河南省北部地區礦山開采引發的地面沉降監測研究

張青鎖，于松暉，鄭光明

（1.河南省地質環境監測院，河南 鄭州 450016；2.河南省地質災害防治重點實驗室，河南 鄭州 450016）

河南北部平原地區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、新鄉市、焦作市、濟源市等6個省轄市的31個縣（市、區），面積約21641.00㎞2。自20世紀80年代以來，該地區的安陽市、鶴壁市、濮陽市、新鄉市等均有不同程度地面沉降，進入21世紀后，隨著社會經濟的快速發展，人類活動對地下礦產資源的開發程度愈加強烈，地面沉降有加劇趨勢［1-6］。地面沉降造成了公共設施破壞、線型工程受損、地面水準點失準、河流防洪能力降低［7，8］。建設完善的監測網絡，開展地面沉降監測是制定地面沉降防控措施的基礎。

建立河南北部礦山開采區地面沉降監測網，動態監測地面沉降分布和發育規律，可以為中原經濟區發展規劃、基礎設施與重大工程建設、地質災害防御、自然資源利用與管控提供科學依據。

1 礦山開采區地面沉降監測網建設

礦山開采區地面沉降監測網建設保持了控制監測和重點監測的相協調。在監測網的結構和專業監測的設置、具體監測手段的配置上，體現系統性和完整性。根據礦山地質條件及以往工作獲取的地面沉降狀況，結合經濟社會發展規劃，重點監測區參考地下水降落漏斗范圍，兼顧河南省北部地區規劃，主要以重大工程為研究重點，以水準剖面測量和自動化監測為主，重點監測礦山開采區周圍地面沉降地裂縫形變特征。其他區域進行控制性監測，主要采用GNSS監測、地下水監測進行宏觀區域性監測。

1.1 GNSS監測網

考慮到GNSS網監測成果的以后應用，參考原有A、B級控制網及CORS基準站作為控制網起算數據；首級監測網以能夠滿足下一步GNSS監測網優化布設為原則，點位盡可能均勻分布，B級GNSS點選點在滿足礦區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等級的控制點標石；GNSS網應有一個或若干個獨立觀測環構成，但閉合環的邊數或附合路線的邊數一般情況下不大于6條。本次布設的GNSS監測網共有83個監測點，其中新建B級GNSS監測點66個（全部為土層天線墩），搜集GNSS監測點17個。

1.2 地面水準監測網

水準監測網重點布設在礦區地下水降落漏斗范圍，主要有兩個監測區：清豐—南樂監測區和孟州—溫縣監測區。本次水準網建立了二等水準監測點200個。其中，清豐—南樂監測區涉及安陽市文峰區、安陽縣、內黃縣、滑縣、湯陰縣、濮陽市華龍區、南樂縣、清豐縣、鶴壁市浚縣等，面積約3520km2，建設二等水準點150個；孟州—溫縣監測區涉及沁陽市、孟州市、武陟縣、博愛縣、溫縣等縣市，面積約1040km2，建設二等水準點50個。監測頻率1次/年。

1.3 自動化監測網

自動化監測點建設參照連續運行參考站建設要求，用于對監測點的地面沉降情況進行實時監測和數據定時上報。本次建設自動化監測點13個。監測頻率為2次/天，上報1次/天。

1.4 地下水監測網

根據礦山開采區地下水開采情況、開采井孔分布情況及井孔利用和保護程度，本次共布置地下水動態監測孔80個，其中淺層地下水監測井59個，中深層地下水監測井21個。布置地下水統測孔400個。其中淺層地下水統測井344個，中深層地下水統測井56個。監測方法采用了人工觀測與儀器觀測相結合方式進行。人工觀測的監測孔監測頻率為5天1次，儀器觀測的頻率為1天1次。

2 監測網試運行結果

2.1 區域地面沉降空間特征

根據GNSS監測結果，繪制了GNSS監測地面沉降等值線圖（圖1）。經統計分析，2016-2017年工作區大部分區域發生了沉降（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17165.8 km2，占工作區79.4%。

表1 工作區GNSS監測地面沉降面積統計表

-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 重點監測區地面沉降特征

（1）南樂縣礦山開采沉降監測區。根據水準監測結果，該區存在3個明顯沉降中心：內黃縣田氏鎮沉降中心，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。浚縣屯子鎮沉降中心，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測區。該區沉降中心位于武陟縣寧郭鎮大聶村學校附近，最大沉降量45.7mm。沉降量大于30mm的面積14.10km2。

圖1 GNSS監測地面沉降等值線圖

表2 地面沉降發育程度分區表

2.3 礦山開采區地面沉降特征

本次工作在新鄉市和濮陽市2個主要城市布置了地面沉降自動化監測點。新鄉市7個監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個監測點上升5.8mm。

3 地面沉降發育程度分區

根據GNSS監測、水準監測、自動化監測成果，綜合確定工作區地面沉降發育程度分級標準：年沉降速率大于等于50mm/a為地面沉降強發育區域，50mm/a～30mm/a為地面沉降中等發育區域，30mm/a～0mm/a為地面沉降弱發育區域，上升大于0mm/a為上升區域。據此將工作區劃分為20個地面沉降發育區域（表2）。其中4個地面沉降強發育區域，面積約221.61km2，占總面積的1.03%；10個地面沉降中等發育區域，面積約2081.41km2，占總面積的9.61%；4個地面沉降弱發育區域，面積約18973.11km2，占總面積的87.66%；2個上升區域，面積約366.53km2，占總面積的1.70%。

4 結束語

（1）為了監測河南北部地區礦山開采引發的地面沉降，本次工作建設了地面沉降監測網各種設施279個，其中建立了GNSS觀測墩66座，埋設水準標石200座，建設自動化監測點13座；初步建成一個完整的地面沉降監測網。監測網經過試運行，獲取了工作區地面沉降數據，為河南省北部地區礦山開采區引發地面沉降防治提供基礎數據依據。

（2）監測結果顯示河南省北部大部分礦山開采區域都發生了不同程度的沉降情況，重點監測區有4個沉降中心。有4個地面沉降強發育區域，10個地面沉降中等發育區域，4個地面沉降弱發育區域，2個上升區域。經過與地下水位監測成果對比，礦山開采區地面沉降強發育區域與地下水位強烈下降區范圍基本一致，說明地下水位變化對礦山開采區的地面沉降有較大影響。