CN105004372A - 一种地质环境监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地质力学和环境地学专业领域,提供了一种地质环境监测的方法,本发明的目的在于解决上述问题,提供一种更加实用、更加具有说服力的地质环境监测方法,该方法支持实时监测地下岩体的微变形,并施以水土环境监测的方法优化针对采空塌陷的这一地质环境问题的监测,提升监测工作的科学性,也提高了监测数据的准确性和超前性。本发明的技术方案包括监测准备、数据采集、数据分析、得到结果四个步骤,通过工作站计算机和PC计算机相结合,并合理运用了ArcGIS软件的相关功能。

Description

一种地质环境监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种地质环境监测的方法,属于地质力学和环境地学专业领域。
背景技术
[0002] 矿产资源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,我国的矿产资源较丰富。然而,长期大规模的矿产资源开发活动在保障国民经济发展需要和创造巨大经济效益的同时,引发的矿山地质环境问题也十分突出,大气、水、土的污染,采空区的地面塌陷,山体开裂、崩塌、滑坡、泥石流,侵占和破坏土地、水土流失、土地沙化、岩溶塌陷、矿震、尾矿库溃坝、水均衡遭受破坏、海水入侵等矿山地质环境问题不仅给国民经济带来巨大损失,同时,也威胁着国民生活安全。由于矿业活动都有特定的寿命期,矿业活动结束后恢复环境的任务十分繁重。此外,矿山环境受地质构造条件和矿床产出位置的严格限制,不能提前预测和选择自身所处的环境背景。因此,矿山地质环境监测与修复问题一直受到国际、国内社会的广泛关注和重视,也是环境地学研究领域内的一个热点问题。
[0003] 其中,煤矿采空塌陷是矿山地质环境问题之一,其产生的原因是由于地下开采造成地表的塌陷及伴随而发生的地表水、浅层地下水的漏失现象。埋藏于地下的各种大小矿体被采动、掘空后,矿体上部覆岩的力学平衡就会被打破。塌陷区不仅会导致地下水枯竭,耕地破坏,生态环境恶化,还会使当地房屋受损,道路地裂变形,高速公路、铁路、机场等重大工程以及城市建筑因处理采空塌陷而增加建设难度和费用。
[0004] 现有针对采空塌陷的监测方法主要是以形变监测手段为主,由于观测成本较高、台站分布和观测周期受到人力、财力和气候环境等因素的限制,对采空区大面积长期形变监测略显不足。此外,也有一些以InSAR技术为监测方法,但数据时效性、准确性保障上还有欠缺。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于解决上述问题,提供一种更加实用、更加具有说服力的地质环境监测方法,该方法支持实时监测地下岩体的微变形,并施以水土环境监测的方法优化针对采空塌陷的这一地质环境问题的监测,提升监测工作的科学性,也提高了监测数据的准确性和超前性。
[0006] 本发明的技术方案是:
[0007] 本发明的地质环境监测方法包括以下步骤:
[0008] 步骤1、监测准备
[0009] I)确定监测区域,获得所述监测区域在地图上的空间范围;
[0010] 2)准备数据采集设备和分析设备,所述的采集设备包括微震监测采集设备、水样采集设备和土样采集设备;所述的分析设备包括工作站计算机和PC计算机,工作站计算机安装有微震信号处理软件和微震数据分析解释软件;PC计算机安装有ArcGIS地理信息系统软件;微震监测采集设备将采集的数据输入到工作站计算机;
[0011] 步骤2、数据采集
[0012] I)通过土样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的浅层土样和深部土样,浅层土样采集深度为0-20cm,深部土样采集深度为0-200cm;对土样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括铅、汞、铜、砷、镉、六价铬,特别是化学性质、含量、浓度、PH值的分析;
[0013] 2)通过水样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的地表水样和地下水样;特别是地表径流、天然地下泉水;对水样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括溶解氧、铜、锌、砸、砷、汞、镉、铅、氯化物、硫酸盐、碳酸盐,特别是化学性质、含量、浓度、PH值的分析;
[0014] 3)通过微震监测采集设备采集微震数据,所述的微震数据包括岩体在微震事件过程中的位置、岩体释放的能量、岩体的非弹性变形以及岩体的非弹性尺度;将所述的微震监测数据输入给工作站计算机,并通过微震信号处理软件和微震数据分析解释软件进行处理;
[0015] 步骤3、数据分析
[0016] 对土样化学元素分析的结果,采用污染负荷指数法,计算得出每个采样点的污染负荷指数值,并将计算结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,使用ArcGIS软件的地统计分析工具模块(Geostatistical Analyst)中的反距离加权插值工具,将每个点的污染负荷指数值转换为监测区域的土壤环境分析值;最后在ArcGIS软件中通过空间分析工具模块(Spatial Analyst)中的空间提取工具得到污染程度在“中污染”以上程度的区域;
[0017] 对水样化学元素分析的结果,采用水质指数法,对该地区的水质类别进行分级,并将分级结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,采用GIS的插值方法将每个水样采样点的水质指数值转换为监测区域的水质环境分析值,通过ArcGIS软件的空间提取工具得到水质评级较差以下的区域;
[0018] 通过微震数据分析解释软件得到微震监测设备覆盖区域内具有威胁的影响区域,并将这一结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中;
[0019] 步骤4、得到分析结果:
[0020] 在ArcGIS软件中,使用空间叠加分析工具(Intersect),将污染程度在“中污染”以上程度的区域、水质评级较差以下的区域、具有威胁的影响区域的空间数据,在所述监测区域的空间范围中进行空间叠加计算,得出针对煤矿开采地区的矿山地质环境监测的目标区域。
[0021] 这种针对煤矿开采地区的地质环境监测技术的装置包括:1)在待监测的矿山周围布置高精度微震监测站,建立地下岩体稳定性监测系统;2)结合数据处理、分析、解释、可视化软件,三维显示目标区域整体岩体裂隙时空演化全过程;3)运用定量微震学方法,针对目标区域的矿山地质生产条件,初步建立起稳定性预报准则;4)基于土壤地球化学和水地球化学监测方法与理论,采集监测区域的浅层土样、深部土样、地表水样和地下水样等样品,进行化验检测,监测目标区域的水、土环境;5)结合岩体活动的微震监测数据与水土环境监测数据,最终确定针对煤矿开采地区的地质环境监测的目标区域,对其进行长期的重点监测。
[0022] 本发明建立了更加符合实际的监测方法,纳入了地球物理监测和地球化学监测等手段,有效弥补了传统信息采集方式的不足,丰富了地质环境监测的方法,更加准确的反应实际情况,确保了地灾监测数据收集的实时性、准确性和可靠性。
附图说明
[0023]图1为本发明的装置的微震监测站的总体结构示意图;
[0024]图2为本发明的装置的微震监测站的钻孔建设施工实施例的示意图;
[0025] 图3为本发明的装置的微震监测站的孔口混凝土平台施工实施例的示意图;
[0026]图4为本发明的装置的微震监测站的传感器安装实施例的示意图;
[0027]图5为本发明的装置的样本数据采集实施例的示意图;
[0028] 图6为本发明的方法的总体流程图;
[0029] 其中:1_工作站计算机,2-微震监测采集设备,3-分析设备,4-微震监测传感器(微震检波器),5-镀锌钢管,6-地心垂线,7-钻孔中心线,8-岩层,9-基座,10-电缆,11-水泥浆。
具体实施方式
[0030] 下面通过附图和实例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。提供一种地质环境监测方法,包括以下步骤:
[0031] 步骤1、监测准备
[0032] I)确定监测区域,获得所述监测区域在地图上的空间范围;
[0033] 2)准备数据采集设备和分析设备,所述的采集设备包括微震监测采集设备、水样采集设备和土样采集设备;所述的分析设备包括工作站计算机和PC计算机,工作站计算机安装有微震信号处理软件和微震数据分析解释软件;PC计算机安装有ArcGIS地理信息系统软件;微震监测采集设备将采集的数据输入到工作站计算机;
[0034] 步骤2、数据采集
[0035] I)通过土样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的浅层土样和深部土样,浅层土样采集深度为0-20cm,深部土样采集深度为0-200cm;之后对土样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括铅、汞、铜、砷、镉、六价铬;
[0036] 2)通过水样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的地表水样和地下水样;特别是地表径流、天然地下泉水;之后对水样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括溶解氧、铜、锌、砸、砷、汞、镉、铅、氯化物、
硫酸盐、碳酸盐;
[0037] 3)通过微震监测采集设备采集微震数据(例如,所述的微震数据包括岩体在微震事件过程中的位置、岩体释放的能量、岩体的非弹性变形以及岩体的非弹性尺度);将所述的微震监测数据输入给工作站计算机,并通过微震信号处理软件和微震数据分析解释软件进行处理;步骤3、数据分析
[0038] 对土样化学元素分析的结果,采用污染负荷指数法,计算得出每个采样点的污染负荷指数值,并将计算结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,使用ArcGIS软件的地统计分析工具模块(Geostatistical Analyst)中的反距离加权插值工具,将每个点的污染负荷指数值转换为监测区域的土壤环境分析值;最后在ArcGIS软件中通过空间分析工具模块(Spatial Analyst)中的空间提取工具得到污染程度在“中污染”以上程度的区域;
[0039] 对水样化学元素分析的结果,采用水质指数法,对该地区的水质类别进行分级,并将分级结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,采用GIS的插值方法将每个水样采样点的水质指数值转换为监测区域的水质环境分析值,通过ArcGIS软件的空间提取工具得到水质评级较差以下的区域;
[0040] 通过微震数据分析解释软件得到微震监测设备覆盖区域内具有威胁的影响区域,并将这一结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中;
[0041] 步骤4、获得结果:
[0042] 在ArcGIS软件中,使用空间叠加分析工具(Intersect),将污染程度在“中污染”以上程度的区域、水质评级较差以下的区域、具有威胁的影响区域的空间数据,在所述监测区域的空间范围中进行空间叠加计算,得出针对煤矿开采地区的矿山地质环境监测的目标区域。
[0043] 进一步:微震监测系统包括微震监测传感器(三分量检波器)、数据采集仪、GPS时钟单元以及智能不间断电源(IUPS)。
[0044] 进一步:在所述监测区域均匀布置多个微震监测点,对每个微震监测点布设微震监测传感器,将微震监测传感器(三分量检波器)通过钻孔置于地下,钻孔深度为50〜120米,偏斜率小于3°、成孔内径为130mm,并且备有套管,套管内径不小于110mm,套管为钢管或工程塑料管。
[0045] 进一步:在钻孔后,先向钻孔内注入水泥浆,当水泥浆注入到传感器的设置位置时停止注入,将微震监测传感器绑定在钢丝绳的一端向钻孔下放置到位,之后继续注入水泥浆。
[0046] 进一步:所述的微震信号处理软件为澳大利亚矿山地震学研究所(Institute ofmine seismology)的Trace微震信号处理软件。
[0047] 进一步:所述的微震数据分析解释软件为澳大利亚矿山地震学研究所(Instituteof mine seismology)的Vantage微震数据分析解释软件。
[0048] 进一步:还包括提供基于Internet的用户输入接口,接受监测区域的居民对地质环境的反馈信息,进而得到所述监测区域的地质环境隐患点的数据信息,并将隐患点的数据信息输入到ArcGIS软件中一起进行空间叠加计算,得出针对煤矿开采地区的矿山地质环境监测的目标区域。
[0049] 进一步:所述的用户输入接口采集以下各项数据信息:电子地图上标注的用户家庭位置信息、电子地图上标注的美好环境地区信息、电子地图上标注应急避难场所信息、电子地图上标注的逃生路线信息。
[0050] 本发明中涉及的微震监测设备有传感器、数据采集仪、GPS时钟单元、智能不间断电源(IUPS)、工作站以及安装在工作站上的信号处理以及数据解释分析软件。
[0051] 微震监测传感器(三分量14Hz检波器)需要置于地下,因此需要进行钻孔建设施工。由于岩层质地的不同,钻孔深度范围为50〜120米,偏斜率小于3°,成孔内径为130mm,如岩体破碎需用套管保护,套管内径不小于IlOmm(注意套管先接触的直径),套管材料可以为钢管和厚壁工程塑料管,套管口高于地表面30〜50cm,高出基座2〜5cm,参见附图2和4。
[0052] 在钻孔位置附近开挖尺寸不小于1000mm*1000mm*200mm (长*宽*深)的基坑,浇筑混凝土平台,水泥(强度C30,标号不低于425)、石子、沙子、水的混合比例为1:2:4:0.7,充分搅拌。平台尺寸为长*宽*深=1000mm*1000mm*700mm,要求上表面光滑、水平,高于地面500mm。要求水泥基粧坚固耐用,平整美观。
[0053] 混凝土平台包裹钻孔套管,但不可堵塞钻孔孔口,平台中立一根长2.5m,直径50mm的镀锌钢管5用于固定与微震采集相关的设备,0.5m在水泥台中,2m立于水泥台中外。同时,每孔需配备一个1000mm*800mm*500mm铁皮箱用于保护采集仪和电源,参见附图3。
[0054] 本实施例钻孔深度为57米,分别在11米、35米和57米处安置了三分量14Hz微震传感器。安装时,需要连接传感器自带电缆和传感器延长电缆的芯线,接口处需做好加固和防水处理。同时,将传感器和钢丝绳的一端绑定在一起,向钻孔下放置,每隔2米将电缆和钢丝绳用扎带绑定,将传感器下放到预定位置。此外,将钻孔外的钢绳固定好,使其由于重力坠落到钻孔内。在放置钻孔时,需要同时实施灌注水泥浆的工作。注浆时,需要事先计算需用水泥浆量,估计注浆管口到达传感器位置时,停止继续放注浆管;将传感器绑在钢丝绳上,放置到孔内位置;继续注浆,直至下一个待放置传感器位置。依次进行,放置三个传感器,并将整个钻孔注满水泥浆,参见附图4。
[0055] 深部土样采样深度最大为2米,由于每个取样地方的土质、岩层各异,部分取样深度达不到2米。如图所示,本发明要求每隔50cm间隔采集土样,以便查看该地土壤中各化学元素(一般主要是指Hg,Pb,As等重金属元素)的富集程度,参见附图5。
[0056] 本发明针对煤矿开采地区的地质环境监测问题提出的,发明的方法主要流程如图6所示,首先在空间地图上确定监测区域;其次,分别采用微震、土壤地球化学、水地球化学等方法采集设定的监测数据,并对数据进行处理、分析、解释、提取,转换为可以进行统一处理的空间数据进行表达;最后,通过GIS工具进行空间区域相交计算获取监测的目标区域。
[0057] 以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。另外,本发明提供了基于Internet的用户输入接口,用于接收监测地区的居民对地质环境隐患点等数据的输入信息。

Claims (8)

1.一种地质环境监测方法,包括以下步骤: 步骤1、监测准备 1)确定监测区域,获得所述监测区域在地图上的空间范围; 2)准备数据采集设备和分析设备,所述的采集设备包括微震监测采集设备、水样采集设备和土样采集设备;所述的分析设备包括工作站计算机和PC计算机,工作站计算机安装有微震信号处理软件和微震数据分析解释软件;PC计算机安装有ArcGIS地理信息系统软件;微震监测采集设备将采集的数据输入到工作站计算机; 步骤2、数据采集 1)通过土样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的浅层土样和深部土样,浅层土样采集深度为0-20cm,深部土样采集深度为0-200cm;之后对土样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括铅、汞、铜、砷、镉、六价铬; 2)通过水样采集设备,根据《多目标区域地球化学调查规范DD2005-01》的要求,分别采集监测区域的地表水样和地下水样;特别是地表径流、天然地下泉水;之后对水样进行化学元素分析,例如,分析的化学元素包括溶解氧、铜、锌、砸、砷、汞、镉、铅、氯化物、硫酸盐、碳酸盐; 3)通过微震监测采集设备采集微震数据(例如,所述的微震数据包括岩体在微震事件过程中的位置、岩体释放的能量、岩体的非弹性变形以及岩体的非弹性尺度);将所述的微震监测数据输入给工作站计算机,并通过微震信号处理软件和微震数据分析解释软件进行处理; 步骤3、数据分析 对土样化学元素分析的结果,采用污染负荷指数法,计算得出每个采样点的污染负荷指数值,并将计算结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,使用ArcGIS软件的地统计分析工具模块(Geostatistical Analyst)中的反距离加权插值工具,将每个点的污染负荷指数值转换为监测区域的土壤环境分析值;最后在ArcGIS软件中通过空间分析工具模块(Spatial Analyst)中的空间提取工具得到污染程度在“中污染”以上程度的区域; 对水样化学元素分析的结果,采用水质指数法,对该地区的水质类别进行分级,并将分级结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中,采用GIS的插值方法将每个水样采样点的水质指数值转换为监测区域的水质环境分析值,通过ArcGIS软件的空间提取工具得到水质评级较差以下的区域; 通过微震数据分析解释软件得到微震监测设备覆盖区域内具有威胁的影响区域,并将这一结果输入到PC计算机的ArcGIS软件中; 步骤4、获得结果: 在ArcGIS软件中,使用空间叠加分析工具(Intersect),将污染程度在“中污染”以上程度的区域、水质评级较差以下的区域、具有威胁的影响区域的空间数据,在所述监测区域的空间范围中进行空间叠加计算,得出针对煤矿开采地区的矿山地质环境监测的目标区域。
2.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:微震监测系统包括微震监测传感器(三分量检波器)、数据采集仪、GPS时钟单元以及智能不间断电源(IUPS)。
3.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:在所述监测区域均匀布置多个微震监测点,对每个微震监测点布设微震监测传感器,将微震监测传感器(三分量检波器)通过钻孔置于地下,钻孔深度为50〜120米,偏斜率小于3°、成孔内径为130mm,并且备有套管,套管内径不小于110mm,套管为钢管或工程塑料管。
4.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:在钻孔后,先向钻孔内注入水泥浆,当水泥浆注入到传感器的设置位置时停止注入,将微震监测传感器绑定在钢丝绳的一端向钻孔下放置到位,之后继续注入水泥浆。
5.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:所述的微震信号处理软件为澳大利亚矿山地震学研究所(Institute of mine seismology)的Trace微震信号处理软件。
6.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:所述的微震数据分析解释软件为澳大利亚矿山地震学研究所(Institute of mine seismology)的Vantage微震数据分析解释软件。
7.根据权利要求1所述的地质环境监测方法,其特征在于:还包括提供基于Internet的用户输入接口,接受监测区域的居民对地质环境的反馈信息,进而得到所述监测区域的地质环境隐患点的数据信息,并将隐患点的数据信息输入到ArcGIS软件中一起进行空间叠加计算,得出针对煤矿开采地区的矿山地质环境监测的目标区域。
8.根据权利要求7所述的地质环境监测方法,其特征在于:所述的用户输入接口采集以下各项数据信息:电子地图上标注的用户家庭位置信息、电子地图上标注的美好环境地区信息、电子地图上标注应急避难场所信息、电子地图上标注的逃生路线信息。
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