河南省北部地区矿山开采引发的地面沉降监测研究

张青锁，于松晖，郑光明

（1.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016；2.河南省地质灾害防治重点实验室，河南 郑州 450016）

河南北部平原地区位于华北平原的西南部，地势西高东低，包括安阳市、濮阳市、鹤壁市、新乡市、焦作市、济源市等6个省辖市的31个县（市、区），面积约21641.00㎞²。自20世纪80年代以来，该地区的安阳市、鹤壁市、濮阳市、新乡市等均有不同程度地面沉降，进入21世纪后，随着社会经济的快速发展，人类活动对地下矿产资源的开发程度愈加强烈，地面沉降有加剧趋势［1-6］。地面沉降造成了公共设施破坏、线型工程受损、地面水准点失准、河流防洪能力降低［7，8］。建设完善的监测网络，开展地面沉降监测是制定地面沉降防控措施的基础。

建立河南北部矿山开采区地面沉降监测网，动态监测地面沉降分布和发育规律，可以为中原经济区发展规划、基础设施与重大工程建设、地质灾害防御、自然资源利用与管控提供科学依据。

1 矿山开采区地面沉降监测网建设

矿山开采区地面沉降监测网建设保持了控制监测和重点监测的相协调。在监测网的结构和专业监测的设置、具体监测手段的配置上，体现系统性和完整性。根据矿山地质条件及以往工作获取的地面沉降状况，结合经济社会发展规划，重点监测区参考地下水降落漏斗范围，兼顾河南省北部地区规划，主要以重大工程为研究重点，以水准剖面测量和自动化监测为主，重点监测矿山开采区周围地面沉降地裂缝形变特征。其他区域进行控制性监测，主要采用GNSS监测、地下水监测进行宏观区域性监测。

1.1 GNSS监测网

考虑到GNSS网监测成果的以后应用，参考原有A、B级控制网及CORS基准站作为控制网起算数据；首级监测网以能够满足下一步GNSS监测网优化布设为原则，点位尽可能均匀分布，B级GNSS点选点在满足矿区需要的同时控制范围尽可能要大，平均距离50 km；充分利用符合GNSS布点要求有二、三等国家控制点和其他相应等级的控制点标石；GNSS网应有一个或若干个独立观测环构成，但闭合环的边数或附合路线的边数一般情况下不大于6条。本次布设的GNSS监测网共有83个监测点，其中新建B级GNSS监测点66个（全部为土层天线墩），搜集GNSS监测点17个。

1.2 地面水准监测网

水准监测网重点布设在矿区地下水降落漏斗范围，主要有两个监测区：清丰—南乐监测区和孟州—温县监测区。本次水准网建立了二等水准监测点200个。其中，清丰—南乐监测区涉及安阳市文峰区、安阳县、内黄县、滑县、汤阴县、濮阳市华龙区、南乐县、清丰县、鹤壁市浚县等，面积约3520km²，建设二等水准点150个；孟州—温县监测区涉及沁阳市、孟州市、武陟县、博爱县、温县等县市，面积约1040km²，建设二等水准点50个。监测频率1次/年。

1.3 自动化监测网

自动化监测点建设参照连续运行参考站建设要求，用于对监测点的地面沉降情况进行实时监测和数据定时上报。本次建设自动化监测点13个。监测频率为2次/天，上报1次/天。

1.4 地下水监测网

根据矿山开采区地下水开采情况、开采井孔分布情况及井孔利用和保护程度，本次共布置地下水动态监测孔80个，其中浅层地下水监测井59个，中深层地下水监测井21个。布置地下水统测孔400个。其中浅层地下水统测井344个，中深层地下水统测井56个。监测方法采用了人工观测与仪器观测相结合方式进行。人工观测的监测孔监测频率为5天1次，仪器观测的频率为1天1次。

2 监测网试运行结果

2.1 区域地面沉降空间特征

根据GNSS监测结果，绘制了GNSS监测地面沉降等值线图（图1）。经统计分析，2016-2017年工作区大部分区域发生了沉降（表1），沉降面积18909.9 km²；最大年沉降量106.5mm，年沉降量0mm～40㎜的面积达17165.8 km²，占工作区79.4%。

表1 工作区GNSS监测地面沉降面积统计表

-90～-80 103.5 0.5-100～-90 96.6 0.4≤-100 74.0 0.3合计 21641.0 100.0

2.2 重点监测区地面沉降特征

（1）南乐县矿山开采沉降监测区。根据水准监测结果，该区存在3个明显沉降中心：内黄县田氏镇沉降中心，最大年均沉降量为74.5mm；年沉降量大于70mm的沉降面积约0.04km2。南乐县韩张镇郭庄村沉降中心，最大年均沉降量为58.6mm；年沉降量大于50mm面积为1.27 km²。浚县屯子镇沉降中心，最大年均沉降量为47.5mm；年沉降量大于40mm的面积为1.40 km²。

（2）温县矿山开采沉降监测区。该区沉降中心位于武陟县宁郭镇大聂村学校附近，最大沉降量45.7mm。沉降量大于30mm的面积14.10km²。

图1 GNSS监测地面沉降等值线图

表2 地面沉降发育程度分区表

2.3 矿山开采区地面沉降特征

本次工作在新乡市和濮阳市2个主要城市布置了地面沉降自动化监测点。新乡市7个监测点均存在不同程度的沉降，年沉降量1.4mm～15.1mm；濮阳市6个监测点有5个均存在不同程度的沉降，年沉降量1.2mm～11.7mm，另外有1个监测点上升5.8mm。

3 地面沉降发育程度分区

根据GNSS监测、水准监测、自动化监测成果，综合确定工作区地面沉降发育程度分级标准：年沉降速率大于等于50mm/a为地面沉降强发育区域，50mm/a～30mm/a为地面沉降中等发育区域，30mm/a～0mm/a为地面沉降弱发育区域，上升大于0mm/a为上升区域。据此将工作区划分为20个地面沉降发育区域（表2）。其中4个地面沉降强发育区域，面积约221.61km²，占总面积的1.03%；10个地面沉降中等发育区域，面积约2081.41km²，占总面积的9.61%；4个地面沉降弱发育区域，面积约18973.11km²，占总面积的87.66%；2个上升区域，面积约366.53km²，占总面积的1.70%。

4 结束语

（1）为了监测河南北部地区矿山开采引发的地面沉降，本次工作建设了地面沉降监测网各种设施279个，其中建立了GNSS观测墩66座，埋设水准标石200座，建设自动化监测点13座；初步建成一个完整的地面沉降监测网。监测网经过试运行，获取了工作区地面沉降数据，为河南省北部地区矿山开采区引发地面沉降防治提供基础数据依据。

（2）监测结果显示河南省北部大部分矿山开采区域都发生了不同程度的沉降情况，重点监测区有4个沉降中心。有4个地面沉降强发育区域，10个地面沉降中等发育区域，4个地面沉降弱发育区域，2个上升区域。经过与地下水位监测成果对比，矿山开采区地面沉降强发育区域与地下水位强烈下降区范围基本一致，说明地下水位变化对矿山开采区的地面沉降有较大影响。