專利名稱：一種井工開采區(qū)地表環(huán)境損傷的監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及井工開采區(qū)地表環(huán)境損傷的監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
風沙區(qū)的主體礦區(qū)位于我國黃土丘陵與毛烏素沙漠之間，沙漠化及潛在沙漠化土地面積約占總面積的85%。沙層上覆的薄表層土顆粒較為松散，人為干擾或惡劣天氣的侵擾均會導(dǎo)致其迅速分散，并發(fā)土壤侵蝕。隨著我國煤炭開采“戰(zhàn)略西移”，勢必也將對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境帶來相應(yīng)的負面影響，其主要破壞形式為地表移動變形引起的塌陷、地表裂縫以及由此引起的土壤質(zhì)量損傷。目前，許多學者從遙感與遙測以及現(xiàn)場實地監(jiān)測等多個尺度對該區(qū)域進行比較廣泛的研究。遙感與遙測屬于大尺度調(diào)查的范疇，部分研究成果表明，煤炭開采導(dǎo)致該類型的部分區(qū)域內(nèi)景觀破碎度的增加；雷少剛(荒漠礦區(qū)關(guān)鍵環(huán)境要素的監(jiān)測與采動影響研究，中國礦業(yè)大學博士論文，2009)利用多時序的遙感圖像，通過植被覆蓋指數(shù)(NVDI)與區(qū)域 內(nèi)的大氣降水量之間的關(guān)系以及熱表征慣量反演地表含水量等研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域煤炭開采對植被生長以及地表水變化影響不大，主要受大氣降水量的影響；神華遙感勘查有限責任公司2010年完成的“神華礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查及環(huán)境治理綜合研究”項目，對該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害、水環(huán)境以及水土污染四個方面的水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)狀，并進行了采煤對地質(zhì)環(huán)境的影響評估、預(yù)測、治理措施及成效的研究。而在小尺度調(diào)查領(lǐng)域針對地表移動規(guī)律，宣以瓊(薄基巖淺埋深煤層覆巖破壞移動演化規(guī)律研究，巖土力學，2008，2 (29) :512 516)等采用模擬試驗或理論推算的方法研究了該類型開采的覆巖破壞移動規(guī)律、壓力顯現(xiàn)和沉陷預(yù)計；針對地裂縫，吳侃(吳侃，胡振琪，常江，葛家新.開采引起的地表裂縫分布規(guī)律中國礦業(yè)大學學報，1997，26 (2) 56 59)等針對中東部地表裂縫進行大量研究，部分學者也初涉了風沙區(qū)地裂縫研究；針對土壤損傷，趙紅梅等也開展了部分研究。然而，上述研究結(jié)論卻不盡相同，采煤塌陷對風沙化地區(qū)的土地生態(tài)影響程度沒有統(tǒng)一定論，究其原因可能是風沙區(qū)土地的土地受損有特定的演化過程，從長期看也許逐漸會自修復(fù)，但短期內(nèi)勢必會有影響。因此，需要從開采損傷全過程的角度去研究動態(tài)演化規(guī)律，而以往的研究，主要是對塌陷后的土地選擇適宜的位置進行取樣分析，缺乏動態(tài)觀測地表損傷。風沙區(qū)采煤沉陷地土地損傷監(jiān)測方法的難點在于I)風積沙層的存在，采動引起的土地損傷的形式與中東部地區(qū)存在明顯差異，損傷因子的監(jiān)測位置的選取非常困難；2)風沙區(qū)煤礦主產(chǎn)區(qū)多為快速推進開采，損傷因子(特別是地裂縫、地表水)的時空演變數(shù)據(jù)變化速率很快，獲取其變化的全過程中的完整的信息非常困難。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于，提出一種井工開采區(qū)地表環(huán)境的監(jiān)測方法，以更加全面科學地檢測土地損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供數(shù)據(jù)信息。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種井工開采區(qū)地表環(huán)境的監(jiān)測方法，所述方法包括以下步驟a、布設(shè)地表移動觀測站在采煤工作前，采用剖面法在下沉盆地的主斷面分別布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線，所述觀測線由多個地表移動觀測站組成，觀測線的兩端應(yīng)保證超出采動影響范圍；b、觀測開采擾動前后觀測站的空間位置的變化數(shù)據(jù)，獲取地表移動信息；C、監(jiān)測動態(tài)裂縫，對工作面前端新出現(xiàn)的地表動態(tài)裂縫進行監(jiān)測，測定隨工作面的推進動態(tài)裂縫寬度的變化；
d、獲取土壤淺層含水量的時序變化規(guī)律根據(jù)工作面推進位置，選取工作面前端未受采動影響區(qū)布設(shè)采樣區(qū)，在傾向方向上工作面邊界的外部相似區(qū)域設(shè)置對照采樣區(qū)，通過同一觀測時段采樣區(qū)與對照采樣區(qū)土壤水分含量的差值，得到隨工作面的推進過程中采煤擾動對土壤水分含量的變化；e、獲取土壤理化性質(zhì)的時序變化規(guī)律根據(jù)工作面推進位置，選取工作面前端未受采動影響區(qū)，沿工作面傾向布設(shè)土壤取樣點，測定不同采煤擾動程度下土壤理化性質(zhì)的變化。優(yōu)選地，步驟c中采用如下過程監(jiān)測地表動態(tài)裂縫寬度變化Cl、找出最前端裂縫當工作面推進到第一位置為A時，對其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進行標記觀測，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進而發(fā)育的裂縫，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測定最前端裂縫的第二位置為B，得到第二位置與第一位置之間的距離C ；c2、建立數(shù)學模型重復(fù)過程Cl得到多個工作面的第一位置Al，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置與第二位置的距離Ci，建立三者的數(shù)學模型，Bi =Ai+C’，其中C，為多個Ci的數(shù)學期望，i = 1,2. .n ；c3、根據(jù)過程b建立的數(shù)學模型，在與工作面距離C’的期望位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫作為觀測裂縫，測定該多條裂縫隨工作面推進的多個寬度變化，測定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測裂縫；c4、在不同的工作面位置，重復(fù)過程c3，得到多個最佳觀測裂縫的寬度變化數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，所述步驟b中，獲取的地標移動信息包括根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別得到地表下沉、傾斜、曲率、水平移動以及水平變形五條典型曲線，以及下沉系數(shù)、拐點偏移距、超前影響角、裂縫角、最大下沉速度滯后角和/或主要影響半徑數(shù)據(jù)。優(yōu)選地，步驟e中，采樣點沿傾向方向布設(shè)，土壤理化性質(zhì)包括土壤容重、孔隙度、PH、電導(dǎo)率、有效P、速效K。優(yōu)選地，步驟c中在檢測動態(tài)裂縫時，進一步監(jiān)測工作面邊界附近的靜態(tài)裂縫，方法如下確定下沉盆地邊界附近最大正水平位置，利用全站儀等測量設(shè)備以及鄰近的地表移動觀測站，將靜態(tài)裂縫帶劃分為多個觀測剖面，分別測量其最外側(cè)裂縫、最內(nèi)側(cè)裂縫以及主裂縫的空間位置和屬性。優(yōu)選地，所述步驟d中，進一步監(jiān)測采樣區(qū)裂縫對土壤水分的影響，方法如下在裂縫兩側(cè)距離裂縫不同的位置對稱布置采樣點，測定隨工作面的推進裂縫兩側(cè)不同位置土壤水分的變化。優(yōu)選地，步驟c中在觀測裂縫寬度的同時，還觀測裂縫的長度和落差的變化。優(yōu)選地，步驟c中測量裂縫寬度時，在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測棒，測量裂縫初始寬度Lo，以及兩端觀測棒的距離Do，后期測量觀測棒的距離Di，通過公式Li = Lo+(Di-Do)計算裂縫寬度Li,其中i = 1,2. n。優(yōu)選地，在每條裂縫上布設(shè)多個寬度測量點，寬度測量點之間的間距為3-5米。優(yōu)選地，步驟c中動態(tài)裂縫的觀測周期T > 2B/V，其中B為工作面走向方向連續(xù)裂縫帶的寬度，V為工作面日推進速度，觀測工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。
優(yōu)選地，步驟c中，進一步根據(jù)公式L=Ho*tan※甘算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，^為最大下沉速度滯后角，在工作面與觀測裂縫之間的距離D < 2L時，加大觀測頻率，當D > 2L時，減小觀測頻率。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的井工開采區(qū)地表環(huán)境的監(jiān)測方法，結(jié)合開采沉陷學、測繪學、土壤學以及環(huán)境科學等學科的特點，通過建立地表移動觀測站監(jiān)測地表移動規(guī)律，此外建立了工作面最前端裂縫與工作面位置之間的數(shù)學模型，為以科學地監(jiān)測動態(tài)裂縫的生長發(fā)育情況，在此基礎(chǔ)上，通過選擇合適區(qū)域，隨工作面推進對土壤含水量以及土壤理化性質(zhì)進行監(jiān)測，以更加全面科學地檢測土地損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論支撐。


圖I為本發(fā)明中基準線和觀測站的布設(shè)示意圖；圖2為本發(fā)明中裂縫寬度的觀測示意圖；圖3為本發(fā)明的一個實施例中裂縫寬度隨工作面推進的變化趨勢圖；圖4為靜態(tài)裂縫的觀測示意圖；圖5為土壤水分含量的監(jiān)測示意圖。
具體實施例方式下面以本發(fā)明所述方法在薄基巖風沙區(qū)工作面前端裂縫生命周期監(jiān)測中的實際應(yīng)用為例，對本發(fā)明進行詳細說明。然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認識到，本發(fā)明并不因此而受到任何限制。為了科學全面地監(jiān)測風沙區(qū)采煤沉陷地土地損傷，本發(fā)明結(jié)合開采沉陷學、測繪學、土壤學以及環(huán)境科學等學科的特點，分別對采煤所引起的地標移動、裂縫發(fā)育、土壤淺層含水量變化和土壤理化性質(zhì)變化進行了監(jiān)測，具體如下第一步布設(shè)地表移動觀測站。為了獲取研究區(qū)域的地表下沉、水平變形等地表移動規(guī)律，從而為劃定土壤損傷以及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的重點監(jiān)測區(qū)域奠定基礎(chǔ)。在工作面開采之前，采用剖面法在下沉盆地的主斷面分別布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線，所述觀測線由多個地表移動觀測站組成，地表觀測站布設(shè)形式可以參見《煤礦測量試行規(guī)范》，布設(shè)長度滿足充分采動條件即可，即觀測線的兩端應(yīng)保證超出采動影響范圍。圖I示出了地表移動觀測站的一種布設(shè)形式的示意圖，其中I為走向觀測線，2為傾向觀測線，3為觀測站，觀測站之間間隔10-40米布設(shè)，并在布設(shè)后使用比如經(jīng)緯儀導(dǎo)線和水準測量的方法測定觀測站的空間坐標。第二步地表移動規(guī)律的獲取。隨著工作面的開采推進，工作面上方地表會出現(xiàn)擾動變形。通過全面觀測以及加密水準觀測等方法，測定擾動前后觀測站的空間位置的變化數(shù)據(jù)，進而得到地表移動規(guī)律。觀測頻率以及觀測周期可以參見《煤礦測量試行規(guī)范》。例如，可以分別得到地表下沉、傾斜、曲率、水平移動以及水平變形五條典型曲線的表現(xiàn)形式，并獲取下沉系數(shù)、拐點偏移距、超前影響角、裂縫角、最大下沉速度滯后角和/或主要影響半徑等數(shù)據(jù)。第三步地表裂縫的監(jiān)測。工作面開采過程中，地表會出現(xiàn)裂縫。通過第二步獲取的地表移動規(guī)律，結(jié)合開采沉陷學的經(jīng)典理論，地裂縫可分為位于工作面內(nèi)部的“動態(tài)裂縫”以及工作面邊界附近的 “靜態(tài)裂縫”兩種表現(xiàn)形式。其中，動態(tài)裂縫隨工作面的推進可能存在“開裂-閉合”的特征，可以較好地體現(xiàn)地表的損傷修復(fù)過程，因此對地標裂縫的監(jiān)測以動態(tài)裂縫為主。動態(tài)裂縫的監(jiān)測方法對工作面前端新出現(xiàn)的地表動態(tài)裂縫進行監(jiān)測，測定隨工作面的推進動態(tài)裂縫寬度的變化。然而由于工作面最前端裂縫是裂縫發(fā)育全過程最好的檢測對象，而在風沙區(qū)，地表可能被松散層所覆蓋，導(dǎo)致工作面最前端裂縫的產(chǎn)生初期在地表的表征很微弱。此外，一些植物的根系生長也可能導(dǎo)致地表的開裂，從而最前端裂縫的辨別帶來很多干擾信息。故此，優(yōu)選地，需要結(jié)合工作面開采的位置，采取措施找出最前端裂縫，進而監(jiān)測動態(tài)裂縫的寬度變化。具體過程如下I、當工作面推進到第一位置為A時(工作面與開切眼之間的距離)，對其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進行標記觀測，利用其周邊的地表移動觀測站作為控制點，架設(shè)全站儀或者其它測量設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場情況，在一段合適的時間內(nèi)(比如4-10天)觀察這些疑似裂縫的發(fā)育情況，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進而發(fā)育的裂縫(即長度或?qū)挾葧兓牧芽p)，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置A距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測定最前端裂縫的第二位置位B，得到第二位置B與第一位置A之間的距離C。II、建立數(shù)學模型。重復(fù)過程a的方法，得到多個工作面第一位置Ai，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置Ai與第二位置Bi之間的距離Ci (i = 1，2. . n)，利用最小二乘法建立三者的數(shù)學模型，Bi = Ai+C’，其中C’為多個Ci的數(shù)學期望，從而為下一步觀測對象的選取及其最初狀態(tài)的幾何信息的獲取奠定基礎(chǔ)。III、根據(jù)過程II建立的數(shù)學模型，在與當前工作面距離為C’的期望位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫(比如4條裂縫)作為觀測裂縫，測定該多條裂縫隨工作面推進的多個寬度變化，測定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，并從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測裂縫。裂縫寬度的變化情況可采用如下方法測量，如圖2所示，其中4為體表裂縫，5為觀測棒，6為鋼尺。在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測棒，測出該處裂縫初始寬度Lo(可直接使用鋼尺測量)，以及兩端觀測棒的距離Do，后期只需測量觀測棒的距離Di (i =1，2..11，為測量次數(shù))，通過公式1^ = 1^+(01-00)計算出每次測量時的裂縫寬度Li。另夕卜，由于裂縫較長，因此每條裂縫上可以設(shè)置多組觀測棒，間隔3-5米設(shè)置，實際操作中，還可根據(jù)裂縫的發(fā)育情況及時加設(shè)觀測棒。此外，觀測棒應(yīng)盡量垂直于地面，嵌入土中，埋深不少于20cm。其中，為盡量減少野外工作量，可以進一步利用經(jīng)驗公式確定觀測的周期及頻率。隨著工作面的推進，對裂縫進行持續(xù)觀測，根據(jù)盆地內(nèi)走向方向連續(xù)裂縫帶的寬度B，和工作面日推進速度V，優(yōu)選地，每條裂縫的觀測周期T > 2B/V,觀測工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。裂縫寬度的變化與地表活動劇烈程度有關(guān)，可以用地表下沉速度以及地表達到最大下沉速度時與工作面距離L (通常表述為最大下沉速度滯后距)反映，因此，優(yōu)選地，應(yīng)該與根據(jù)被觀測的裂縫的位置與工作面位置之間距離d與L的貼近程度調(diào)整觀測頻率，當 裂縫寬度變化較大時，需要加大觀測頻率；當裂縫寬度變化較小時，減小觀測頻率。通常情 況下，可以利用最大下沉速度滯后角以，根據(jù)公式L=Ho*tan以計算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深。根據(jù)先前布設(shè)的裂縫觀測基準線上地表移動觀測站在采動過程中高程的變化數(shù)據(jù)，即可計算出最大下沉速度以及0，進而得到L的大小。在工作面與觀測對象二者之間的距離D < 2L時，觀測頻率相對較大，尤其是在O. 5L < D< I. 5L時，應(yīng)進行加密觀測，當D > 2L時，觀測頻率應(yīng)相應(yīng)減小。為更好地獲取裂縫的變化情況，優(yōu)選地，在測定裂縫寬度變化的同時，還可以同時測量裂縫的長度、深度、落差變化情況。例如，通過最近的觀測站，用全站儀在裂縫的兩端用導(dǎo)線測量的方法確定裂縫兩端的坐標位置，并繪制到工作面的井上下對照圖，利用兩點坐標求的裂縫長度。IV、為了更加全面地觀測裂縫隨工作面的推進的生長發(fā)育情況，重復(fù)過程III，以便在不同的工作面位置，得到多個最佳觀測裂縫的發(fā)育情況。進一步，利用獲取的裂縫的寬度信息繪制單條裂縫寬度信息的變化趨勢圖，分析各主要典型性階段的持續(xù)時間和工作面推進量，通過多條裂縫的統(tǒng)計信息，總結(jié)該區(qū)域地表裂縫的完整的生命周期。以下對動態(tài)裂縫的監(jiān)測舉例說明針對某礦區(qū)的采動裂縫監(jiān)測，使用上述方法獲取的裂縫寬度信息繪制了裂縫寬度隨工作面推進的趨勢圖，如圖3所示，該裂縫上設(shè)有5個觀測點，其中■代表1#、·代表2#、▲代表3#、▼代表4#和4代表5#。當前工作面距離開切眼的位置為454m時，該裂縫最早出現(xiàn)，超前工作面7m ;工作面向前推進19m時，裂縫呈現(xiàn)出最大表征，其中5#信息采集點由3. 3mm遞增到25mm左右，變化速度約為I. 158mm/m。該區(qū)域?qū)?yīng)的為Al階段，在此階段內(nèi)，#1、#2、#3、#4四個信息采集點的裂縫寬度均遞增，屬于裂縫發(fā)育階段。工作面繼續(xù)向前推進42m時，5個信息采集點的寬度整體處于下降狀態(tài)，在515m處信息采集點的寬度值趨于0，從地面表征上來看，裂縫整體也處于愈合狀態(tài)。當工作面繼續(xù)推進至565m時，裂縫基本無發(fā)育，對應(yīng)的區(qū)域為圖上的A2階段；在裂縫發(fā)育的第一個半周期，從出現(xiàn)-發(fā)育-閉合及其穩(wěn)定，工作面總計推進了約111m，此時工作面超前裂縫的位置為 104m。當工作面繼續(xù)向前推進至577m時，裂縫在先前位置重新裂開，5個信息采集點處裂縫的寬度均小于第一個階段發(fā)育為最大值的情況，該階段對應(yīng)的A3區(qū)域，屬于地表松動階段，此時工作面超前裂縫116m。從577m處直至613m處，裂縫寬度的變化很微弱，該階段對應(yīng)的為A4區(qū)域，定義為漸穩(wěn)定階段，此時工作面超前裂縫152m ;后期裂縫逐漸趨于閉合狀態(tài)，該階段對應(yīng)的A5區(qū)域，定義為完全愈合階段，后續(xù)的觀測結(jié)果顯示，裂縫沒有繼續(xù)裂開的現(xiàn)象，此時工作面超前裂縫219m.各階段，裂縫與工作面位置分別為:Al(-7m 12m) ;A2(12m 104m)；A3 (104m 116m) ;A4(116m 152m) ;A5 (152m 219m)，其中代表工作面滯后于裂縫出現(xiàn)的位置。從出現(xiàn)至完全閉合這個全過程，這個具有周期性變化情形的，稱之為裂縫的生命
周期。 其它觀測對象亦具有相似規(guī)律，因此可以將風沙區(qū)該工作面上方動態(tài)裂縫的生命周期劃分為5個階段A1發(fā)育階段(最初出現(xiàn)，由小到大)；A2愈合階段(由大變小，初次愈合)；A3地表松動階段(裂縫重新裂開，但較之發(fā)育階段程度要小)；A4漸穩(wěn)定階段(裂縫幾乎不變化，處于穩(wěn)定階段)；A5完全閉合階段(裂縫再次愈合，不再張開)。當然在監(jiān)測動態(tài)裂縫的同時還可以監(jiān)測靜態(tài)裂縫，從而更好地獲得地裂縫的分布特征及發(fā)生發(fā)育規(guī)律。靜態(tài)裂縫在無外界干擾條件下，會在地表長期存在。例如，首先確定下沉盆地邊界附近最大正水平位置(即最大拉伸區(qū))，如圖4所示，其中7為靜態(tài)裂縫，8為安裝在觀測站的全站儀。利用全站儀等測量設(shè)備以及鄰近的地表移動觀測站，將靜態(tài)裂縫帶劃分為多個觀測剖面，分別測量其最外側(cè)裂縫、最內(nèi)側(cè)裂縫以及主裂縫的空間位置和屬性，在CASS成圖軟件中，將多個剖面的測量結(jié)果進行拼接即可。第四步通過多時序的動態(tài)監(jiān)測，旨在獲取采動前后研究區(qū)域土壤淺層含水量的時序變化規(guī)律。根據(jù)工作面推進位置以及地表移動規(guī)律(特別是下沉規(guī)律和超前影響距)，選取工作面前端未受采動影響區(qū)布設(shè)采樣區(qū)。優(yōu)選地，采樣區(qū)靠近走向中心線布設(shè)，范圍為(-l/4d l/4d)*20,其中_l/4d, l/4d分別代表上山方向、下山方向距走向中心線距離，d為工作面傾斜長度，單位為米。在傾向方向上工作面外部的鄰近的相似區(qū)域設(shè)置對照采樣區(qū)(不會受到工作面推進擾動的區(qū)域)，通過采樣區(qū)與對照采樣區(qū)同一觀測時段土壤水分含量的實時差值，以此反映隨工作面的推進過程中采煤擾動對土壤水分含量的影響變化。優(yōu)選地，還應(yīng)監(jiān)測采樣區(qū)裂縫對土壤水分的影響，隨工作面繼續(xù)推進，區(qū)域的擾動強度加大，采樣區(qū)開始出現(xiàn)裂縫，此時裂縫會極大地影響土壤含水量。因此，在裂縫兩側(cè)距離裂縫不同的位置對稱布置采樣點，測定隨工作面的推進裂縫兩側(cè)不同位置土壤水分的變化。以下對土壤含水量的監(jiān)測舉例說明如圖5所示，其中10為采樣區(qū)，11為對照區(qū)，在采樣區(qū)10和對照區(qū)11分別布設(shè)采樣點12，13為沿工作面走向的垂直剖面，曲線W(X)、W(y)、W(Z)和W(n)為根據(jù)第二步得到的分別與工作面位置x、y、z和η對應(yīng)的下沉曲線。選用可實時反映采樣點位土壤的實際含水量的TDR水分速測儀，對10cm、20cm層次淺層土壤水的含水量進行監(jiān)測，并記錄采樣點的空間位置。當采樣區(qū)未受擾動時(對應(yīng)下沉曲線W(X))，進行第一次監(jiān)測；當采樣區(qū)域達到初始擾動時(對應(yīng)下沉曲線W(y))，對采樣點進行第二次觀測；隨工作面繼續(xù)推進，該區(qū)域的擾動強度加大，當監(jiān)測區(qū)開始出現(xiàn)裂縫后(對應(yīng)下沉曲線W(Z))，在裂縫兩側(cè)分別距離裂縫10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、70cm、IOOcm處對稱增設(shè)采樣點，并根據(jù)第三步獲得的動態(tài)裂縫發(fā)育情況對各個采樣點處10cm、20cm層次的土壤含水量進行持續(xù)觀測，監(jiān)測頻率為I天/次，直至裂縫愈合為止；并當?shù)乇砘顒硬饺胨ネ似谥敝练€(wěn)定的這段時期，即下沉曲線變?yōu)閃(n)所經(jīng)歷的時間，對采樣點進行重復(fù)監(jiān)測，監(jiān)測頻率可為1-2月/次。在各采樣階段監(jiān)測過程中，同時對照區(qū)的10cm、20cm層次淺層土壤的含水量進行監(jiān)測。在采樣各階段中，采樣區(qū)采樣點的實測數(shù)據(jù)與同期的對照區(qū)采樣點的實測數(shù)據(jù)進行差值運算，以最大限度的剔除外界因素(如干旱或陰雨天氣)帶來的測量粗差，通過二者的差值，反映地表擾動前后全過程中土壤淺層含水量的時序變化規(guī)律以及裂縫對土壤含水量的時序影響規(guī)律。第五步為了獲取土壤理化性質(zhì)隨擾動程度的變化而形成的損傷規(guī)律，根據(jù)工作面推進位置以及地表移動規(guī)律(特別是下沉曲線和水平變形曲線)，選取工作面前端未受采動影響區(qū)，分別沿工作面走向中心線和傾向中心線布設(shè)土壤取樣點，測定隨工作面的推進土壤理化性質(zhì)的變化；所述土壤的理化性質(zhì)包括容重、孔隙度、PH、電導(dǎo)率、有效P、速效K等指標，通過上述指標的時序變化信息，以獲取土壤理化性質(zhì)的時序變化規(guī)律。 具體地，可以在工作面前端選取未受影響區(qū)選取研究區(qū)域，研究區(qū)域長可以為20至30米，寬為l/2d，其中d為工作面傾向長度。沿傾向方向布設(shè)2條采樣條帶，每條采樣條帶上有5-8個采樣點，傾向方向采樣點的間距與地表移動觀測站點的間距一致。采用國際環(huán)刀法采集0-20cm、20-40cm 土層樣品研究土壤容重、孔隙度,利用取土鉆采集0_20cm、20-40cm,40-60cm,60-80cm土層樣品研究土壤化學指標。結(jié)合工作面推進速度和推進位置，當采樣區(qū)未受擾動時，進行第一次監(jiān)測；當采樣區(qū)域達到初始擾動時，對采樣點進行第二次觀測；隨工作面繼續(xù)推進，該區(qū)域的擾動強度加大(根據(jù)下沉規(guī)律以及水平變形規(guī)律來判定)，當采樣區(qū)域的地表活動達到最劇烈階段時，進行第三次采樣；當?shù)乇砘顒硬饺胨ネ似谥敝练€(wěn)定的時期，對采樣點進行重復(fù)采樣，采樣頻率可為2-3月/次。其中，容重和比重可以采用國標環(huán)刀法測定，PH值可以用pH計測定，電導(dǎo)率用電導(dǎo)率儀測定，有效P采用鑰銻抗比色法測定，速效K采用火焰光度法測定。通過SAS或者SPSS軟件分析擾動前后期間不同擾動程度土壤理化性質(zhì)的時空演變規(guī)律。對上述監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行分析并總結(jié)規(guī)律，根據(jù)第二步到第五步所得數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)對比或繪制曲線圖等方式分析風沙區(qū)的地表移動、裂縫發(fā)育、土壤含水量以及土壤理化性質(zhì)的規(guī)律，以更加全面科學地檢測土地損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論支撐。
權(quán)利要求
1.一種井工開采區(qū)地表環(huán)境損傷的監(jiān)測方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 a、布設(shè)地表移動觀測站在采煤工作前，采用剖面法在下沉盆地的主斷面分別布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線，所述觀測線由多個地表移動觀測站組成，觀測線的兩端應(yīng)保證超出采動影響范圍； b、觀測開采擾動前后觀測站的空間位置的變化數(shù)據(jù)，獲取地表移動信息； C、監(jiān)測動態(tài)裂縫，對工作面前端新出現(xiàn)的地表動態(tài)裂縫進行監(jiān)測，測定隨工作面的推進動態(tài)裂縫寬度的變化； d、獲取土壤淺層含水量的時序變化規(guī)律根據(jù)工作面推進位置，選取工作面前端未受采動影響區(qū)布設(shè)采樣區(qū)，在傾向方向上工作面邊界的外部相似區(qū)域設(shè)置對照采樣區(qū)，通過同一觀測時段采樣區(qū)與對照采樣區(qū)土壤水分含量的差值，得到隨工作面的推進過程中采煤擾動對土壤水分含量的變化； e、獲取土壤理化性質(zhì)的時序變化規(guī)律根據(jù)工作面推進位置，選取工作面前端未受采動影響區(qū)，沿工作面傾向布設(shè)土壤取樣點，測定不同采煤擾動程度下土壤理化性質(zhì)的變化。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中采用如下過程監(jiān)測地表動態(tài)裂縫寬度變化 Cl、找出最前端裂縫當工作面推進到第一位置為A時，對其前方新出現(xiàn)的疑似裂縫進行標記觀測，找出這些疑似裂縫中隨工作面的后續(xù)推進而發(fā)育的裂縫，這些發(fā)育的裂縫中與第一位置距離最大的裂縫即為最前端裂縫，測定最前端裂縫的第二位置為B，得到第二位置與第一位置之間的距離C ; c2、建立數(shù)學模型重復(fù)過程Cl得到多個工作面的第一位置Ai，以及與其相應(yīng)的最前端裂縫的第二位置Bi和第一位置與第二位置的距離Ci，建立三者的數(shù)學模型，Bi= Ai+C’，其中C’為多個Ci的數(shù)學期望，i = l,2..n ； c 3、根據(jù)過程b建立的數(shù)學模型，在與工作面距離C’的期望位置，選定該位置兩側(cè)最相鄰的多條裂縫作為觀測裂縫，測定該多條裂縫隨工作面推進的多個寬度變化，測定頻率大于I天/次，直至裂縫不再發(fā)育，在地表上完全閉合為止，從中選出發(fā)育最為明顯的一條裂縫作為最佳觀測裂縫； c4、在不同的工作面位置，重復(fù)過程c3，得到多個最佳觀測裂縫的寬度變化數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟b中，獲取的地標移動信息包括根據(jù)測量數(shù)據(jù)分別得到地表下沉、傾斜、曲率、水平移動以及水平變形五條典型曲線，以及下沉系數(shù)、拐點偏移距、超前影響角、裂縫角、最大下沉速度滯后角和/或主要影響半徑數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟e中，采樣點沿傾向方向布設(shè)，土壤理化性質(zhì)包括土壤容重、孔隙度、PH、電導(dǎo)率、有效P、速效K。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中在檢測動態(tài)裂縫時，進一步監(jiān)測工作面邊界附近的靜態(tài)裂縫，方法如下確定下沉盆地邊界附近最大正水平位置，利用全站儀等測量設(shè)備以及鄰近的地表移動觀測站，將靜態(tài)裂縫帶劃分為多個觀測剖面，分別測量其最外側(cè)裂縫、最內(nèi)側(cè)裂縫以及主裂縫的空間位置和屬性。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟d中，進一步監(jiān)測采樣區(qū)裂縫對土壤水分的影響，方法如下在裂縫兩側(cè)距離裂縫不同的位置對稱布置采樣點，測定隨工作面的推進裂縫兩側(cè)不同位置土壤水分的變化。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中在觀測裂縫寬度的同時，還觀測裂縫的長度和落差的變化。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中測量裂縫寬度時，在裂縫兩側(cè)距離裂縫5-lOcm處垂直于裂縫布設(shè)觀測棒，測量裂縫初始寬度Lo，以及兩端觀測棒的距離Do，后期測量觀測棒的距離Di，通過公式Li =Lo+(Di-Do)計算裂縫寬度Li，其中i = 1，2. .n。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在每條裂縫上布設(shè)多個寬度測量點，寬度測量點之間的間距為3-5米。
10.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中動態(tài)裂縫的觀測周期T> 2B/V,其中B為工作面走向方向連續(xù)裂縫帶的寬度，V為工作面日推進速度，觀測工作直至地裂縫的地面表征消失、且持續(xù)無變化為止，其中T的單位為天，B的單位為米，V的單位為米/天。
11.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟c中，進一步根據(jù)公式L=Ho*tanp計算出最大下沉速度滯后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，以為最大下沉速度滯后角，在工作面與觀測裂縫之間的距離D < 2L時，加大觀測頻率，當D > 2L時，減小觀測頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種井工開采區(qū)地表環(huán)境損傷的監(jiān)測方法，通過建立地表移動觀測站研究地表移動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，建立了工作面最前端裂縫與工作面位置之間的數(shù)學模型，以科學地監(jiān)測動態(tài)裂縫的生長發(fā)育情況；通過選擇合適區(qū)域和手段，對不同擾動程度下土壤含水量以及土壤理化性質(zhì)的時空演變規(guī)律進行監(jiān)測，以更加全面科學地掌握采動全過程中土地損傷情況，為區(qū)域土地復(fù)墾與生態(tài)環(huán)境修復(fù)提供理論支撐。
文檔編號E21B49/00GK102758622SQ20121013499
公開日2012年10月31日 申請日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者彭猛, 李全生, 王 義, 胡振琪 申請人:中國礦業(yè)大學(北京), 中國神華能源股份有限公司