专利名称：一种井工开采区地表环境损伤的监测方法
技术领域：
本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及井工开采区地表环境损伤的监测方法。
背景技术：
风沙区的主体矿区位于我国黄土丘陵与毛乌素沙漠之间，沙漠化及潜在沙漠化土地面积约占总面积的85%。沙层上覆的薄表层土颗粒较为松散，人为干扰或恶劣天气的侵扰均会导致其迅速分散，并发土壤侵蚀。随着我国煤炭开采“战略西移”，势必也将对该区域的生态环境带来相应的负面影响，其主要破坏形式为地表移动变形引起的塌陷、地表裂缝以及由此引起的土壤质量损伤。目前，许多学者从遥感与遥测以及现场实地监测等多个尺度对该区域进行比较广泛的研究。遥感与遥测属于大尺度调查的范畴，部分研究成果表明，煤炭开采导致该类型的部分区域内景观破碎度的增加；雷少刚(荒漠矿区关键环境要素的监测与采动影响研究，中国矿业大学博士论文，2009)利用多时序的遥感图像，通过植被覆盖指数(NVDI)与区域 内的大气降水量之间的关系以及热表征惯量反演地表含水量等研究发现，该区域煤炭开采对植被生长以及地表水变化影响不大，主要受大气降水量的影响；神华遥感勘查有限责任公司2010年完成的“神华矿区环境地质调查及环境治理综合研究”项目，对该区域的地质灾害、水环境以及水土污染四个方面的水文地质及环境地质现状，并进行了采煤对地质环境的影响评估、预测、治理措施及成效的研究。而在小尺度调查领域针对地表移动规律，宣以琼(薄基岩浅埋深煤层覆岩破坏移动演化规律研究，岩土力学，2008，2 (29) :512 516)等采用模拟试验或理论推算的方法研究了该类型开采的覆岩破坏移动规律、压力显现和沉陷预计；针对地裂缝，吴侃(吴侃，胡振琪，常江，葛家新.开采引起的地表裂缝分布规律中国矿业大学学报，1997，26 (2) 56 59)等针对中东部地表裂缝进行大量研究，部分学者也初涉了风沙区地裂缝研究；针对土壤损伤，赵红梅等也开展了部分研究。然而，上述研究结论却不尽相同，采煤塌陷对风沙化地区的土地生态影响程度没有统一定论，究其原因可能是风沙区土地的土地受损有特定的演化过程，从长期看也许逐渐会自修复，但短期内势必会有影响。因此，需要从开采损伤全过程的角度去研究动态演化规律，而以往的研究，主要是对塌陷后的土地选择适宜的位置进行取样分析，缺乏动态观测地表损伤。风沙区采煤沉陷地土地损伤监测方法的难点在于I)风积沙层的存在，采动引起的土地损伤的形式与中东部地区存在明显差异，损伤因子的监测位置的选取非常困难；2)风沙区煤矿主产区多为快速推进开采，损伤因子(特别是地裂缝、地表水)的时空演变数据变化速率很快，获取其变化的全过程中的完整的信息非常困难。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于，提出一种井工开采区地表环境的监测方法，以更加全面科学地检测土地损伤情况，为区域土地复垦与生态环境修复提供数据信息。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案一种井工开采区地表环境的监测方法，所述方法包括以下步骤a、布设地表移动观测站在采煤工作前，采用剖面法在下沉盆地的主断面分别布设走向观测线和倾向观测线，所述观测线由多个地表移动观测站组成，观测线的两端应保证超出采动影响范围；b、观测开采扰动前后观测站的空间位置的变化数据，获取地表移动信息；C、监测动态裂缝，对工作面前端新出现的地表动态裂缝进行监测，测定随工作面的推进动态裂缝宽度的变化；
d、获取土壤浅层含水量的时序变化规律根据工作面推进位置，选取工作面前端未受采动影响区布设采样区，在倾向方向上工作面边界的外部相似区域设置对照采样区，通过同一观测时段采样区与对照采样区土壤水分含量的差值，得到随工作面的推进过程中采煤扰动对土壤水分含量的变化；e、获取土壤理化性质的时序变化规律根据工作面推进位置，选取工作面前端未受采动影响区，沿工作面倾向布设土壤取样点，测定不同采煤扰动程度下土壤理化性质的变化。优选地，步骤c中采用如下过程监测地表动态裂缝宽度变化Cl、找出最前端裂缝当工作面推进到第一位置为A时，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝，这些发育的裂缝中与第一位置距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置为B，得到第二位置与第一位置之间的距离C ；c2、建立数学模型重复过程Cl得到多个工作面的第一位置Al，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置与第二位置的距离Ci，建立三者的数学模型，Bi =Ai+C’，其中C，为多个Ci的数学期望，i = 1,2. .n ；c3、根据过程b建立的数学模型，在与工作面距离C’的期望位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝作为观测裂缝，测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝；c4、在不同的工作面位置，重复过程c3，得到多个最佳观测裂缝的宽度变化数据。优选地，所述步骤b中，获取的地标移动信息包括根据测量数据分别得到地表下沉、倾斜、曲率、水平移动以及水平变形五条典型曲线，以及下沉系数、拐点偏移距、超前影响角、裂缝角、最大下沉速度滞后角和/或主要影响半径数据。优选地，步骤e中，采样点沿倾向方向布设，土壤理化性质包括土壤容重、孔隙度、PH、电导率、有效P、速效K。优选地，步骤c中在检测动态裂缝时，进一步监测工作面边界附近的静态裂缝，方法如下确定下沉盆地边界附近最大正水平位置，利用全站仪等测量设备以及邻近的地表移动观测站，将静态裂缝带划分为多个观测剖面，分别测量其最外侧裂缝、最内侧裂缝以及主裂缝的空间位置和属性。优选地，所述步骤d中，进一步监测采样区裂缝对土壤水分的影响，方法如下在裂缝两侧距离裂缝不同的位置对称布置采样点，测定随工作面的推进裂缝两侧不同位置土壤水分的变化。优选地，步骤c中在观测裂缝宽度的同时，还观测裂缝的长度和落差的变化。优选地，步骤c中测量裂缝宽度时，在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测量裂缝初始宽度Lo，以及两端观测棒的距离Do，后期测量观测棒的距离Di，通过公式Li = Lo+(Di-Do)计算裂缝宽度Li,其中i = 1,2. n。优选地，在每条裂缝上布设多个宽度测量点，宽度测量点之间的间距为3-5米。优选地，步骤c中动态裂缝的观测周期T > 2B/V，其中B为工作面走向方向连续裂缝带的宽度，V为工作面日推进速度，观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。
优选地，步骤c中，进一步根据公式L=Ho*tan※甘算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，^为最大下沉速度滞后角，在工作面与观测裂缝之间的距离D < 2L时，加大观测频率，当D > 2L时，减小观测频率。由上述技术方案可知，本发明提供的井工开采区地表环境的监测方法，结合开采沉陷学、测绘学、土壤学以及环境科学等学科的特点，通过建立地表移动观测站监测地表移动规律，此外建立了工作面最前端裂缝与工作面位置之间的数学模型，为以科学地监测动态裂缝的生长发育情况，在此基础上，通过选择合适区域，随工作面推进对土壤含水量以及土壤理化性质进行监测，以更加全面科学地检测土地损伤情况，为区域土地复垦与生态环境修复提供理论支撑。
图I为本发明中基准线和观测站的布设示意图；图2为本发明中裂缝宽度的观测示意图；图3为本发明的一个实施例中裂缝宽度随工作面推进的变化趋势图；图4为静态裂缝的观测示意图；图5为土壤水分含量的监测示意图。
具体实施例方式下面以本发明所述方法在薄基岩风沙区工作面前端裂缝生命周期监测中的实际应用为例，对本发明进行详细说明。然而本领域技术人员应该认识到，本发明并不因此而受到任何限制。为了科学全面地监测风沙区采煤沉陷地土地损伤，本发明结合开采沉陷学、测绘学、土壤学以及环境科学等学科的特点，分别对采煤所引起的地标移动、裂缝发育、土壤浅层含水量变化和土壤理化性质变化进行了监测，具体如下第一步布设地表移动观测站。为了获取研究区域的地表下沉、水平变形等地表移动规律，从而为划定土壤损伤以及地裂缝等地质灾害的重点监测区域奠定基础。在工作面开采之前，采用剖面法在下沉盆地的主断面分别布设走向观测线和倾向观测线，所述观测线由多个地表移动观测站组成，地表观测站布设形式可以参见《煤矿测量试行规范》，布设长度满足充分采动条件即可，即观测线的两端应保证超出采动影响范围。图I示出了地表移动观测站的一种布设形式的示意图，其中I为走向观测线，2为倾向观测线，3为观测站，观测站之间间隔10-40米布设，并在布设后使用比如经纬仪导线和水准测量的方法测定观测站的空间坐标。第二步地表移动规律的获取。随着工作面的开采推进，工作面上方地表会出现扰动变形。通过全面观测以及加密水准观测等方法，测定扰动前后观测站的空间位置的变化数据，进而得到地表移动规律。观测频率以及观测周期可以参见《煤矿测量试行规范》。例如，可以分别得到地表下沉、倾斜、曲率、水平移动以及水平变形五条典型曲线的表现形式，并获取下沉系数、拐点偏移距、超前影响角、裂缝角、最大下沉速度滞后角和/或主要影响半径等数据。第三步地表裂缝的监测。工作面开采过程中，地表会出现裂缝。通过第二步获取的地表移动规律，结合开采沉陷学的经典理论，地裂缝可分为位于工作面内部的“动态裂缝”以及工作面边界附近的 “静态裂缝”两种表现形式。其中，动态裂缝随工作面的推进可能存在“开裂-闭合”的特征，可以较好地体现地表的损伤修复过程，因此对地标裂缝的监测以动态裂缝为主。动态裂缝的监测方法对工作面前端新出现的地表动态裂缝进行监测，测定随工作面的推进动态裂缝宽度的变化。然而由于工作面最前端裂缝是裂缝发育全过程最好的检测对象，而在风沙区，地表可能被松散层所覆盖，导致工作面最前端裂缝的产生初期在地表的表征很微弱。此外，一些植物的根系生长也可能导致地表的开裂，从而最前端裂缝的辨别带来很多干扰信息。故此，优选地，需要结合工作面开采的位置，采取措施找出最前端裂缝，进而监测动态裂缝的宽度变化。具体过程如下I、当工作面推进到第一位置为A时(工作面与开切眼之间的距离)，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，利用其周边的地表移动观测站作为控制点，架设全站仪或者其它测量设备，根据现场情况，在一段合适的时间内(比如4-10天)观察这些疑似裂缝的发育情况，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝(即长度或宽度会变化的裂缝)，这些发育的裂缝中与第一位置A距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置位B，得到第二位置B与第一位置A之间的距离C。II、建立数学模型。重复过程a的方法，得到多个工作面第一位置Ai，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置Ai与第二位置Bi之间的距离Ci (i = 1，2. . n)，利用最小二乘法建立三者的数学模型，Bi = Ai+C’，其中C’为多个Ci的数学期望，从而为下一步观测对象的选取及其最初状态的几何信息的获取奠定基础。III、根据过程II建立的数学模型，在与当前工作面距离为C’的期望位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝(比如4条裂缝)作为观测裂缝，测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，并从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝。裂缝宽度的变化情况可采用如下方法测量，如图2所示，其中4为体表裂缝，5为观测棒，6为钢尺。在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测出该处裂缝初始宽度Lo(可直接使用钢尺测量)，以及两端观测棒的距离Do，后期只需测量观测棒的距离Di (i =1，2..11，为测量次数)，通过公式1^ = 1^+(01-00)计算出每次测量时的裂缝宽度Li。另夕卜，由于裂缝较长，因此每条裂缝上可以设置多组观测棒，间隔3-5米设置，实际操作中，还可根据裂缝的发育情况及时加设观测棒。此外，观测棒应尽量垂直于地面，嵌入土中，埋深不少于20cm。其中，为尽量减少野外工作量，可以进一步利用经验公式确定观测的周期及频率。随着工作面的推进，对裂缝进行持续观测，根据盆地内走向方向连续裂缝带的宽度B，和工作面日推进速度V，优选地，每条裂缝的观测周期T > 2B/V,观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。裂缝宽度的变化与地表活动剧烈程度有关，可以用地表下沉速度以及地表达到最大下沉速度时与工作面距离L (通常表述为最大下沉速度滞后距)反映，因此，优选地，应该与根据被观测的裂缝的位置与工作面位置之间距离d与L的贴近程度调整观测频率，当 裂缝宽度变化较大时，需要加大观测频率；当裂缝宽度变化较小时，减小观测频率。通常情 况下，可以利用最大下沉速度滞后角以，根据公式L=Ho*tan以计算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深。根据先前布设的裂缝观测基准线上地表移动观测站在采动过程中高程的变化数据，即可计算出最大下沉速度以及0，进而得到L的大小。在工作面与观测对象二者之间的距离D < 2L时，观测频率相对较大，尤其是在O. 5L < D< I. 5L时，应进行加密观测，当D > 2L时，观测频率应相应减小。为更好地获取裂缝的变化情况，优选地，在测定裂缝宽度变化的同时，还可以同时测量裂缝的长度、深度、落差变化情况。例如，通过最近的观测站，用全站仪在裂缝的两端用导线测量的方法确定裂缝两端的坐标位置，并绘制到工作面的井上下对照图，利用两点坐标求的裂缝长度。IV、为了更加全面地观测裂缝随工作面的推进的生长发育情况，重复过程III，以便在不同的工作面位置，得到多个最佳观测裂缝的发育情况。进一步，利用获取的裂缝的宽度信息绘制单条裂缝宽度信息的变化趋势图，分析各主要典型性阶段的持续时间和工作面推进量，通过多条裂缝的统计信息，总结该区域地表裂缝的完整的生命周期。以下对动态裂缝的监测举例说明针对某矿区的采动裂缝监测，使用上述方法获取的裂缝宽度信息绘制了裂缝宽度随工作面推进的趋势图，如图3所示，该裂缝上设有5个观测点，其中■代表1#、·代表2#、▲代表3#、▼代表4#和4代表5#。当前工作面距离开切眼的位置为454m时，该裂缝最早出现，超前工作面7m ;工作面向前推进19m时，裂缝呈现出最大表征，其中5#信息采集点由3. 3mm递增到25mm左右，变化速度约为I. 158mm/m。该区域对应的为Al阶段，在此阶段内，#1、#2、#3、#4四个信息采集点的裂缝宽度均递增，属于裂缝发育阶段。工作面继续向前推进42m时，5个信息采集点的宽度整体处于下降状态，在515m处信息采集点的宽度值趋于0，从地面表征上来看，裂缝整体也处于愈合状态。当工作面继续推进至565m时，裂缝基本无发育，对应的区域为图上的A2阶段；在裂缝发育的第一个半周期，从出现-发育-闭合及其稳定，工作面总计推进了约111m，此时工作面超前裂缝的位置为 104m。当工作面继续向前推进至577m时，裂缝在先前位置重新裂开，5个信息采集点处裂缝的宽度均小于第一个阶段发育为最大值的情况，该阶段对应的A3区域，属于地表松动阶段，此时工作面超前裂缝116m。从577m处直至613m处，裂缝宽度的变化很微弱，该阶段对应的为A4区域，定义为渐稳定阶段，此时工作面超前裂缝152m ;后期裂缝逐渐趋于闭合状态，该阶段对应的A5区域，定义为完全愈合阶段，后续的观测结果显示，裂缝没有继续裂开的现象，此时工作面超前裂缝219m.各阶段，裂缝与工作面位置分别为:Al(-7m 12m) ;A2(12m 104m)；A3 (104m 116m) ;A4(116m 152m) ;A5 (152m 219m)，其中代表工作面滞后于裂缝出现的位置。从出现至完全闭合这个全过程，这个具有周期性变化情形的，称之为裂缝的生命
周期。 其它观测对象亦具有相似规律，因此可以将风沙区该工作面上方动态裂缝的生命周期划分为5个阶段A1发育阶段(最初出现，由小到大)；A2愈合阶段(由大变小，初次愈合)；A3地表松动阶段(裂缝重新裂开，但较之发育阶段程度要小)；A4渐稳定阶段(裂缝几乎不变化，处于稳定阶段)；A5完全闭合阶段(裂缝再次愈合，不再张开)。当然在监测动态裂缝的同时还可以监测静态裂缝，从而更好地获得地裂缝的分布特征及发生发育规律。静态裂缝在无外界干扰条件下，会在地表长期存在。例如，首先确定下沉盆地边界附近最大正水平位置(即最大拉伸区)，如图4所示，其中7为静态裂缝，8为安装在观测站的全站仪。利用全站仪等测量设备以及邻近的地表移动观测站，将静态裂缝带划分为多个观测剖面，分别测量其最外侧裂缝、最内侧裂缝以及主裂缝的空间位置和属性，在CASS成图软件中，将多个剖面的测量结果进行拼接即可。第四步通过多时序的动态监测，旨在获取采动前后研究区域土壤浅层含水量的时序变化规律。根据工作面推进位置以及地表移动规律(特别是下沉规律和超前影响距)，选取工作面前端未受采动影响区布设采样区。优选地，采样区靠近走向中心线布设，范围为(-l/4d l/4d)*20,其中_l/4d, l/4d分别代表上山方向、下山方向距走向中心线距离，d为工作面倾斜长度，单位为米。在倾向方向上工作面外部的邻近的相似区域设置对照采样区(不会受到工作面推进扰动的区域)，通过采样区与对照采样区同一观测时段土壤水分含量的实时差值，以此反映随工作面的推进过程中采煤扰动对土壤水分含量的影响变化。优选地，还应监测采样区裂缝对土壤水分的影响，随工作面继续推进，区域的扰动强度加大，采样区开始出现裂缝，此时裂缝会极大地影响土壤含水量。因此，在裂缝两侧距离裂缝不同的位置对称布置采样点，测定随工作面的推进裂缝两侧不同位置土壤水分的变化。以下对土壤含水量的监测举例说明如图5所示，其中10为采样区，11为对照区，在采样区10和对照区11分别布设采样点12，13为沿工作面走向的垂直剖面，曲线W(X)、W(y)、W(Z)和W(n)为根据第二步得到的分别与工作面位置x、y、z和η对应的下沉曲线。选用可实时反映采样点位土壤的实际含水量的TDR水分速测仪，对10cm、20cm层次浅层土壤水的含水量进行监测，并记录采样点的空间位置。当采样区未受扰动时(对应下沉曲线W(X))，进行第一次监测；当采样区域达到初始扰动时(对应下沉曲线W(y))，对采样点进行第二次观测；随工作面继续推进，该区域的扰动强度加大，当监测区开始出现裂缝后(对应下沉曲线W(Z))，在裂缝两侧分别距离裂缝10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、70cm、IOOcm处对称增设采样点，并根据第三步获得的动态裂缝发育情况对各个采样点处10cm、20cm层次的土壤含水量进行持续观测，监测频率为I天/次，直至裂缝愈合为止；并当地表活动步入衰退期直至稳定的这段时期，即下沉曲线变为W(n)所经历的时间，对采样点进行重复监测，监测频率可为1-2月/次。在各采样阶段监测过程中，同时对照区的10cm、20cm层次浅层土壤的含水量进行监测。在采样各阶段中，采样区采样点的实测数据与同期的对照区采样点的实测数据进行差值运算，以最大限度的剔除外界因素(如干旱或阴雨天气)带来的测量粗差，通过二者的差值，反映地表扰动前后全过程中土壤浅层含水量的时序变化规律以及裂缝对土壤含水量的时序影响规律。第五步为了获取土壤理化性质随扰动程度的变化而形成的损伤规律，根据工作面推进位置以及地表移动规律(特别是下沉曲线和水平变形曲线)，选取工作面前端未受采动影响区，分别沿工作面走向中心线和倾向中心线布设土壤取样点，测定随工作面的推进土壤理化性质的变化；所述土壤的理化性质包括容重、孔隙度、PH、电导率、有效P、速效K等指标，通过上述指标的时序变化信息，以获取土壤理化性质的时序变化规律。 具体地，可以在工作面前端选取未受影响区选取研究区域，研究区域长可以为20至30米，宽为l/2d，其中d为工作面倾向长度。沿倾向方向布设2条采样条带，每条采样条带上有5-8个采样点，倾向方向采样点的间距与地表移动观测站点的间距一致。采用国际环刀法采集0-20cm、20-40cm 土层样品研究土壤容重、孔隙度,利用取土钻采集0_20cm、20-40cm,40-60cm,60-80cm土层样品研究土壤化学指标。结合工作面推进速度和推进位置，当采样区未受扰动时，进行第一次监测；当采样区域达到初始扰动时，对采样点进行第二次观测；随工作面继续推进，该区域的扰动强度加大(根据下沉规律以及水平变形规律来判定)，当采样区域的地表活动达到最剧烈阶段时，进行第三次采样；当地表活动步入衰退期直至稳定的时期，对采样点进行重复采样，采样频率可为2-3月/次。其中，容重和比重可以采用国标环刀法测定，PH值可以用pH计测定，电导率用电导率仪测定，有效P采用钥锑抗比色法测定，速效K采用火焰光度法测定。通过SAS或者SPSS软件分析扰动前后期间不同扰动程度土壤理化性质的时空演变规律。对上述监测的数据进行分析并总结规律，根据第二步到第五步所得数据，可以通过数据对比或绘制曲线图等方式分析风沙区的地表移动、裂缝发育、土壤含水量以及土壤理化性质的规律，以更加全面科学地检测土地损伤情况，为区域土地复垦与生态环境修复提供理论支撑。
权利要求
1.一种井工开采区地表环境损伤的监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 a、布设地表移动观测站在采煤工作前，采用剖面法在下沉盆地的主断面分别布设走向观测线和倾向观测线，所述观测线由多个地表移动观测站组成，观测线的两端应保证超出采动影响范围； b、观测开采扰动前后观测站的空间位置的变化数据，获取地表移动信息； C、监测动态裂缝，对工作面前端新出现的地表动态裂缝进行监测，测定随工作面的推进动态裂缝宽度的变化； d、获取土壤浅层含水量的时序变化规律根据工作面推进位置，选取工作面前端未受采动影响区布设采样区，在倾向方向上工作面边界的外部相似区域设置对照采样区，通过同一观测时段采样区与对照采样区土壤水分含量的差值，得到随工作面的推进过程中采煤扰动对土壤水分含量的变化； e、获取土壤理化性质的时序变化规律根据工作面推进位置，选取工作面前端未受采动影响区，沿工作面倾向布设土壤取样点，测定不同采煤扰动程度下土壤理化性质的变化。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中采用如下过程监测地表动态裂缝宽度变化 Cl、找出最前端裂缝当工作面推进到第一位置为A时，对其前方新出现的疑似裂缝进行标记观测，找出这些疑似裂缝中随工作面的后续推进而发育的裂缝，这些发育的裂缝中与第一位置距离最大的裂缝即为最前端裂缝，测定最前端裂缝的第二位置为B，得到第二位置与第一位置之间的距离C ; c2、建立数学模型重复过程Cl得到多个工作面的第一位置Ai，以及与其相应的最前端裂缝的第二位置Bi和第一位置与第二位置的距离Ci，建立三者的数学模型，Bi= Ai+C’，其中C’为多个Ci的数学期望，i = l,2..n ； c 3、根据过程b建立的数学模型，在与工作面距离C’的期望位置，选定该位置两侧最相邻的多条裂缝作为观测裂缝，测定该多条裂缝随工作面推进的多个宽度变化，测定频率大于I天/次，直至裂缝不再发育，在地表上完全闭合为止，从中选出发育最为明显的一条裂缝作为最佳观测裂缝； c4、在不同的工作面位置，重复过程c3，得到多个最佳观测裂缝的宽度变化数据。
3.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤b中，获取的地标移动信息包括根据测量数据分别得到地表下沉、倾斜、曲率、水平移动以及水平变形五条典型曲线，以及下沉系数、拐点偏移距、超前影响角、裂缝角、最大下沉速度滞后角和/或主要影响半径数据。
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤e中，采样点沿倾向方向布设，土壤理化性质包括土壤容重、孔隙度、PH、电导率、有效P、速效K。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中在检测动态裂缝时，进一步监测工作面边界附近的静态裂缝，方法如下确定下沉盆地边界附近最大正水平位置，利用全站仪等测量设备以及邻近的地表移动观测站，将静态裂缝带划分为多个观测剖面，分别测量其最外侧裂缝、最内侧裂缝以及主裂缝的空间位置和属性。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述步骤d中，进一步监测采样区裂缝对土壤水分的影响，方法如下在裂缝两侧距离裂缝不同的位置对称布置采样点，测定随工作面的推进裂缝两侧不同位置土壤水分的变化。
7.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中在观测裂缝宽度的同时，还观测裂缝的长度和落差的变化。
8.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中测量裂缝宽度时，在裂缝两侧距离裂缝5-lOcm处垂直于裂缝布设观测棒，测量裂缝初始宽度Lo，以及两端观测棒的距离Do，后期测量观测棒的距离Di，通过公式Li =Lo+(Di-Do)计算裂缝宽度Li，其中i = 1，2. .n。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在每条裂缝上布设多个宽度测量点，宽度测量点之间的间距为3-5米。
10.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中动态裂缝的观测周期T> 2B/V,其中B为工作面走向方向连续裂缝带的宽度，V为工作面日推进速度，观测工作直至地裂缝的地面表征消失、且持续无变化为止，其中T的单位为天，B的单位为米，V的单位为米/天。
11.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤c中，进一步根据公式L=Ho*tanp计算出最大下沉速度滞后距L，其中，Ho代表采煤工作面的平均采深，以为最大下沉速度滞后角，在工作面与观测裂缝之间的距离D < 2L时，加大观测频率，当D > 2L时，减小观测频率。
全文摘要
本发明涉及一种井工开采区地表环境损伤的监测方法，通过建立地表移动观测站研究地表移动规律，在此基础上，建立了工作面最前端裂缝与工作面位置之间的数学模型，以科学地监测动态裂缝的生长发育情况；通过选择合适区域和手段，对不同扰动程度下土壤含水量以及土壤理化性质的时空演变规律进行监测，以更加全面科学地掌握采动全过程中土地损伤情况，为区域土地复垦与生态环境修复提供理论支撑。
文档编号E21B49/00GK102758622SQ20121013499
公开日2012年10月31日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者彭猛, 李全生, 王 义, 胡振琪 申请人:中国矿业大学(北京), 中国神华能源股份有限公司