A study of GPS ground deformation monitoring of Jinfeng coal mine in Ningdong coal base
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摘要:
掌握采空区地面变形规律是科学预防和治理地面塌陷的前提与基础，是煤矿地质环境动态变化的重要监测内容。以宁东煤炭基地金凤煤矿为例，在收集、了解金凤煤矿0110202和011805工作面开采时间、开采深度、开采煤厚、工作面长度、工作面宽度、工作面走向等参数的基础上，建立工作面地表自动化GPS监测点，将工作面开采进程与地面变形时间、空间统一起来，研究工作面地面变形时间和变形量的规律。结果表明，金凤煤矿011202工作面地面变形一般在采后13个月左右进入变形活跃阶段，从开始变形到地面开始稳定的持续时间为16~19个月，最大累积变形量约为3300mm；011805工作面采空区地面变形一般在采后10~11个月进入变形活跃阶段，从开始变形到地面开始稳定的持续时间为13~16个月，最大累积变形量约为2600mm。研究结果为金凤煤矿后续工作面开采地表变形规律及类似开采条件下采空塌陷的预防与治理提供了定量化的依据。
Abstract:To master the law of ground deformation in the goaf is the prerequisite and foundation for scientific prevention and control of ground collapse, and also an important monitoring content for the dynamic change of the geological environment of the mine. With Jinfeng coal mine in Ningdong coal base as a study case and on the basis of collecting and understanding the mining time, mining depth, mining coal thickness, length of working face, width of working face and direction of working face, the authors set up the automatic GPS monitoring point on the surface of the working face of Jinfeng coal mine. The mining process is unified with the time and space of ground deformation. The authors tried to study the law of ground deformation time and deformation under mining and similar mining conditions. The result shows that the ground deformation of 011202 working face was usually subjected to severe deformation about 13 months after mining and reached the stability 15-17 months after the beginning of deformation, with the maximum cumulative variable being about 3300mm. The ground deformation in the goaf of 011805 working face usually occurred violently 10-11 months after mining and reached the stability 13-16 months after the beginning of deformation, with the maximum cumulative variable being about 2600mm. The research results provide quantitative basis for the prevention of surface subsidence and the prevention and treatment of gob collapse under similar mining conditions.
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Keywords:
- coal-mining area /
- ground deformation /
- GPS monitoring /
- deformation law /
- Jinfeng coal mine
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鄂尔多斯盆地位于中国中西部地区，为中国第二大沉积盆地，跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区，盆地面积达到25×104km2。鄂尔多斯盆地的中上三叠统—下白垩统发育，发现有多门类的动植物化石[1]，盆地沉积了巨厚的白垩系。含恐龙等脊椎动物足迹的地层属于下白垩统志丹群，自下而上包含宜君组、洛河组、华池组、环河组、罗汉洞组、泾川组，以及仅分布于东北部的喇嘛湾组[2]。在鄂尔多斯盆地西北部，恐龙足迹主要产于罗汉洞组和泾川组[3]。在鄂尔多斯盆地南部边缘旬邑县洛河组也发现过恐龙足迹[1]。
2017年9—11月，陕西省地质调查中心承担的“陕北丹霞地貌地质遗迹调查项目”及神木市公格沟丹霞地质公园申报项目，在鄂尔多斯盆地东北缘神木市中鸡一带的下白垩统洛河组(K1l)上部紫红色砂岩中发现恐龙与其他四足类足迹多处，该组合的发现在中国尚属首次。
1. 地质背景
洛河组由“洛河砂岩”演变而来，区域上平行不整合在中侏罗统安定组之上[4]。研究区，即鄂尔多斯东北部一带，洛河组厚度63.79m，以紫红色-暗紫红色厚-块状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与薄层中-粗粒长石石英砂岩、石英砂岩为主，构成典型的丹霞地貌景观。
鄂尔多斯盆地在中侏罗统安定组沉积末期，受晚侏罗世燕山运动末期的隆升影响，盆地抬升掀斜遭受剥蚀[5]。到早白垩世初期，鄂尔多斯盆地伸展，洛河组开始沉积。前人研究与1：5万区域地质调查资料①指出，洛河组的沉积环境属河流、湖泊相[6]，而近年来不少学者则认为其属于沙漠相[7-8]，在洛河期，鄂尔多斯盆地进入白垩纪第一个沙漠沉积发育的鼎盛期[8]。综合区调等资料，洛河组早期沉积时盆地具准平原性质，河流宽阔，河漫滩较发育，沉积了紫红色、棕红色、砖红色厚层砂岩，并夹有灰白色高岭石质细砂岩，砂岩体中发育以大-巨型槽状交错层、交错层理为特征的中粒长石砂岩夹少量粉砂岩沉积组合，属河流及冲积扇沉积；中期沉积形成紫红色、棕红色、砖红色厚层中粗粒砂岩，砂岩体中发育以大-巨型风成板状交错层、风成斜层理为特征的中粗粒长石砂岩，明显具有沙漠相沙丘、丘间亚相；晚期沉积则形成一套紫红色块状泥岩、粉砂质泥岩夹薄层泥质粉砂岩组合，发育水平层理、低角度斜层理、泥裂、雨痕等，指示了浅水沙漠湖泊相沉积沙丘砂岩发育的低角度斜层理方向，可能反映了以西北风为主，局部有东南暖风作用。
现将研究区含恐龙等脊椎动物足迹地层岩性描述如下。
上覆地层：第四纪全新世风成沙、黄土层
~~~~~~~~~~~~~~~~~不整合接触~~~~~~~~~~~~~~~~~
早白垩世洛河组(K1l) ＞18.74m
6.紫红色薄层状细粒长石石英砂岩 0.51m
5.紫红色薄层中-粗粒长石石英砂岩，发育板状斜层理，有三趾型恐龙足迹 4.74m
4.紫红色薄层细粒石英砂岩，发育平行层理 5.20m
3.紫红色中厚层中粒长石石英砂岩，具平行层理 5.80m
2.紫红色薄层细粒长石石英砂岩，发育水平层理 1.53m
1.紫红色薄层中粒石英砂岩，有二趾型恐龙足迹与小型四足类足迹，未见底 0.96m
~~~~~~~~~~~~~~~~~不整合接触~~~~~~~~~~~~~~~~~
下伏地层：中侏罗统安定组(J2a)深灰色微-薄层粉砂质泥岩
2. 足迹点与足迹形态
2.1 足迹点概貌
神木市中鸡镇脊椎动物足迹化石分布在宝刀石梨村公格沟水库东岸边，在30km2红色丹霞景观范围内，目前已发现3处恐龙足迹点及2处小型四足类足迹点(图 1)。
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图 1 神木市中鸡镇恐龙等脊椎动物足迹化石分布Figure 1. Distribution map of footprint fossil from dinosaurs and other vertebrate in Zhongji town, Shenmu city1号足迹点目前发现两枚足迹，产于洛河组上部紫红色块状泥岩、粉砂质泥岩与微–薄层泥质粉砂岩中的湖泊相近底部薄层泥质粉砂岩层面上，层面发育泥裂。2~5号足迹点分布在洛河组上部滨岸相紫红色薄层中细粒石英砂岩中岩层面上。其中2号足迹点发现21枚三趾型足迹，层面发育雹痕、雨痕。3、5号足迹点为小型四足类所留。4号足迹点，目前发现16枚二趾型脚印，层面发育浅水流水波痕、雹痕、雨痕、虫迹。
2.2 小型四足类足迹
小型四足类足迹约200个，至少组成5道行迹。其中保存最好的行迹长约1.5m(图版Ⅰ-A)，由前足迹与后足迹组成，都呈扁椭圆形。前足迹平均长1.0cm，宽1.3cm；后足迹平均长1.1cm，宽1.6cm，前足迹位于后足迹的前内侧。因保存或后期风化的原因，绝大部分足迹的趾痕不清，保存最好的后足迹能观察到至少4个趾痕。这些小型四足类足迹的形态与尺寸都与巴西足迹(Brasilichnium) [9]非常相似。巴西足迹最初发现于巴西上侏罗统—下白垩统博图卡图组，传统上被归于哺乳形类(Mammaliamorpha)或衍生的兽孔类(Therapsida)。此类足迹为中国首次发现。
2.3 三趾型兽脚类足迹
三趾型兽脚类分布于1号和2号足迹点。1号足迹点仅1个足迹保存较好(图版Ⅰ-B)，长14.5cm，宽15.8cm，长宽比为0.9，三趾较纤细，第Ⅱ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角约为110°。2号足迹点的21枚三趾型足迹形成一道拐弯的行迹(图版Ⅰ-C)。拐弯的行迹相对罕见。其中保存最好的足迹长12.5cm，宽10.0cm，长宽比为1.3，第Ⅱ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角为69°，其趾垫不清，跖趾垫较发育。从整体形态看，2号足迹点的三趾型足迹与实雷龙足迹类(Eubrontidae) [10]较相似。实雷龙足迹类最初发现于北美的下侏罗统，但衍生的足迹形态广泛出现在中国的侏罗系—白垩系[11-12]，鄂尔多斯盆地的白垩系也有类似发现[13]。1号足迹点的孤立足迹的形态特征与实雷龙足迹类完全不同，但其较尖锐的爪痕与宽的趾间角表明其属于兽脚类足迹。
2.4 两趾型兽脚类足迹
2号足迹点的一道行迹揭示了有趣的受沉积物影响的保存现象。大多数足迹只留下明显的一个趾痕(图版Ⅰ-D)，但在一处沉积物条件适宜区，该造迹者留下了一个保存良好的两趾型足迹(图版Ⅰ-E)。该足迹长14.5cm，宽5.0cm，长宽比为2.9，第Ⅲ趾至第Ⅳ趾之间的趾间角为20°。这是二趾型足迹在陕西省的首次记录，与该区相邻的内蒙古鄂托克旗查布地区也曾有报道[3]。
由于与鸟类系统发育学上的紧密联系，近年来，恐爪龙类(deinonychosaurian)演化支得到学者们的充分研究。恐爪龙类包括驰龙类(dromaeosaurids)和伤齿龙类(troodontids)，该类群最具代表性的特征是其第Ⅱ趾上有一个高度发育的大爪，这个大爪可以伸出并高度延展[14]。恐爪龙类运动时，该特化的第Ⅱ趾处于扬起状态，因此留下足迹为两趾，仅由第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的印迹组成[11]。因此，两趾型足迹对应恐爪龙类造迹者，是迄今为止特征最鲜明的兽脚类足迹之一。自1994年在中国首次发现以来[15]，现在至少发现了十余个足迹点[11]，均来自白垩系，分布于四川盆地与攀西地区的多个点，以及山东莒南与岌山、河北赤城、北京延庆、甘肃盐锅峡等。中鸡恐爪龙类足迹的尺寸与甘肃盐锅峡标本类似，该记录增加了该类造迹者的古地理分布范围。
3. 结论
在鄂尔多斯盆地东北缘神木市中鸡白垩系丹霞地貌中发现的恐龙与其他四足类的足迹化石，展示了一个非常独特的组合类型：哺乳形类/兽孔类足迹-实雷龙足迹类-恐爪龙类足迹。这种多样性的兽脚类行迹与小型四足类足迹的组合，在中国属首次发现。虽然其详细分类还有待进一步研究，但这无疑对中国白垩纪沙漠相恐龙动物群的类型与分布，乃至该地区的古气候、古地理和地层对比都具有重要的意义。
致谢: 野外工作和论文撰写得到金凤煤矿地测科同仁、宁夏国土调查监测院方媛博士、何小锋、程霞、王辉工程师等的热心帮助和指导，在此一并表示衷心的感谢。 -
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图 1 采掘工作面GPS监测点分布
Figure 1. Distribution of GPS monitoring points in Jinfeng coal mine
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图 2 金凤煤矿011805工作面各监测点地面变形曲线
Figure 2. Ground deformation curve of each monitoring point on 011805 working face of Jinfeng coal mine
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图 3 金凤煤矿011805工作面地面变形分向数据曲线
Figure 3. Data curve of ground deformation on 011805 working face of Jinfeng coal mine
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图 4 监测点JF-2-5、JF-2-6处地面变形时间响应序列图
Figure 4. Time series diagram of ground deformation of the JF-2-5 and JF-2-6 monitoring points
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图 5 金凤煤矿011202工作面各监测点地面变形曲线
Figure 5. Ground deformation curve of each monitoring point on 011202 working face of Jinfeng coal mine
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图 6 金凤煤矿011202工作面地面变形分向数据曲线
Figure 6. Data curve of ground deformation in 011202 working face of Jinfeng coal mine
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图 7 监测点JF-2-7—JF-2-10处地面变形时间响应序列图
Figure 7. Time series diagram of ground deformation of the JF-2-7 to JF-2-10 monitoring points
表 1 金凤煤矿地面变形GPS监测点数据
Table 1 Statistic table of ground deformation data for each GPS monitoring point
工作面 监测点编号 累积变形量 东向变形量 北向变形量 垂向变形量 011805 JF-2-1 134.4 36.2 -30.7 -125.7 011805 JF-2-2 2593.5 163.7 -1294.4 -2249.1 011805 JF-2-3 63.8 -40.4 40.7 -32.5 011805 JF-2-4 35.8 -9.5 -31.6 -18.2 011805 JF-2-5 2634.1 69.0 -498.9 -2585.5 011805 JF-2-6 2651.5 123.4 852.4 -2570.5 011202 JF-2-7 405.8 -166.7 -392.3 -201.8 011202 JF-2-8 3334.1 -1329.0 421.9 -3098.3 011202 JF-2-9 1474.2 -625.9 160.5 -1326.1 011202 JF-2-10 859.9 -214.1 423.2 -733.4 
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表 2 金凤煤矿地面变形监测成果对比
Table 2 Comparison of monitoring results of ground deformation in Jinfeng coal mine
工作面 经验公式变形时间/d 经验公式最大垂向沉降量/mm GPS监测时间/m GPS监测垂向变形量/mm 011202 200~375 1816 16~19 3098.3 011805 535~538 3080 13~16 2585.5
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