基于光纖傳感的石膏礦地面塌陷監(jiān)測預警系統(tǒng)

湯志剛，蔡承剛，王艷紅，魏廣慶，張 振，景佳俊

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，江蘇 徐州 221004；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局，江蘇 南京 210018；3.南京大學（蘇州）高新技術研究院，江蘇 蘇州 215128）

0 引言

石膏是江蘇省邳州市北部地區(qū)的優(yōu)勢礦產(chǎn)資源，已有數(shù)十年的開采歷史。石膏礦開采引起的采空塌陷風險隱患 給礦區(qū)人民的生命、財產(chǎn)安全構成較大的威脅。為保障該類區(qū)域的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，許多科技人員對石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性、地面塌陷機理和監(jiān)測預警方法等方面進行了大量的研究，如：邱洋等[1]、張求才等[2]、李明等[3]、夏開宗等[4]、陳從新[5]從石膏礦礦柱穩(wěn)定性、護頂層及上覆巖層的力學性質(zhì)和冒落規(guī)律方面對石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機理進行了研究，閆士民等[6]、劉愛斌等[7]、周丹等[8]等人對邳北石膏礦區(qū)采空塌陷特征、穩(wěn)定性分區(qū)、監(jiān)測預警和災害防治等方面進行了分析研究，盧毅等[9]、鄭茂興等[10]、湯志剛等[11]對石膏礦區(qū)等地面變形特征及監(jiān)測監(jiān)控技術等方面進行了研究。如何基于現(xiàn)有理論研究選擇合適監(jiān)測技術，建立一套實時有效的石膏礦采空塌陷監(jiān)測預警系統(tǒng)是當今重任。

石膏礦采空區(qū)監(jiān)測現(xiàn)主要采用經(jīng)緯儀、水準儀和全站儀或GPS 等方法獲取地表變形，是塌陷發(fā)生后的表現(xiàn)監(jiān)測，難以滿足采空區(qū)監(jiān)測超前預報、長期和實時在線的要求。近年來，國內(nèi)外學者嘗試采用鉆孔埋入長期穩(wěn)定性高的光纖傳感器和傳感光纜來獲取深部土層的變形、水壓、溫度等多場信息分布，為深部巖土工程監(jiān)測提供一種新思路。目前，光纖監(jiān)測技術在工程技術領域發(fā)展迅速，同時逐漸在地質(zhì)災害監(jiān)測預警過程中發(fā)揮重要作用[12-21]。但是由于石膏礦的開采方式、塌陷機理和地表變形特征等因素的影響，光纖監(jiān)測技術在石膏礦區(qū)地質(zhì)災害監(jiān)測預警方面的研究尚較少。

文中在前人對石膏礦采空塌陷特征、采空區(qū)穩(wěn)定性、塌陷機理和地面變形監(jiān)測等研究的基礎上，基于光纖傳感技術，使用多種傳感器開展邳州市北部石膏礦區(qū)采空塌陷地質(zhì)災害監(jiān)測預警探索，進行塌陷機理研究并驗證光纖傳感技術在石膏礦區(qū)采空塌陷地質(zhì)災害監(jiān)測預警的有效性。

1 礦區(qū)概況

邳北石膏礦區(qū)位于邳州市北部，呈北西向條帶狀橫跨邢樓、岔河、四戶、鄒莊和鐵富五個鎮(zhèn)，面積約47.3 km2。

邳北石膏礦區(qū)是江蘇省重要石膏產(chǎn)地，其查明資源總量超過44×108t，其中控制的儲量達16×108t，居華東地區(qū)之首，礦床埋藏淺，開采技術條件簡單，自1984年第一家石膏礦投產(chǎn)后，30 多年來，隨著石膏礦的大量開采，引發(fā)了嚴重的采空塌陷。自2005年3月發(fā)生第一起采空塌陷起，邳州石膏礦區(qū)連續(xù)多年都有采空塌陷災害發(fā)生，至今已發(fā)生23 處采空塌陷，由于塌陷頻率不斷加快，規(guī)模不斷擴大，造成礦井報廢、土地損毀等嚴重后果，對礦區(qū)人民的生命及財產(chǎn)安全威脅較大。

2 礦區(qū)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)、構造

礦區(qū)大地構造位置處于中朝準地臺—淮河臺坳—淮北臺陷褶帶—徐州—（宿縣）弧形斷褶帶—四戶凹陷。區(qū)域地層主要有：太古界泰山群片麻巖，上元古界青白口系土門群-震旦系石英砂巖、石英巖及頁巖，震旦系趙圩組-張渠組碳酸鹽巖，寒武系-奧陶系碳酸鹽巖與碎屑巖，中生界白堊系青山組-王氏組碎屑巖及火山碎屑巖，古近系官莊組-大汶口組含鹽碎屑巖沉積為主。第四系廣泛分布，厚度40～45 m 不等。

2.2 工程地質(zhì)條件

全新統(tǒng)（0～4 m）巖性以灰黃、褐黃色亞黏土、粉質(zhì)黏土為主，底部為灰黑色黏土；中上更新統(tǒng)（4～27 m）巖性主要為棕黃、褐黃色含鈣質(zhì)結核黏土，局部含較多的鐵錳結核，中下部夾中-細砂層；下更新統(tǒng)（27～40 m）巖性為棕褐色黏土、粗砂、礫石層。

石膏礦賦存于古近系大汶口組下段地層中，根據(jù)石膏礦層分布特征，可分為3 個含膏巖帶（層），編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅲ膏帶是整個礦區(qū)開采礦層，礦區(qū)內(nèi)頂板埋深46～152 m，膏層厚12.15～14.05 m。礦層的頂板主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、含膏泥巖，局部地段有粉砂巖、細砂巖及含礫砂巖。礦層底板巖性為泥巖。石膏礦區(qū)主要巖土體力學性質(zhì)指標見表1。

表1 礦區(qū)巖土層的物理性質(zhì)指標Table 1 Physical properties indexes of rock and soil

2.3 水文地質(zhì)條件

礦區(qū)及周邊地下水主要為松散巖類孔隙水，賦存于全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)—中更新統(tǒng)砂層和礫石層中，局部具承壓性質(zhì)。第四系孔隙含水層其上部巖性為全新統(tǒng)棕黃色粉質(zhì)黏土中夾的砂層，富水性相對較弱，單井涌水量小于40 m3/d；中部為中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土中夾的砂層或含礫砂層，富水性中等；底部局部地段為厚1～5 m的中更新統(tǒng)粗砂和礫石層，富水性較好。據(jù)部分礦段鉆孔抽水試驗結果：降深2.86～6.84 m，涌水量556.8～749.95 m3/d，單位涌水量1.17～2.597 L/s·m，滲透系數(shù)2.73～13.0 m/d。

3 塌陷機理分析及預警參量選取

3.1 塌陷歷史

邳北石膏礦開采以來共發(fā)生過地面塌陷23 次，發(fā)育了面狀地面塌陷和點狀整體塌陷兩種表現(xiàn)形式（圖1）。其中點狀整體塌陷發(fā)生時，塌陷坑平面近圓形，塌陷穩(wěn)定后至今未繼續(xù)塌陷。面狀地面塌陷發(fā)生后，周邊先后發(fā)生多次塌陷且范圍逐漸擴大，最終連為一體。

圖1 礦區(qū)地面塌陷現(xiàn)狀Fig.1 Current collapse in mining area

3.2 塌陷機理分析

石膏礦被開采以后，采空區(qū)上覆巖層和地表由下至上產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞(開裂、冒落等)，最終造成地面塌陷[22]。

邳州石膏礦區(qū)各礦山均采用房柱式開采，采場的穩(wěn)定依靠留設的連續(xù)礦柱和預留的石膏護頂層及護底石膏層來維持平衡。王波等[23]根據(jù)石膏礦典型的工程地質(zhì)條件，利用MatDEM 建立了采空區(qū)離散元模型，研究了礦房數(shù)量、礦房尺寸、礦柱寬度以及護頂層厚度對采空區(qū)塌陷特征的影響，通過分析土體的充填狀態(tài)、巖土體擾動和熱量生成情況等，可以更直觀的認識采空區(qū)塌陷的動態(tài)過程，揭示了采空塌陷特征和機理，為本次石膏礦采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測設計和預測預報提供參考。根據(jù)模擬分析，地面塌陷發(fā)生時，塌陷前先出現(xiàn)頂板冒落，隨后采空區(qū)上覆第四系松散層底含水通過采空區(qū)頂板裂隙滲入礦房，造成塌陷附近地下水位急劇下降，塌陷發(fā)生后上覆巖土體對采空區(qū)和破裂頂板進行充填，阻止了地下水的繼續(xù)漏失，同時地下水位慢慢恢復，塌陷穩(wěn)定后恢復常態(tài)。在頂板冒落、上覆巖土體垮落時，會同時產(chǎn)生振動波和巖土體位移。

3.3 預警參量選取及技術方法

根據(jù)石膏礦區(qū)地面塌陷過程和機理分析可知在塌陷開始到結束過程中，采空區(qū)上覆第四系松散層底含水水位會產(chǎn)生劇烈波動，同時產(chǎn)生上覆巖土體位移和振動波，因此以上述參量的變化作為地面塌陷監(jiān)測預警的重要監(jiān)測對象。

采用點式高精光纖光柵技術進行地下水位、巖土體位移實時在線監(jiān)測、采用微震傳感器對塌陷區(qū)振動信號進行監(jiān)測預警、采用光纖地質(zhì)災害報警器進行現(xiàn)場突發(fā)塌陷實時預警，其關鍵之一在于相關傳感器件的布設。針對采空區(qū)地面塌陷的特點，通過光纖不同的空間埋設方式，在土層中通過鉆孔方式垂向植入光纖傳感器，以獲取各地層土體的變形、水壓信息；在不同深度、不同范圍內(nèi)布設振動傳感器。將一維的傳感器件建成多維多參量監(jiān)測網(wǎng)絡，獲取塌陷區(qū)立體變形場。在各監(jiān)測點基礎上建立地面塌陷監(jiān)測網(wǎng)，利用自動化監(jiān)測設備對監(jiān)測點進行測量，達到準確掌握礦區(qū)地面的變形情況及地下水位動態(tài)情況，根據(jù)地面沉降量、水位下降幅度以及塌陷區(qū)振動信號，判斷地面塌陷可能發(fā)生的情況，同時達到科學分析與預報預警的目的。

4 光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 工作原理

布拉格光纖光柵（FBG）傳感器是通過改變光纖芯區(qū)折射率，使其產(chǎn)生小的周期性調(diào)制而形成。當溫度或應力發(fā)生改變時，光纖產(chǎn)生軸向應變，應變使得光柵周期變大，同時光纖芯層和包層半徑變小，通過光彈性效應改變了光纖的折射率，從而引起光柵波長偏移。利用應變與光柵波長偏移量的線性關系，通過計算得出被測結構應變量。可對沿光纖的軸向應變進行分布式監(jiān)測，并具有分布式、長距離、精度高和耐久性長等特點。利用新型應變、應力、位移和溫度等分布式光纖傳感器件和采集終端，集成應用于各類工程的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，適用于各類工程檢測與監(jiān)測。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)建設

4.2.1 石膏礦地面塌陷監(jiān)測系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)架構

石膏礦地面塌陷無線監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖布拉格光柵（FBG）、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫等技術，采用3G、4G 無線技術實現(xiàn)對監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和處理，采用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)報送、發(fā)布和異常數(shù)據(jù)告警，采用SQLLite 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了數(shù)據(jù)本地化保存和管理，為自動化監(jiān)測提供依據(jù)支持。

基于傳感技術的石膏礦塌陷多參量監(jiān)測整體系統(tǒng)架構見圖2。

圖2 基于光纖傳感技術的石膏礦地面塌陷多參量監(jiān)測系統(tǒng)架構圖Fig.2 Framework of multi-parameter monitoring system for ground subsidence of gypsum mine based on fiber sensing technology

（2）監(jiān)測方案

①塌陷區(qū)豎向變形及滲壓監(jiān)測

鉆孔監(jiān)測主要是分為兩個方面監(jiān)測，第一是地表塌陷實時監(jiān)測，通過在鉆孔中串聯(lián)三個光纖光柵位移計實現(xiàn)，滲水壓力變化通過在鉆孔底部布設一個光纖光柵滲壓計實現(xiàn)；第二個是現(xiàn)場預警報警裝置，通過在鉆孔中布設地質(zhì)災害報警器來實現(xiàn)。所有傳感器通過配重導頭下放至鉆孔內(nèi)，然后采用砂石料回填鉆孔并保證鉆孔回填密實，具體布設方案如圖3所示。

圖3 鉆孔監(jiān)測布設示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole monitoring arrangement

在同一鉆孔內(nèi)布設三類傳感器件，在光纖傳感器布設前光纖光柵位移計串聯(lián)形成一個U 型回路；將光纖光柵滲壓計和光纖光柵溫度計串聯(lián)成一個U 型回路；將地質(zhì)災害報警器串聯(lián)成U 型回路；所有的傳感器通過配重導頭自重下放至鉆孔中，光纖綜合監(jiān)測孔布設如圖3所示。

為了實現(xiàn)采空塌陷的準確預測，采用時間序列分析法和應變一維分布模型對實測的應變、位移和含水層孔隙水壓力等參量進行分析，進而實現(xiàn)對覆巖變形的預測。

②塌陷區(qū)微震信號監(jiān)測

塌陷區(qū)微震信號監(jiān)測采用振動傳感器，將傳感器通過鉆孔直埋的方式埋設于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個測點安裝4 個振動傳感器，4 個傳感器共用一個振動采集儀，測點布設如圖4所示。

圖4 振動傳感器測點布設示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring point arrangement of vibration sensor

本監(jiān)測系統(tǒng)集成主要是通過傳感器、引線、解調(diào)設備和客戶端來實現(xiàn)。將三個鉆孔的光纖光柵傳感器集中在一個監(jiān)測站，通過無線傳輸至客戶端，來實現(xiàn)地面塌陷實時監(jiān)測，形成實時監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無線自動化監(jiān)測系統(tǒng)架構Fig.5 Wireless automation monitoring system architecture

（3）監(jiān)測點布設

①監(jiān)測點布設依據(jù)

根據(jù)技術路線和研究方法，本次主要采用光纖豎向位移監(jiān)測、微震監(jiān)測、地下水監(jiān)測等多種手段進行監(jiān)測預警。根據(jù)本次選定的示范區(qū)采空區(qū)、基巖、第四系、含水層、頂板巖性等資料綜合分析研究，主要工作量布設如下：

變形、滲壓、溫度、微震光纖監(jiān)測點主要選定3 個監(jiān)測點，分別監(jiān)測3 種不同類型塌陷，一個布設在采空區(qū)露頭附近，已發(fā)生的兩個塌陷點之間，一個布設在前期監(jiān)理過程中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災害隱患點上，直接監(jiān)測隱患點變化情況，一個布設在塌陷變形外圍，靠近前期塌陷且后期可能發(fā)生大面積變形的區(qū)域。

地下水監(jiān)測點有兩個作用：首先是對前期布設的光纖監(jiān)測孔進行驗證滲流場監(jiān)測效果，通過抽水試驗，使周邊滲流場發(fā)生變化，監(jiān)測光纖對滲流場變化的觀測效果，擬對90～350 m 不同觀測半徑下進行觀測；第二是塌陷過程中底含水首先向采空區(qū)滲漏，通過觀測底含水水位變化推測采空地面塌陷發(fā)生時間。綜合三個光纖監(jiān)測點的位置，結合抽水試驗半徑，選擇布設6 個地下水監(jiān)測點，對底含水水位進行監(jiān)測。

②監(jiān)測點布設

已實施監(jiān)測工程分兩期，其中第一期主要布設第四系底含水（埋深38～41 m）水位監(jiān)測點6 個，孔深約45 m；第二期布設光纖縱向位移和滲流變化、溫度監(jiān)測點、微震監(jiān)測點3 個，孔深均為50 m。監(jiān)測點布設及基本信息見圖6、圖7和表2。

表2 主要監(jiān)測工程量統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of main monitored quantities

圖6 第一期水位監(jiān)測點布設圖Fig.6 Layout of water level monitoring points at phase I

圖7 第二期光纖監(jiān)測點布設布設圖Fig.7 Layout of phase II optical fiber monitoring points

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)成果

4.3.1 地下水位監(jiān)測

第一期監(jiān)測項目自運行以來效果良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷或錯誤報警情況，已成功處理監(jiān)測數(shù)據(jù)近10 萬條，成功預測了2019年2月8日17:45 采空地面塌陷一次。

2019年2月8日7:08，DXSW03 孔發(fā)出預警，技術人員第一時間對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)地下水位于當日7:08 開始異常下降，8:39 達到最低點，水位降幅70 cm，之后水位逐漸恢復，至17:10 監(jiān)測數(shù)據(jù)基本恢復至原水位線附近。DXSW02 同時出現(xiàn)了水位小幅下降，降幅0.8 cm，二者下降趨勢表現(xiàn)一致（圖8）。

圖8 水位變化監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖（2019年2月1—10日）Fig.8 Monitoring data curve of water level (1—10 Feb,2019)

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析推測，7:08 采空區(qū)頂板開始垮落、第四系底部含水層地下水位急劇下降，至8:39 采空區(qū)頂板及上覆松散層垮落、充填堵塞漏水點使水位達到最低點后逐漸恢復，塌陷結束后地下水位逐漸恢復正常。同時，根據(jù)監(jiān)測孔位置及地下水位變化情況，預計可能塌陷點在DXSW02、DXSW03 兩孔之間，靠近DXSW03 孔位置，類型為點狀塌陷，直徑較小。預警信號發(fā)出后，對該區(qū)域進行了人員疏散和巡查。至14:00時，在DXSW03 東側135 m 處發(fā)生塌陷；至18:00 時，塌陷基本結束。塌陷結束后經(jīng)現(xiàn)場踏勘查明地面塌陷坑形態(tài)近圓形，直徑約20 m，深度約10 m，積水深度約7～8 m（圖9），與預測情況基本一致。

圖9 塌陷坑現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.9 Site photo of collapse pit

4.3.2 微震監(jiān)測

第二期監(jiān)測項目自運行以來效果良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷或錯誤報警情況，監(jiān)測點密度為2 s 取得一個監(jiān)測數(shù)值，已成功處理監(jiān)測數(shù)據(jù)近60 萬條，成功預測了2020年5月31日13:23 時臨區(qū)采空塌陷一次。

本次塌陷點位于監(jiān)測區(qū)東北向1.5 km 處，隸屬于山東省蘭陵縣。振動傳感器在11:37 接收到異常信號（圖10a），推測石膏礦護頂層逐漸脫落、頂板變形并開始零星冒落，振動傳感器捕捉了本次震動并觸發(fā)報警；13:23 時之后頂板完全破壞垮塌、塌陷開始并發(fā)展到地表，此過程中振動傳感器接收到大量異常信號；異常信號在16:23 結束（圖10b），推測塌陷全部結束，塌陷巖土體進入壓密階段。

圖10 振動采集儀異常數(shù)據(jù)始末Fig.10 Anomalous data from monitoring sites

5 結語

通過對邳州北部石膏礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析，驗證了理論分析和數(shù)值模擬過程中對塌陷過程和塌陷機理分析的準確性、科學性，同時可以看出光纖傳感技術、多參量監(jiān)測系統(tǒng)是行之有效的，能夠有效監(jiān)測到相關參量的變化情況，可有效監(jiān)測礦區(qū)內(nèi)塌陷的發(fā)生，并為礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)災害的監(jiān)測、預警、防治提供科學依據(jù)。結合礦區(qū)塌陷特征，主要得到以下幾方面的認識：

（1）第四系底部含水層監(jiān)測點的水位變化對塌陷初期較為敏感，但監(jiān)測范圍相對較小，可作為礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測預警的良好參量，能夠為區(qū)內(nèi)人員疏散撤離提供充足時間；同時，地下水位的變化情況可以反映出塌陷過程中的開始、充填和結束等階段特征。

（2）振動傳感器可以有效接收到較大范圍內(nèi)采空區(qū)頂板斷裂、塌落時產(chǎn)生的振動波并發(fā)出預警信號；鉆孔內(nèi)振動傳感器的布設應考慮地表振動的影響，應將其布置于鉆孔深部，以消除地表淺層振動造成監(jiān)測數(shù)據(jù)的噪點波動。

（3）對于不同類型的采空塌陷，不同位置、不同深度的巖土體變形存在較大差別。采用鉆孔內(nèi)光纖監(jiān)測技術可以得到鉆孔內(nèi)巖土體位移情況和隨時間的變化規(guī)律。但鉆孔內(nèi)巖土體位移光纖傳感器的監(jiān)測范圍較小，不能有效監(jiān)測到遠處塌陷造成的巖土體位移情況，后期應改進其布設方法。

（4）在后期監(jiān)測工作中，通過多點、多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收、處理，可以推測出塌陷位置、類型和范圍等，做為提前預警疏散的范圍依據(jù)。