北京典型煤礦采空塌陷監測技術研究與實踐

邢宇鑫　吳大鵬　王亞婷　張濤　孫楠　 秦沛

摘 要：煤礦開采引起的采空塌陷、地裂縫等礦山地質環境問題日益嚴重。為了動態監督管理礦山環境，研究閉坑礦山采空塌陷區安全狀況，選取北京西部煤礦集中開采區內的西岳臺村作為典型監測示范區。區內布置3個基準點，4個工作基點，15個沉降觀測點以及一套微震監測系統。通過采用地表形變測量與微震監測技術相結合的方法，以2015—2018年4年監測數據分析，年平均沉降量在-10mm～10mm之間，年平均1～2次微震事件。監測發現已閉坑煤礦雖然處于穩定期，但是仍存在緩變塌陷狀況并且受外界變量影響，需進一步加強監測。

關鍵詞：微震監測;形變測量;穩定期;緩變塌陷

中圖分類號：P694? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0055-06

Abstract： Mine geological environment problems such as goaf collapse and ground fissure caused by coal mining are becoming more and more serious. In order to dynamically supervise the mine environment and study the safety situation of the mined-out subsidence area in closed pit mines， Xiyuetai village in the concentrated mining area of Western Beijing is selected as a typical monitoring demonstration area. Three datum points， four working datum points， 15 settlement observation points and a set of micro-seismic monitoring system are arranged in the area. By using a new method of combining surface deformation measurement with micro-seismic monitoring technology， and analyzing the monitoring data from 2015 to 2018， the annual average settlement is between - 10mm and 10mm， and the annual average number of micro-seismic events is 1-2. Although the closed pit coal mine is in a stable period， there is a slow subsidence situation that is affected by external variables. So it needs further monitoring in the future.

Keywords： Micro-seismic monitoring; Deformation measurement; Stable period; Slow subsidence

0 前言

采空塌陷是由煤礦及其他礦種地下開采引發的礦山地質災害。由于地下礦產被采出后，形成采空區，其上覆巖層的原始平衡狀態遭到破壞，周圍巖體產生應力集中、移動變形、離層、裂縫，甚至破壞垮落。這就需要對典型的礦山進行動態的監測，以便及時掌握最新信息，動態的對礦山環境進行監督管理（孟中華，2011）。

目前，我國監測工作主要是以地面形變監測為主，在開展變形監測方面積累大量的工程實踐經驗，主要采用全站儀、經緯儀、水準儀以及GPS監測、遙感技術、InSAR技術等進行監測預報的技術水平有所提高，但仍難以實現準確預報（李海鷹，2007;國巧真等，2005）。存在的主要問題是：（1）主要以形變監測為主，預警預報準確性差;（2）主要圍繞單個礦區地表及淺部監測為主，缺乏深部及區域性監測研究;（3）監測方式以定期監測為主，不能實時監測（劉洪濤，2011;劉建坡等，2012）。究其原因，是由于位移、裂縫等現象只是地下巖層破壞的必要條件和后續連鎖反應，并不是充分條件。作為一個天然的力學系統，地面塌陷等災害的發生與否決定于地下采空區圍巖之間的平衡狀態變化和破壞程度。

對監測示范區采取傳統的區域地表形變監測與深部巖體力學監測相結合的方式進行。地表形變監測在西岳臺問題嚴重區采用水準監測，達到對宏觀和微觀形變的監測;而深部巖體監測采取先進的微震監測技術。

2012—2015年由原國土資源部科技與國際合作司組織，與芬蘭阿爾托大學城市與區域研究中心、國家地質試驗測試中心合作，通過“產、學、研”相結合的方式，總結北京典型煤礦采空塌陷監測取得的實踐經驗，針對深部應力集中層位的巖石斷裂事件進行監控，結合區域性地表形變監測，建立采空區“地-空”立體型監測技術示范研究，做到監測數據實時采集分析，提高區域性關閉礦山地質環境監測預警的整體技術水平（文興等，2014;郭玉豹等，2015）。

1 地質概況

監測示范區位于北京市房山區史家營鄉西岳臺村內礦集區的塌陷區，為西岳臺村至小村澗村約3.5km2區域內，西岳臺村及周邊地區采煤活動以改革開放以來開始活躍，經原北京市國土局批準的集體煤礦有村西的福增煤礦，村北的翁窯煤礦，村南的安岳煤礦。詳見圖1。

（1）福增煤礦

福增煤礦礦權范圍位于西岳臺村西，離村子500m以遠，開采侏羅系窯坡組煤層，巷道位于700m水平，其采礦活動對西岳臺村影響不大。

（2）翁窯煤礦

翁窯礦礦界位于西岳臺村北側，巷道處于790m水平，主要開采侏羅系窯坡組四煤層和二煤層，該二層煤呈透鏡體產出，開采方式為斜坡后退爆破陷落法，其它煤層薄，亦采用斜坡后退爆破陷落法開采，生成規模為6萬噸/年。礦山開采圍巖條件為山西組砂巖和粉砂巖，屬較堅硬巖體，裂隙和斷層不發育，一般很少支護，在接近煤層或在煤巷中，煤層及頂板巖體疏松，需要密集支護，廢棄坑道內巖石自然塌落高度一般為3m。

（3）安岳煤礦

安岳煤礦北界緊接西岳臺村南，開采石炭二疊系山西組煤層四煤層（M4）和五煤層（M5）。

監測示范區位于百花山向斜的東南翼，除局部地段發育小型層間褶皺外，地層總體走向北東，傾向北西，傾角25°左右。斷裂構造以小型為主，其中在青土澗西部為馬蘭斷裂帶的南延部分，小型斷裂較發育，造成窯坡組等地層呈斷塊狀多次重復。斷層總體走向北東40°左右，傾向西，傾角60°～80°。史家營西南斷裂相對較少，主要為北西和北東向，對地層亦有一定破壞作用。煤礦資源主要分布石炭系山西組和侏羅系窯坡組兩個地層單元中。

2 礦山分布及地面塌陷情況

監測示范區分布的采空塌陷災害有地面塌坑、地裂縫和建筑物變形，主要分布于村西和村南。經過現場地面調查，發現西岳臺村現有地面塌陷坑6個（圖2、表1），其中較大的塌陷坑2個，分布于村子中部西側;小塌陷坑（群）4個，分布于村子西部和南側。塌坑最長30m，最寬15m，最深12m，發生時間自2008年5月18日至2009年3月。其中5號塌坑和6號塌坑最大，位于西岳臺上街，呈串珠狀相連。

3 地面塌陷監測及數據分析

3.1地表形變監測網布置

（1）地表形變監測網

監測手段采用GPS、全站儀和水準儀等儀器。2015—2018年，在3.5km2研究區內根據規范要求及現場情況，沉降觀測測點埋設均采用汽車鉆打孔，水泥砂漿灌注，待測點過凝固期穩定后開始觀測。基準點埋設在影響區域以外的地區。結合現場實際情況，本次觀測埋設3個基準點，4個工作基點，埋設深度為2.50m，共計埋設15個沉降觀測點（圖3），埋設深度為1.50m。

（2）地表形變監測數據分析

以3次觀測初始值作為基準，監測分析2015—2018年期間累計沉降量變化趨勢，數據顯示監測區大部分區域基本穩定，符合前期勘查結果，判定監測區內采空區基本已過了活躍期。地表趨于穩定，但老采空區對區域內工程建設生產生活仍然具有巨大的潛在威脅，在局部地區仍存在較大的沉降。區內監測點年均沉降最大的為（DM12）-9.91mm與（DM13）9.68mm，沉降形成了公路房屋為中心明顯的沉降區，以此沉降區為中心周邊沉降量在6～7mm之間，主要分布在賈史公路路旁沉降區，沉降量在1～3mm之間（表2、圖4）。

3.2 微震監測布置及數據分析

微震監測技術用于監測巖體在變形和破壞過程中，裂紋產生、擴展、摩擦時內部積聚的能量以應力波的形式釋放，產生微震事件。IMS微震監測系統是被設計安裝于露天礦和地下礦等嚴酷環境中，也適用于非礦山的應用，如核廢料的地下儲藏，地表區域性地震監測，水壩壩體監測等（王書文等，2015;國巧真等，2005）。

（1）微震監測原理

微震產生機理，巖石變形時，局部地區應力集中，可能會發生突然的破壞，從而向周圍發射處彈性波，滑動產生P和S波（壓縮波和剪切波），兩者速度不同，P波>S波，可用三分量檢波器接收（圖5）。

三分量檢波器記錄的原始數據，經簡單處理后可得到微震記錄，其中每個微震都是P波在前，S波在后，他們都有3個分量：一個垂直分量（V），兩個水平分量（H1和H2）（蔡靜，2017;陳迪，2014）。

微震波形有體波（包括P波和S波兩種）和導波兩類，體波包括直達波、反射波、折射波等。其中最重要的是直達波，即從發震點直接傳播到檢測器被接收的微震，它在記錄到的微震數中占絕大多數。其特點是：在3個檢波器記錄上，每個分量上P波和S波成對出現，并且三個分量上的P波波至時間和S波波至時間分別相同。

（2）微震監測數據分析

IMS微震監測數據分析及判定主要使用Trace軟件。Trace 是一個軟件包，用來可視化和處理IMS地震系統收集的地震波數據。地震波處理是指確認P波和S波的到達，以估計地震事件的震源參數，如位置、輻射地震能和非彈性共地震形變（肖海平，2007;張睿，2014）。

2015年1月至2018年12月，IMS微震監測系統共接收微震事件5074起，經判定，有效微震事件10起，無效微震事件5064起（表3）。微震事件多為周圍小范圍巖體開裂或錯動導致，亦有可能是采空區頂板破碎帶局部擠壓或松動產生。部分發生采空塌陷區內巖石脆性破裂或剝落引起，10次微震事件與周邊自然地震事件相關。例如北京時間2016年04月19日01時10分，2016年11月03日19時43分40秒，中國地震臺網數據可查。通過多年數據統計微震事件多發期在7—11月，受外界環境因素影響較大。

微震事件判定主要從通過波形形態，能量，頻譜特征等方面進行判定。首先從波形形態上，通常微震事件發生后，由于每個微震都是P波在前，S波在后，所以微震事件在波形形態上表現為“二級跳”，即先接收到P波，形成能量較弱的波形，在之后S波達到后再次形成振幅較大的波。其次在能量量級上，微震事件能量是以質點速度表示的，作為震動幅度，微震事件能量范圍一般在E-6 到 E-4之間（楊志國等，2008;喬中棟等，2010）。最后在頻譜特征方面，微震事件通常不會連續發生，通常會形成獨立頻譜，見圖6。

4 討論

示范區采用水準聯測的方式進行地表測量，通過數據分析，監測數據波動可以確定7—11月第二、三季度，在DM6、DM12、DM13等點位，于6#塌陷坑周邊為沉降變化量較大區域。通過地表監測技術方法，可確定了閉坑煤礦礦山周邊的沉降量時空變化特點。

示范區采用深部巖層斷裂監測的方式進行監測，通過資料分析，鉆探工作確定采空區應力集中層，并規范安裝微震檢波器，監測實踐證明微震系統對區域內振動（擾動）事件采集靈敏度高，精度能夠滿足區域采空區微震事件的識別定位，可有效應用于閉坑礦山采空塌陷監測。

礦山地質環境監測工作是一項持續性的工作，需要不斷積累大量監測數據和成果。因此，地表形變測量和微震監測，仍要進一步加強后期監測數據的分析和系統的維護，保證監測工作的連續性和數據及時有效的采集分析。

5 結論

通過對比史家營采空塌陷區內靜力水準測量，結合IMS微震監測數據，綜合判定目前西岳臺采空塌陷區處于穩定狀態。

在下一步監測中針對史家營采空塌陷區內深部位移計、靜力水準、GPS監測站等專業地質災害監測數據，結合IMS微震監測數據，綜合判定目前西岳臺采空塌陷區狀態。

通過地—空監測手段發現采空塌陷區具有：1）隱蔽性。老采空區深埋于地下，人員難以進入，其特征一般難以弄清，采空區“活化”過程一般難以觀察。2）復雜性。其“活化”過程受多種自然和人為因素的影響，其“活化”機理、過程及其對地表的影響規律相當復雜。3）突發性。許多存在較大殘留礦洞的淺部老采空區，其失穩破壞常常是突然性的，其塌陷時間難以準確預計。

通過采空區微震事件的采集分析，初步提出了基于微震事件和地表沉陷預測、預警的方法，探索了采空區微震事件分布與地表沉陷的關系，通過區域性礦山地質環境監測修復技術的示范研究，將以地表形變監測為主的監測思路、方式提高到深部應力和巖層斷裂監測為主的監測思路、方式，揭示地表變形、塌陷形成的時空變化過程，提高監測的預警能力，為全國區域性、關閉礦山地質環境的監測起到示范推動作用。

參考文獻

蔡靜，2017.礦山采空區監測中微震技術的應用[J].世界有色金屬，（15）：242-243.

陳迪，2014.微震監測技術及其在井下救援中的應用分析[J].礦業安全與環保，41（1）：106-108+112.

國巧真，李富平，趙紅蕊，2005.采煤塌陷區監測技術研究現狀及發展趨勢[J].有色金屬（礦山部分）， （1）：25-28.

國巧真，魯明星，王紅新，等，2005.采煤塌陷區動態監測系統的研制及應用[J].礦業安全與環保，（3）：5-7+11-88.

郭玉豹，李京濂，冀虎，等，2015.基于IMS的玲南金礦微震監測系統的應用研究[J].有色金屬（礦山部分），67（2）：4-9+26.

劉洪濤，2011. 紅透山銅礦微震監測系統的建立及應用研究[D].東北大學.

劉建坡，石長巖，李元輝，等，2012.紅透山銅礦微震監測系統的建立及應用研究[J].采礦與安全工程學報，29（1）：72-77.

李海鷹，2007. RS與GIS技術在采煤塌陷區生態環境時空監測中的研究與應用[D].成都理工大學.

孟中華，2011. MAPGIS在金屬礦山地表巖層移動監測分析中的應用[J]. 礦業研究與開發，31（2）：18-20+62.

喬中棟，宋治紅，2010.礦山微震分析預測系統應用[J].巖石力學與工程學報，12（5）：74-75.

文興，郭曉強，2014.基于微震監測的采空區安全性分區分級研究[J].礦業研究與開發，34（7）：23-26.

王書文，毛德兵，潘俊鋒，等，2015.采空區側向支承壓力演化及微震活動全過程實測研究[J].煤炭學報，40（12）：2772-2779.

肖海平，2007.礦山變形監測信息系統的研制[D].江西理工大學.

楊志國，于潤滄，郭然，等，2008.微震監測技術在深井礦山中的應用[J].巖石力學與工程學報，27（5）：1066-1073.

張睿，2014.撫順市采沉變形監測信息系統建設與分析[D].東北大學.