟鄒路與泗河交叉處，新濟鄒路路北，泗河東側，屬兗州煤田范圍。

該地區氣候屬暖溫帶，為東亞大陸性季風氣候區，四季分明，降水集中，雨熱同步，冷熱季和干濕季區別明顯。全市年平均太陽輻射總熱量120.64kcal/cm2，年日照時數為2l51～2596h，平均占可照時數的55%，年平均氣溫為14.1℃，日平均氣溫穩定超過0℃農耕期297d，其間大于0℃的積溫為5217℃，日平均氣溫≥10℃的活動積溫為4697℃，持續217d。全年無霜期平均為202d，平均初霜日在10月28日，平均終霜日在4月8日。年平均降水量為777.1mm，主要集中在6、7、8月份，年最大降水量為1225.5mm，年最小降水量為434.4mm，年際之間和年內各季節的降水極不平衡。歷年平均相對濕度64%。該地區水系屬淮河流域，主要河流有泗河、白馬河，屬季節性間歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含砂量大。

2.2 完成工作量情況及購買的主要儀器設備

為了完成該項目的監測設計意圖，必須建立相應的基礎設施，經過幾個月的努力，我們完成了本監測項目工程的所有施工。主要包括地面沉降位移監測樁、GPS監測標墩、地表水監測樁（直立式水尺）、深孔水文鉆探、成井、淺孔水文鉆探、成井、擋墻位移監測樁、土壤肥力監測斷面線標樁、岸坡侵蝕監測標樁埋設等分項工程，完成的主要實物工作量見表1。

表1 監測部署工程實物工作量一覽表

為了完成該監測工程，購置了索佳全站儀2臺，天寶DiNi03高精度電子水準儀2臺，GPS觀測墩強制對中歸心盤（不銹鋼）17套，Trimble GPS接收機2臺套，進行地面位移監測；購置裂縫報警器28個，進行建（構）筑物變形監測；購置直立式水尺14根，HI9804多參數水質分析儀1臺，有機玻璃取水器2個，進行地表水監測；購置干濕球溫度計2個，濕敏電容1個，雨量器2個，小型蒸發器1個，地表面濕度表1個，風速儀1個，風向儀1個，進行氣象監測；購置離心水泵2臺，購置加拿大SOLINST公司自動水位探頭20只，水位讀數儀2臺，有機玻璃取水器2個，多參數水質分析儀2臺，電纜940m，進行地下水監測；購置TRIME-PICO TDR便攜式土壤水分測量儀1臺，螺旋取土鉆5臺，鐵鍬4把，樣品袋7540個，樣品箱2個，進行土壤監測。

3 各監測設施施工

3.1 GPS監測墩施工

在選定位置按1.2m×1.2m進行開挖，深度超過1.5m。觀測標樁用鋼筋混凝土在選定的點位澆制，混凝土采用C25，澆筑時應邊澆筑邊用鋼釬搗實。安裝對中盤，盤面應水平，孔應垂直，對中盤面傾斜不大于2mm，并在點的記錄中注明對中孔的深度、孔徑以及觀測時帶的工具。強制對中觀測標樁埋設后，在標樁的朝南側注明點名、編號、埋設單位、埋設日期和“GPS“字樣?；鶞蕵硕蘸妥冃吸c測量標墩結構參見圖1。

GPS觀測墩施工工序：現場實地踏勘和選點→測量放點→土石方開挖→鋼筋制作和安裝→模板和混凝土工程→強制對中盤、水準標點安裝→施工現場看護→拆模和模板轉移→油漆噴涂和保護罩的安裝→觀測墩的裝飾、裝修。

3.2 地下水監測井施工

（1）深層地下水監測井施工。本次共施工深層孔隙水監測井4眼，DS1號孔位于監測區東北部的湖心島中，孔深175m；DS2號孔位于邢村東南角，TX1和TX2塘之間南側，孔深185m；DS3號孔位于平陽寺村南側，孔深200m；DS4號孔位于平陽寺鎮鮑店煤礦風井附近，孔深135m。本次施工采用SPJ-300型水文鉆機，先用?168mm鉆具取芯鉆進，進行水文地質巖芯編錄，確定監測的含水層位置和止水位置；采用?450mm分翼式鉆頭擴孔后，下入?219mm鋼管和橋式濾水管，采用夾板提吊焊接法下管；管外采用粘土球止水，止水深度分別為160m、182m、141m和80m；成井結束后進行了洗井和抽水試驗工作，并取水樣送檢。

（2）淺孔水文鉆探、成井。淺層地下水監測井施工方法和工序與深層孔施工一致，采用SPJ-300型水文鉆機，先用?168mm鉆具取芯鉆進，進行水文地質巖芯編錄，確定監測的含水層位置和止水位置；采用?450mm分翼式鉆頭擴孔后，下入?219mm鋼管和橋式濾水管，采用夾板提吊焊接法下管，成井深度均為25m；管外采用粘土球止水。本次施工完成淺層水監測孔19眼，成井結束后均進行了洗井和抽水試驗工作，并取水樣送檢。

圖1 GPS監測墩設計圖（單位：mm）

3.3 水準監測點埋設施工

埋設水準標石，首先應挖一深100cm、長寬各70cm的基坑，倒入混凝土，厚度約20cm，搗實，然后將標石放入基坑，讓混凝土與標石凝結在一起，再將土回填、夯實，蓋以小水泥上蓋，砌0.6m×0.6m保護池，池邊高出自然地面10～20cm，蓋水泥護蓋，旁立一水泥指示樁，噴以“測量標志，嚴禁碰動,法律保護，違者必究”字樣。水準標石的埋設尺寸如圖2所示。

4 主要儀器設備及用途

4.1 地下水監測儀器的安裝及用途

深層地下水監測采用加拿大生產的Solinst M3001 Levelogger Edge——“銳界”系列地下水液位、溫度自動記錄儀。其工作原理如圖3所示。

觀測動態水位為基巖承壓水，監測裝置能實現地下水連續自動監測，可將監測數據通過無線傳輸系統自動傳輸至室內監測中心，并實現地下水監測省內聯網，實現了從手工量測到水位、水溫自動記錄的重大變革。

4.2 地表水監測儀器設備及用途

按照設計要求，分別在監測區內的泗河、白馬河上游和下游，5個主要塌陷積水坑塘和生活污水排放點安裝直立式水尺。首先將靠樁打入至水底，水尺靠樁入土深度1.5m。安裝水尺時，采用水下下套管方法將水排出，套管內下挖1m，待水尺立穩且垂直水面后，用鐵絲將水尺和靠樁綁牢，在水尺和靠樁下部澆注混凝土凝固。本次施工完成14個地表水環境監測點，質量均達到合格要求。

圖2 地面塌陷觀測樁埋設示意圖(單位：mm)

4.3 地下水觀測設備及安裝

為完成地下水監測工作，我單位購置2臺多參數水質分析儀（smarTROLL MP手持式多參數水質監測儀，尺寸4.7cm外徑×26.9cm，每10s讀1次）及其他監測設備，地下水觀測設備儀器詳見表2。

4.4 測量設備的投入

圖3 深層地下水自動監測原理示意圖

表2 地下水監測主要設備儀器一覽表

表3 沉降監測主要設備儀器一覽表

為圓滿完成本次監測任務，我單位購置全站儀2臺（索佳FX101，基本參數測角精度1秒，測距精度2mm+1ppm，1秒級全站儀），購置天寶接收機1+1臺（美國天寶光譜EPOCH 50 GNSS，精度指標:靜態平面±3mm+0.1ppm，RTK平面±10mm+1ppm，靜態垂直±3.5mm+0.4ppm，RTK垂直±20mm+1ppm），購置水準儀2臺（天寶DiNi03，測距范圍1.5～100m，觀測精度達0.3mm，最小顯示0.01mm）。沉降監測部署工程中監測儀器、設備材料的采購、運輸、保管、檢驗、埋設安裝均已完成，投入的主要設備儀器見表3。

4.5 裂縫報警器購置及安裝

使用拉線法安裝裂縫報警器。具體實施方法：將裂縫兩側處理干凈，貼上十幾厘米長的寬透明膠帶，用刀片沿裂縫割斷膠帶。撕開報警器背面膠紙，橫向固定于裂縫的一側，在裂縫的另一側固定一顆釘子，拉線一頭纏繞于釘子上，保持拉線處于繃直狀態，使報警器處于工作狀態。根據設計要求在監測區共布置28個建（構）筑物變形監測點,購買28個裂縫報警器，施工數量、質量均合格，達到設計要求。

4.6 小型氣象設備安裝及用途

為了監測監測區的氣候變化情況，我們在監測區中部安裝了小型氣象站。氣象站結構：風速傳感器安裝在西邊的風桿上；風向傳感器安裝在東面的大桿上；溫、濕傳感器安裝在北邊的大支撐桿上；蒸發量傳感器安裝在西南角，上空無任何遮擋；雨量傳感器安裝在原來虹吸雨量計的位置上，上面無任何遮擋；淺層地溫傳感器安裝在原曲管地溫表東面擴展的裸地內；深層地溫傳感器安裝在原直管地溫表的南側，與原直管地溫表相0.5m，東西方向排列。儀器間南北間距2m，東西間距3m，儀器距圍欄距離3m。安裝的設備主要有：干濕球溫度計2個，濕敏電容1個，雨量器2個，小型蒸發器1個，地表面溫度表1個，風速儀1個，風向儀1個，氣壓計1個，質量全部合格。

5 結論

通過以上施工和安裝工程，共完成了9大類，共12項監測項目的設施安裝，各項施工都滿足或高于設計標準，該項目已通過業主——國土資源部門的驗收，各分項及總體工程皆滿足設計及相關規范要求。目前，該項目已投入運行，各項監測工程正在有條不紊地進行。礦山地質環境監測是最近幾年才興起的一種監測工作，監測內容涵蓋了工程測量、水文地質和環境地質的諸多內容。如何能夠全面而有效地進行監測？監測應該達到何種最佳監測效果？還需要各方面的專家共同探討。希望各界同仁共同探討，不吝賜教，以期取得更好的監測效果。

[1]許開營，劉陽.鄒城市綜合治理采煤塌陷地成效顯著[J].山東國土資源，2007，23(12):39-40.

[2]李慶強，苗偉.鄒城市采煤塌陷地治理存在的問題及建議[J].山東國土資源，2011，27(4):35-39.