国家级矿山地质环境监测基础设施的建立

张书华，陈洪年，李洪亮（山东省鲁南地质工程勘察院，山东兖州272100）

1 概述

近年来，随着煤炭企业的深入开采，各地都出现了面积、深度不等的塌陷地。多处农田被毁，庄稼被淹，树木、植被被淹，以至枯死。为了改善地质环境，恢复耕地，变废为宝，国家从各地矿山企业征收的税费中拿出大量的资金进行矿山地质环境治理。治理效果如何？治理后的环境会如何变化？从哪些方面、以何种方法去监测此种地灾现象引起的各种变化？目前仍是地学界正在热议的问题。

邹城市位于山东省西南部，是典型的资源型城市，该市境内煤炭资源丰富,含煤面积357km2,占境域面积的22%,地下煤炭储量达41×108t,是全国8大煤炭生产基地之一[1]。多年来,煤炭开采在带动地方经济快速发展的同时,也带来了采煤区塌陷等毁坏耕地、破坏生态等人为地质灾害方面的问题。为了改善生态环境，最大限度地恢复塌陷区土地耕作条件，该市多方筹措资金1.8亿元，先后实施了平阳寺403hm2、北宿唐村373hm2和北宿800hm2三大重点治理工程，累计综合治理采煤塌陷地2067hm2，恢复耕地733hm2[2]。为了掌握矿区的地质环境变化规律，检验矿山地质环境治理工程效果，指导后期的矿山地质环境治理工程，必须对治理区实行全面监测。邹城市国土资源局委托中国地质大学（武汉）进行地质环境监测设计，随后监测单位进行为期10年的地质环境监测，监测基础设施现已布设完毕，各种仪器设备也已购置妥当，现分述如下。

2 工程概况

2.1 工作区概况

邹城市地处山东省西南部,辖区总面积1616km2。“邹城市太平采煤区矿山地质环境治理示范工程（一期）监测工程”位于邹城市西侧——太平镇平阳寺村，处于新济邹路与泗河交叉处，新济邹路路北，泗河东侧，属兖州煤田范围。

该地区气候属暖温带，为东亚大陆性季风气候区，四季分明，降水集中，雨热同步，冷热季和干湿季区别明显。全市年平均太阳辐射总热量120.64kcal/cm2，年日照时数为2l51～2596h，平均占可照时数的55%，年平均气温为14.1℃，日平均气温稳定超过0℃农耕期297d，其间大于0℃的积温为5217℃，日平均气温≥10℃的活动积温为4697℃，持续217d。全年无霜期平均为202d，平均初霜日在10月28日，平均终霜日在4月8日。年平均降水量为777.1mm，主要集中在6、7、8月份，年最大降水量为1225.5mm，年最小降水量为434.4mm，年际之间和年内各季节的降水极不平衡。历年平均相对湿度64%。该地区水系属淮河流域，主要河流有泗河、白马河，属季节性间歇河流，汛期有水，冬春干涸，源短流急，含砂量大。

2.2 完成工作量情况及购买的主要仪器设备

为了完成该项目的监测设计意图，必须建立相应的基础设施，经过几个月的努力，我们完成了本监测项目工程的所有施工。主要包括地面沉降位移监测桩、GPS监测标墩、地表水监测桩（直立式水尺）、深孔水文钻探、成井、浅孔水文钻探、成井、挡墙位移监测桩、土壤肥力监测断面线标桩、岸坡侵蚀监测标桩埋设等分项工程，完成的主要实物工作量见表1。

表1 监测部署工程实物工作量一览表

为了完成该监测工程，购置了索佳全站仪2台，天宝DiNi03高精度电子水准仪2台，GPS观测墩强制对中归心盘（不锈钢）17套，Trimble GPS接收机2台套，进行地面位移监测；购置裂缝报警器28个，进行建（构）筑物变形监测；购置直立式水尺14根，HI9804多参数水质分析仪1台，有机玻璃取水器2个，进行地表水监测；购置干湿球温度计2个，湿敏电容1个，雨量器2个，小型蒸发器1个，地表面湿度表1个，风速仪1个，风向仪1个，进行气象监测；购置离心水泵2台，购置加拿大SOLINST公司自动水位探头20只，水位读数仪2台，有机玻璃取水器2个，多参数水质分析仪2台，电缆940m，进行地下水监测；购置TRIME-PICO TDR便携式土壤水分测量仪1台，螺旋取土钻5台，铁锹4把，样品袋7540个，样品箱2个，进行土壤监测。

3 各监测设施施工

3.1 GPS监测墩施工

在选定位置按1.2m×1.2m进行开挖，深度超过1.5m。观测标桩用钢筋混凝土在选定的点位浇制，混凝土采用C25，浇筑时应边浇筑边用钢钎捣实。安装对中盘，盘面应水平，孔应垂直，对中盘面倾斜不大于2mm，并在点的记录中注明对中孔的深度、孔径以及观测时带的工具。强制对中观测标桩埋设后，在标桩的朝南侧注明点名、编号、埋设单位、埋设日期和“GPS“字样。基准标墩和变形点测量标墩结构参见图1。

GPS观测墩施工工序：现场实地踏勘和选点→测量放点→土石方开挖→钢筋制作和安装→模板和混凝土工程→强制对中盘、水准标点安装→施工现场看护→拆模和模板转移→油漆喷涂和保护罩的安装→观测墩的装饰、装修。

3.2 地下水监测井施工

（1）深层地下水监测井施工。本次共施工深层孔隙水监测井4眼，DS1号孔位于监测区东北部的湖心岛中，孔深175m；DS2号孔位于邢村东南角，TX1和TX2塘之间南侧，孔深185m；DS3号孔位于平阳寺村南侧，孔深200m；DS4号孔位于平阳寺镇鲍店煤矿风井附近，孔深135m。本次施工采用SPJ-300型水文钻机，先用∅168mm钻具取芯钻进，进行水文地质岩芯编录，确定监测的含水层位置和止水位置；采用∅450mm分翼式钻头扩孔后，下入∅219mm钢管和桥式滤水管，采用夹板提吊焊接法下管；管外采用粘土球止水，止水深度分别为160m、182m、141m和80m；成井结束后进行了洗井和抽水试验工作，并取水样送检。

（2）浅孔水文钻探、成井。浅层地下水监测井施工方法和工序与深层孔施工一致，采用SPJ-300型水文钻机，先用∅168mm钻具取芯钻进，进行水文地质岩芯编录，确定监测的含水层位置和止水位置；采用∅450mm分翼式钻头扩孔后，下入∅219mm钢管和桥式滤水管，采用夹板提吊焊接法下管，成井深度均为25m；管外采用粘土球止水。本次施工完成浅层水监测孔19眼，成井结束后均进行了洗井和抽水试验工作，并取水样送检。

图1 GPS监测墩设计图（单位：mm）

3.3 水准监测点埋设施工

埋设水准标石，首先应挖一深100cm、长宽各70cm的基坑，倒入混凝土，厚度约20cm，捣实，然后将标石放入基坑，让混凝土与标石凝结在一起，再将土回填、夯实，盖以小水泥上盖，砌0.6m×0.6m保护池，池边高出自然地面10～20cm，盖水泥护盖，旁立一水泥指示桩，喷以“测量标志，严禁碰动,法律保护，违者必究”字样。水准标石的埋设尺寸如图2所示。

4 主要仪器设备及用途

4.1 地下水监测仪器的安装及用途

深层地下水监测采用加拿大生产的Solinst M3001 Levelogger Edge——“锐界”系列地下水液位、温度自动记录仪。其工作原理如图3所示。

观测动态水位为基岩承压水，监测装置能实现地下水连续自动监测，可将监测数据通过无线传输系统自动传输至室内监测中心，并实现地下水监测省内联网，实现了从手工量测到水位、水温自动记录的重大变革。

4.2 地表水监测仪器设备及用途

按照设计要求，分别在监测区内的泗河、白马河上游和下游，5个主要塌陷积水坑塘和生活污水排放点安装直立式水尺。首先将靠桩打入至水底，水尺靠桩入土深度1.5m。安装水尺时，采用水下下套管方法将水排出，套管内下挖1m，待水尺立稳且垂直水面后，用铁丝将水尺和靠桩绑牢，在水尺和靠桩下部浇注混凝土凝固。本次施工完成14个地表水环境监测点，质量均达到合格要求。

图2 地面塌陷观测桩埋设示意图(单位：mm)

4.3 地下水观测设备及安装

为完成地下水监测工作，我单位购置2台多参数水质分析仪（smarTROLL MP手持式多参数水质监测仪，尺寸4.7cm外径×26.9cm，每10s读1次）及其他监测设备，地下水观测设备仪器详见表2。

4.4 测量设备的投入

图3 深层地下水自动监测原理示意图

表2 地下水监测主要设备仪器一览表

表3 沉降监测主要设备仪器一览表

为圆满完成本次监测任务，我单位购置全站仪2台（索佳FX101，基本参数测角精度1秒，测距精度2mm+1ppm，1秒级全站仪），购置天宝接收机1+1台（美国天宝光谱EPOCH 50 GNSS，精度指标:静态平面±3mm+0.1ppm，RTK平面±10mm+1ppm，静态垂直±3.5mm+0.4ppm，RTK垂直±20mm+1ppm），购置水准仪2台（天宝DiNi03，测距范围1.5～100m，观测精度达0.3mm，最小显示0.01mm）。沉降监测部署工程中监测仪器、设备材料的采购、运输、保管、检验、埋设安装均已完成，投入的主要设备仪器见表3。

4.5 裂缝报警器购置及安装

使用拉线法安装裂缝报警器。具体实施方法：将裂缝两侧处理干净，贴上十几厘米长的宽透明胶带，用刀片沿裂缝割断胶带。撕开报警器背面胶纸，横向固定于裂缝的一侧，在裂缝的另一侧固定一颗钉子，拉线一头缠绕于钉子上，保持拉线处于绷直状态，使报警器处于工作状态。根据设计要求在监测区共布置28个建（构）筑物变形监测点,购买28个裂缝报警器，施工数量、质量均合格，达到设计要求。

4.6 小型气象设备安装及用途

为了监测监测区的气候变化情况，我们在监测区中部安装了小型气象站。气象站结构：风速传感器安装在西边的风杆上；风向传感器安装在东面的大杆上；温、湿传感器安装在北边的大支撑杆上；蒸发量传感器安装在西南角，上空无任何遮挡；雨量传感器安装在原来虹吸雨量计的位置上，上面无任何遮挡；浅层地温传感器安装在原曲管地温表东面扩展的裸地内；深层地温传感器安装在原直管地温表的南侧，与原直管地温表相0.5m，东西方向排列。仪器间南北间距2m，东西间距3m，仪器距围栏距离3m。安装的设备主要有：干湿球温度计2个，湿敏电容1个，雨量器2个，小型蒸发器1个，地表面温度表1个，风速仪1个，风向仪1个，气压计1个，质量全部合格。

5 结论

通过以上施工和安装工程，共完成了9大类，共12项监测项目的设施安装，各项施工都满足或高于设计标准，该项目已通过业主——国土资源部门的验收，各分项及总体工程皆满足设计及相关规范要求。目前，该项目已投入运行，各项监测工程正在有条不紊地进行。矿山地质环境监测是最近几年才兴起的一种监测工作，监测内容涵盖了工程测量、水文地质和环境地质的诸多内容。如何能够全面而有效地进行监测？监测应该达到何种最佳监测效果？还需要各方面的专家共同探讨。希望各界同仁共同探讨，不吝赐教，以期取得更好的监测效果。

[1]许开营，刘阳.邹城市综合治理采煤塌陷地成效显著[J].山东国土资源，2007，23(12):39-40.

[2]李庆强，苗伟.邹城市采煤塌陷地治理存在的问题及建议[J].山东国土资源，2011，27(4):35-39.