基于GPS靜態(tài)定位法監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與塌陷特征認(rèn)識

魏　潔，胡向德，陳海龍，張　磊，譚昌偉

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，蘭州　730050)

華亭縣位于甘肅省東南部，是全國十三個大型煤炭基地之一，也是全國100個重點產(chǎn)煤縣之一，煤田總面積133.8km2，地質(zhì)儲量28.5億噸[1]。由于長期煤炭資源開采，形成大規(guī)模采空塌陷區(qū)，使本區(qū)地質(zhì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。為掌握華亭采煤沉陷區(qū)地面塌陷特征及其變化趨勢，為礦山地質(zhì)環(huán)境管理及恢復(fù)治理服務(wù)，自2014年起，甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院會同中國地調(diào)局水環(huán)中心陸續(xù)開展了華亭采煤沉陷區(qū)地表移動變形監(jiān)測工作，部署了GPS監(jiān)測、三維激光掃描、光纖光柵位移計、拉桿(繩)位移計及物探深部監(jiān)測等多種監(jiān)測方法[2]，開展了采煤沉陷區(qū)監(jiān)測技術(shù)方法研究。本文基于GPS監(jiān)測樁布設(shè)、監(jiān)測信息采集及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，結(jié)合礦區(qū)地面塌陷的現(xiàn)場調(diào)查，對監(jiān)測方法適用性、地表移動變形特征、監(jiān)測部署應(yīng)注意的問題等進(jìn)行總結(jié)，以期為礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測工作提供技術(shù)和經(jīng)驗積累。

1　礦區(qū)地質(zhì)與開采方式

甘肅華亭煤礦區(qū)地處六盤山山脈關(guān)山東麓陜甘寧盆地之西南緣，六盤山巖質(zhì)山區(qū)與陜甘寧黃土高原的過渡帶，屬黃土低山丘陵區(qū)。礦區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，溝壑縱橫，沖溝發(fā)育[3]。礦區(qū)表層大部為黃土層覆蓋，其下部依次為上三疊統(tǒng)延長群、中侏羅統(tǒng)延安組、下白堊統(tǒng)志丹群、古近系甘肅群，可采煤層賦存于中侏羅統(tǒng)延安組[4-5]。

華亭煤田呈不對稱的復(fù)式向斜構(gòu)造，由中生代地層構(gòu)成，軸部由北西至南東呈反“S”形延伸，南、北兩端隆起，煤田內(nèi)斷層少，地質(zhì)構(gòu)造簡單[6]。向斜軸部寬緩，向斜東翼傾角35°～53°，一般40°左右，西翼傾角普遍大于40°，局部陡立達(dá)80°，軸部寬緩，巖層傾角幾度至十幾度。

煤田內(nèi)共有五個可采煤層，累加平均厚度為28.7m，最大可達(dá)50m。煤層埋藏深度在20～250m，向斜深部在500～800m[7]。煤層底板主要為砂巖、炭質(zhì)泥巖及砂質(zhì)泥巖，煤層頂板以泥巖和砂質(zhì)泥巖為主，其次為粗—粉砂巖及炭質(zhì)泥巖，巖石力學(xué)強(qiáng)度差，軟弱，易風(fēng)化破碎、遇水變軟膨脹，易垮落[8]。

本次布設(shè)監(jiān)測工程的東峽煤礦位于華亭復(fù)式向斜東南部，礦區(qū)山坡較緩，一般坡度20°～30°，相對高差100～200m，海拔高度1 530～1 401m。該礦區(qū)煤田大部分范圍處于向斜的東翼，井田內(nèi)煤系中無大的斷裂和褶曲構(gòu)造。含主要可采的特厚煤6層，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由上而下分岔為煤6-1、煤6-2及煤6-3層，煤層總厚由北向南，由向斜軸部向兩翼逐漸變薄，厚度在33～146m。煤層走向大致為北北西5°～15°，傾向南西西245°左右，煤層傾角37°～42°[9]。

東峽煤礦采用綜合機(jī)械化放頂采煤方法，礦井采用片盤斜井多水平開拓方式，開采水平為+1400～700m。礦區(qū)現(xiàn)有生產(chǎn)井筒有主井、風(fēng)井各一個，井筒標(biāo)高1 425m。全礦井設(shè)一個采區(qū)，一個采煤工作面，工作面推進(jìn)自北向南，采取后退式回采。礦井通過運輸順槽、回風(fēng)順槽與采煤工作面溝通，形成煤流、材料及通風(fēng)系統(tǒng)。頂板管理采用全部陷落法管理頂板，爆破落煤。

2　采空區(qū)地面塌陷特征

東峽煤礦地表塌陷區(qū)根據(jù)塌陷特征、穩(wěn)定性，以雞家溝為界，可分為兩部分：雞家溝以東區(qū)段塌陷已基本穩(wěn)定，該區(qū)裂縫產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，目前該地段地表形成的塌陷槽大都被掩埋，可見的塌陷槽寬度3～4m，深1～2m，延伸長度20～180m，裂縫走向N20°～35°W。 雞家溝以西區(qū)域大面積塌陷是近十多年來的煤礦開采直接導(dǎo)致的，地表出現(xiàn)大小40余條塌陷槽、裂縫，最大沉陷幅度超過10m，塌陷使丘陵區(qū)地表形成錯落臺坎、陷槽，將山體切割成條塊狀。塌陷槽深0.1～5m，寬2～6m，陷落帶內(nèi)主體裂縫帶多呈平行展布，其走向一般為N10°～35°W，間距4～10m，相距最近的為0.3m。陷槽、裂縫延伸長度50～250m，最長可達(dá)300m以上，寬0.05～0.5m，最寬達(dá)1m以上，裂縫內(nèi)多為黃土填充。

3　監(jiān)測工作部署與監(jiān)測方法

本次在東峽煤礦地表塌陷監(jiān)測區(qū)由北向南共部署GPS監(jiān)測剖面3條，總體成平行趨勢，監(jiān)測剖面基本垂直于煤層走向，與現(xiàn)有的塌陷裂縫、陷槽走向垂直，構(gòu)成順煤層傾向和煤層走向的監(jiān)測網(wǎng)，控制監(jiān)測塌陷沿煤層走向、煤層傾向的塌陷情況。共布置GPS監(jiān)測樁19個，另在礦區(qū)外布設(shè)基準(zhǔn)點3個，其中第一條監(jiān)測剖面位于二級階地后部，從西向東依次埋設(shè)監(jiān)測樁7個；第二條監(jiān)測剖面位于汭河南岸谷坡坡頂，剖面線覆蓋了東峽煤礦整個采區(qū)，根據(jù)地形及塌陷帶發(fā)育情況，共埋設(shè)監(jiān)測樁6個；第三條監(jiān)測剖面位于第二條剖面南側(cè)約350m處，處于溝谷相間的黃土丘陵區(qū)，控制監(jiān)測已采空的30218—4工作面的塌陷情況，共埋設(shè)監(jiān)測樁6個[10]。

GPS監(jiān)測以現(xiàn)場人力采集數(shù)據(jù)為主，采用靜態(tài)定位方法，用兩臺接收機(jī)分別安置在基線的兩端點，其位置靜止不動，同步觀測相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，以確定基線兩端點的相對位置(圖1)。監(jiān)測周期為1月/次，通過周期性獲取監(jiān)測樁移動數(shù)據(jù)[11-12]。監(jiān)測網(wǎng)自2015年5月份布設(shè)完畢后，分別于5月24日、6月29日、7月23日、8月29日、9月28日、10月28日、11月30日進(jìn)行了7次監(jiān)測，獲得6個階段的有效監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4　監(jiān)測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1　塌陷區(qū)地表垂直移動和變形分析

為細(xì)致分析華亭東峽煤礦區(qū)地表形變特征，根據(jù)布設(shè)的監(jiān)測剖面構(gòu)成的測網(wǎng)，對其縱橫向監(jiān)測數(shù)據(jù)和形變特征進(jìn)行分析。同時，為了更好的反映本區(qū)塌陷變形的規(guī)律，在東峽煤礦測區(qū)采用一般統(tǒng)計圖示與三次樣條插值擬合數(shù)理統(tǒng)計方法相結(jié)合的手段進(jìn)行分析[13-14]。

4.1.1A-A′剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從圖2可以看出，自西向東各GPS監(jiān)測樁沉降量有依次增大的趨勢，累積沉降量從0.014m增加至0.032m，反映了采空地面塌陷由外緣區(qū)向內(nèi)緣區(qū)沉降增大的總體特征，其中JA-7更接近現(xiàn)采區(qū)，監(jiān)測期內(nèi)其累計沉降幅度也最大。圖中顯示JA-2監(jiān)測樁沉降量異常，累計沉降量達(dá)0.029m，呈現(xiàn)較大值。據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測樁埋設(shè)情況，該樁位于塌陷槽內(nèi)，土質(zhì)疏松，且地勢較低，雨水易匯集。分析認(rèn)為，在地面塌陷持續(xù)發(fā)展的情況下，降雨匯流入滲可能加大了JA-2沉降量，但也不排除地表差異沉降的可能性。

地面沉降速率從JA-1至JA-7呈增大的趨勢(圖3)，說明越接近采空區(qū)，地面下沉速度越快。JA-1號樁從2015年5月至10月沉降速率小，10月至11月沉降速率增大，該樁處于西側(cè)塌陷邊緣地帶，以此推測采煤塌陷邊界可能向西擴(kuò)展的趨勢。JA-2、JA-3號樁各月沉降速率基本不變，為均勻沉降，月平均沉降速率在0.002 5～0.005m，特別是JA-2號樁下沉較快，且下沉速率基本不變，結(jié)合其沉降量認(rèn)為，地表存在差異下沉的現(xiàn)象。其余接近采空區(qū)的4、5、6、7號監(jiān)測樁在8月份形成明顯的拐點，顯示了在時間上地表沉降的差異性，也可能與雨季降雨量增大，降雨入滲使地表形變隨之增大或滯后反應(yīng)的特征。其中JA-4號樁在6、9月，JA-5在6、9月沉降量偏大，導(dǎo)致曲線在7月和10月出現(xiàn)上凸的現(xiàn)象，但偏差值均小于0.005m，應(yīng)屬監(jiān)測系統(tǒng)誤差所致。

根據(jù)每次測量的高程，以5月測量結(jié)果為起算值，利用三次樣條差值擬合的方法做出沉降曲線(圖4)。從圖4上可知5月至6月，各樁幅度較大，7月至8月各樁幅度偏小，8月以后各樁的沉降幅度均偏大。這與圖2、圖3顯示的各樁沉降特征基本一致。同時，三次樣條差值擬合沉降曲線也較直觀的反映了各樁逐月沉降量、樁間地帶的沉降趨勢。JA-4、JA-5號樁在6、9月的監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差，導(dǎo)致累積沉降三次樣條差值擬合曲線的異常波動。

4.1.2B-B′剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

B-B′監(jiān)測剖面累積沉降量柱狀圖(圖5)反映出監(jiān)測區(qū)內(nèi)各監(jiān)測樁均有不同程度的地表變形，而垂直變形比較大的集中在JB-3—JB-5地段，垂直沉降量在0.048～0.11m，反映出地表差異下沉的特征。而從圖6可知，沉降速率有兩次增大的現(xiàn)象，第一次為2015年5月底各監(jiān)測樁埋設(shè)完后到7月，第二次為8月至9月間，其余時間段內(nèi)沉降速率較小，曲線接近水平。分析認(rèn)為，在該區(qū)地表塌陷持續(xù)變形的情況下，存在逐月差異下沉的特征，此外也可能受兩個方面因素的影響，一是各樁埋設(shè)后，由于表層黃土土質(zhì)疏松，樁存在自然沉降的過程，與地面塌陷沉降相疊加，導(dǎo)致速率增大，至7月底自然沉降基本完成，沉降速率減?。欢?、8、9月份雨季降雨量增加，加大了地面沉降速率。

圖2　A-A′剖面累積沉降量柱狀Figure 2　A-A’ section cumulative settlement column

圖3　A-A′剖面地面沉降速率曲線Figure 3　A-A’ section surface settlement rate curve

圖4　A-A′剖面各GPS監(jiān)測樁累積沉降三次樣條差值擬合曲線Figure 4　A-A’ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

圖5　B-B′剖面累積沉降量柱狀Figure 5　B-B′ section cumulative settlement column

圖6　B-B′剖面地面沉降速率曲線Figure 6　B-B′ section surface settlement rate curve

三次樣條差值擬合沉降曲線(圖7)顯示的特征與上述地面形變特征基本相近，5月至7月各樁沉降幅度較大，8月至9月除JB-3號樁外，其余各樁沉降幅度均較大。

4.1.3C-C′剖面監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測期間該剖面由西向東各監(jiān)測樁累積沉降量逐漸增大(圖8)，累計沉降量由JC-1的0.081m增長到JC-5的0.293m，監(jiān)測結(jié)果符合采空區(qū)巖移沉降向塌陷盆地中心的變形規(guī)律，并具有正態(tài)分布的特征。JC-6號樁位于現(xiàn)采空區(qū)的東側(cè)，距采煤工作面在水平距離上與JC-4相近，但其沉降量較JC-4小，為0.195m，反映出較陡的傾斜煤層開采下，塌陷移動盆地沉降的不對稱性特征。同時，也說明東峽煤礦區(qū)地面塌陷總體呈正態(tài)沉陷規(guī)律的情況下，各地段仍出現(xiàn)差異沉降的現(xiàn)象，處于塌陷區(qū)西側(cè)邊緣地帶的塌陷程度較弱，而隨著采煤工作面向南推進(jìn)，采空區(qū)不斷擴(kuò)大，巖移沉降逐步發(fā)展至地表，使離采空區(qū)較近的JC-4、5、6號樁因塌陷反復(fù)擾動，圖形出現(xiàn)拐點，下沉速率反復(fù)增大(圖9)。

三次樣條差值擬合累計沉降曲線(圖10)也反映該測線各監(jiān)測樁的巖移沉降特征： 沉降幅度逐次增大，速率增加，而且采空塌陷巖移向東傾斜的特點。

圖7　B-B′剖面各GPS監(jiān)測樁累積沉降三次樣條差值擬合曲線Figure 7　B-B′ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

圖8　C-C′剖面累積沉降量柱狀Figure 8　C-C′ section cumulative settlement column

圖9　C-C′剖面地面沉降速率曲線Figure 9　C-C′ section surface settlement rate curve

圖10　C-C′剖面各GPS監(jiān)測樁累積沉降三次樣條差值擬合曲線Figure 10　C-C′ section GPS monitoring stakes cumulative settlement cubic spline difference value fitting curve

4.1.4監(jiān)測沉降量縱向?qū)Ρ?/p>

華亭東峽煤礦監(jiān)測區(qū)監(jiān)測樁的布設(shè)構(gòu)成了沿煤層傾向和走向的監(jiān)測網(wǎng)，上述A、B、C各剖面沉降變化反映了煤層傾向方向的地表塌陷特征。分析各監(jiān)測樁沿煤層走向的監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖11)顯示，A-A′監(jiān)測線各樁的沉降值均較小，最大沉降值0.032m，沉降曲線平緩；剖面B-B′各樁的沉降值最大為0.096m，曲線總體位于A-A′曲線下方，除JB-6外，各樁沉降量縱向上均小于相對應(yīng)的A-A′測線各樁沉降值；而C-C′各樁沉降量大于B-B′，最大降幅為0.244m。由此反映出測區(qū)內(nèi)由北向南，地面塌陷沉降幅度增大，這與采煤工作面從北向南推進(jìn)，采空區(qū)逐步向南發(fā)展所產(chǎn)生的巖移塌陷規(guī)律相一致，監(jiān)測效果較好。從實際調(diào)查來看，測線A-A′附近地表裂縫、陷槽屬早期塌陷形成，部分裂縫被當(dāng)?shù)剞r(nóng)民耕種復(fù)平，該地段塌陷處于后期趨穩(wěn)階段；而B-B′、C-C′測線區(qū)段塌陷裂縫呈楔形，錯裂面新鮮，明顯反映出正在發(fā)展的塌陷特征。

圖11　各監(jiān)測剖面沉降曲線Figure 11　Settlement curves of each monitoring section

4.2　塌陷區(qū)地表水平移動及變形分析

根據(jù)測區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點的x、y方向位移量的變化可知，在監(jiān)測期間，雞家溝以西各樁的總體水平移動方向為北東—北東東，且在該方向的位移矢量具有剖面A-A′最小，剖面B-B′居中，剖面C-C′最大，各剖面矢量具有從西向東逐漸增大的現(xiàn)象，反映出雞家溝以西監(jiān)測區(qū)內(nèi)，地面塌陷整體向北東方向移動，即指向巖移盆地中心方向，且靠近采煤工作面處，移動量越大，水平移動變形越大。而處于采礦區(qū)東側(cè)的JB-6、JC-6號樁其水平移動趨勢為向西、南西，與煤層傾向基本一致。同時，由北向南A、B、C三條測線反映出的地表水平移動矢量也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，與前述地表沉降移動特征有一致性，也反映出隨采煤工作面的推進(jìn)，塌陷向南發(fā)展。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，東峽煤礦地面水平移動最大為JC-2號測點，其值為0.178m，最小為JA-6號樁位移量0.037m；地面移動最大的地段發(fā)生在8～9月間的JC-3與JA-4之間的地塊，單月移動值為0.141m，同時變形也達(dá)到最大為3.32E-03。

值得說明的是，受地形、地層巖性、煤層傾向、采空區(qū)空間形態(tài)及開采時間等綜合性因素影響，區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點水平移動方向也存在差異性，反映出巖移沉降過程的復(fù)雜性。個別監(jiān)測樁水平移動方向與埋設(shè)位置的地形、坡向有一定關(guān)系，如JA-1、JA-2、JA-3、JA-6位于斜坡地帶，坡向為北西西方向，其運動方向偏向北西；JA-7位于塌陷槽內(nèi)靠近東側(cè)的裂縫處，其水平移動方向指向槽內(nèi)；JB-4位于溝坡斜坡處，坡度約30°，其水平位移與坡向基本一致。

5　監(jiān)測效果與認(rèn)識

在華亭東峽煤礦通過布設(shè)了GPS監(jiān)測剖面，基本控制了測區(qū)范圍，形成了沿煤礦走向及傾向的縱橫向監(jiān)測網(wǎng)，其GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)所反映的特征與煤礦采空形成的地面塌陷現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢具有很好的對應(yīng)性。

1)GPS靜態(tài)定位由于采用載波相位觀測值以及相位觀測值之間的線性組合技術(shù)，極大地削弱了GPS測量中的衛(wèi)星星歷、接收機(jī)鐘差、信號傳輸?shù)恼`差，其定位精度達(dá)10-6～10-7，在地面塌陷定位測量中精度很高，而且不受通視限制，可實現(xiàn)全天候自動化監(jiān)測，同時也可增加觀測量，有利于提高采空塌陷區(qū)地表移動觀測成果的可靠性。

2)東峽煤礦測區(qū)范圍內(nèi)垂直移動及沉降量由西向東、由南向北逐步增大，測區(qū)在監(jiān)測時段內(nèi)最大沉降量0.244m，最小沉降量0.014m；水平移動方向總體指向采空區(qū)方向，塌陷邊緣地帶水平變形小，越接近采空區(qū)移動量越大，水平移動變形越大。地面水平移動最大值0.178m，最小為0.037m。無論是垂直移動變形還是水平移動變形或是傾斜等監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，測區(qū)內(nèi)由北向南其地表塌陷程度明顯增強(qiáng)。這與采煤工作面從北向南推進(jìn)，采空區(qū)逐步向南發(fā)展所產(chǎn)生的巖移塌陷規(guī)律相一致。

3)測區(qū)內(nèi)地面塌陷垂直移動變形總體呈正態(tài)沉陷規(guī)律的情況下，各地段表現(xiàn)出時空上的差異沉降現(xiàn)象；而水平移動的方向及變形量也有差異性。反映出煤礦采空地面巖移塌陷的復(fù)雜性。地面塌陷總體受控于地層巖性、構(gòu)造條件、采礦方式及采空區(qū)大小等，而降雨也可能是地表移動變形的重要影響因素。監(jiān)測也顯示區(qū)內(nèi)監(jiān)測點水平

移動與監(jiān)測樁埋設(shè)位置的地形條件有一定的相關(guān)性。

4)通過對東峽煤礦監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)及數(shù)據(jù)分析總結(jié)認(rèn)為，監(jiān)測點的布設(shè)應(yīng)根據(jù)地面塌陷分區(qū)(中心區(qū)、內(nèi)緣區(qū)、外緣區(qū))及其引發(fā)的裂縫、陷槽或塌陷條塊等實際情況，進(jìn)行系統(tǒng)布設(shè)，以形成縱橫向監(jiān)測網(wǎng)，使監(jiān)測數(shù)據(jù)比較分析具有對應(yīng)性，有利于提高研究精度，也可全面反映地面形變特征。

5)三次樣條差值法在東峽煤礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測中取得的擬合沉降曲線比較直觀的反映了各樁逐月沉降量、累計沉降量及監(jiān)測樁間地帶的沉降趨勢。但由于監(jiān)測樁間距不均一，一些樁距相差較遠(yuǎn)，限制了三次樣條差值法應(yīng)用效果。

6)在采空塌陷區(qū)特別是黃土覆蓋及擾動松散土體較厚的地段埋設(shè)GPS監(jiān)測樁，應(yīng)對樁底基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理，并鋪漿固底，或適當(dāng)擴(kuò)大監(jiān)測樁底面積，以減低壓強(qiáng)，增加監(jiān)測樁基礎(chǔ)承載力，減低因樁自身重力造成的沉降，提高監(jiān)測精度。

7)采空塌陷區(qū)地表移動變形監(jiān)測中，應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)及時整理分析，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異變或較大的儀器系統(tǒng)誤差及測量誤差，應(yīng)及時進(jìn)行補(bǔ)測校核，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精度。

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