基于光纤传感的石膏矿地面塌陷监测预警系统

汤志刚，蔡承刚，王艳红，魏广庆，张 振，景佳俊

（1.江苏省地质矿产局第五地质大队，江苏 徐州 221004；2.江苏省地质矿产勘查局，江苏 南京 210018；3.南京大学（苏州）高新技术研究院，江苏 苏州 215128）

0 引言

石膏是江苏省邳州市北部地区的优势矿产资源，已有数十年的开采历史。石膏矿开采引起的采空塌陷风险隐患 给矿区人民的生命、财产安全构成较大的威胁。为保障该类区域的生态可持续发展，许多科技人员对石膏矿采空区的稳定性、地面塌陷机理和监测预警方法等方面进行了大量的研究，如：邱洋等[1]、张求才等[2]、李明等[3]、夏开宗等[4]、陈从新[5]从石膏矿矿柱稳定性、护顶层及上覆岩层的力学性质和冒落规律方面对石膏矿采空区稳定性和塌陷机理进行了研究，闫士民等[6]、刘爱斌等[7]、周丹等[8]等人对邳北石膏矿区采空塌陷特征、稳定性分区、监测预警和灾害防治等方面进行了分析研究，卢毅等[9]、郑茂兴等[10]、汤志刚等[11]对石膏矿区等地面变形特征及监测监控技术等方面进行了研究。如何基于现有理论研究选择合适监测技术，建立一套实时有效的石膏矿采空塌陷监测预警系统是当今重任。

石膏矿采空区监测现主要采用经纬仪、水准仪和全站仪或GPS 等方法获取地表变形，是塌陷发生后的表现监测，难以满足采空区监测超前预报、长期和实时在线的要求。近年来，国内外学者尝试采用钻孔埋入长期稳定性高的光纤传感器和传感光缆来获取深部土层的变形、水压、温度等多场信息分布，为深部岩土工程监测提供一种新思路。目前，光纤监测技术在工程技术领域发展迅速，同时逐渐在地质灾害监测预警过程中发挥重要作用[12-21]。但是由于石膏矿的开采方式、塌陷机理和地表变形特征等因素的影响，光纤监测技术在石膏矿区地质灾害监测预警方面的研究尚较少。

文中在前人对石膏矿采空塌陷特征、采空区稳定性、塌陷机理和地面变形监测等研究的基础上，基于光纤传感技术，使用多种传感器开展邳州市北部石膏矿区采空塌陷地质灾害监测预警探索，进行塌陷机理研究并验证光纤传感技术在石膏矿区采空塌陷地质灾害监测预警的有效性。

1 矿区概况

邳北石膏矿区位于邳州市北部，呈北西向条带状横跨邢楼、岔河、四户、邹庄和铁富五个镇，面积约47.3 km2。

邳北石膏矿区是江苏省重要石膏产地，其查明资源总量超过44×108t，其中控制的储量达16×108t，居华东地区之首，矿床埋藏浅，开采技术条件简单，自1984年第一家石膏矿投产后，30 多年来，随着石膏矿的大量开采，引发了严重的采空塌陷。自2005年3月发生第一起采空塌陷起，邳州石膏矿区连续多年都有采空塌陷灾害发生，至今已发生23 处采空塌陷，由于塌陷频率不断加快，规模不断扩大，造成矿井报废、土地损毁等严重后果，对矿区人民的生命及财产安全威胁较大。

2 矿区地质条件

2.1 地质、构造

矿区大地构造位置处于中朝准地台—淮河台坳—淮北台陷褶带—徐州—（宿县）弧形断褶带—四户凹陷。区域地层主要有：太古界泰山群片麻岩，上元古界青白口系土门群-震旦系石英砂岩、石英岩及页岩，震旦系赵圩组-张渠组碳酸盐岩，寒武系-奥陶系碳酸盐岩与碎屑岩，中生界白垩系青山组-王氏组碎屑岩及火山碎屑岩，古近系官庄组-大汶口组含盐碎屑岩沉积为主。第四系广泛分布，厚度40～45 m 不等。

2.2 工程地质条件

全新统（0～4 m）岩性以灰黄、褐黄色亚黏土、粉质黏土为主，底部为灰黑色黏土；中上更新统（4～27 m）岩性主要为棕黄、褐黄色含钙质结核黏土，局部含较多的铁锰结核，中下部夹中-细砂层；下更新统（27～40 m）岩性为棕褐色黏土、粗砂、砾石层。

石膏矿赋存于古近系大汶口组下段地层中，根据石膏矿层分布特征，可分为3 个含膏岩带（层），编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅲ膏带是整个矿区开采矿层，矿区内顶板埋深46～152 m，膏层厚12.15～14.05 m。矿层的顶板主要为泥岩、砂质泥岩、含膏泥岩，局部地段有粉砂岩、细砂岩及含砾砂岩。矿层底板岩性为泥岩。石膏矿区主要岩土体力学性质指标见表1。

表1 矿区岩土层的物理性质指标Table 1 Physical properties indexes of rock and soil

2.3 水文地质条件

矿区及周边地下水主要为松散岩类孔隙水，赋存于全新统及上更新统—中更新统砂层和砾石层中，局部具承压性质。第四系孔隙含水层其上部岩性为全新统棕黄色粉质黏土中夹的砂层，富水性相对较弱，单井涌水量小于40 m3/d；中部为中更新统粉质黏土中夹的砂层或含砾砂层，富水性中等；底部局部地段为厚1～5 m的中更新统粗砂和砾石层，富水性较好。据部分矿段钻孔抽水试验结果：降深2.86～6.84 m，涌水量556.8～749.95 m3/d，单位涌水量1.17～2.597 L/s·m，渗透系数2.73～13.0 m/d。

3 塌陷机理分析及预警参量选取

3.1 塌陷历史

邳北石膏矿开采以来共发生过地面塌陷23 次，发育了面状地面塌陷和点状整体塌陷两种表现形式（图1）。其中点状整体塌陷发生时，塌陷坑平面近圆形，塌陷稳定后至今未继续塌陷。面状地面塌陷发生后，周边先后发生多次塌陷且范围逐渐扩大，最终连为一体。

图1 矿区地面塌陷现状Fig.1 Current collapse in mining area

3.2 塌陷机理分析

石膏矿被开采以后，采空区上覆岩层和地表由下至上产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等)，最终造成地面塌陷[22]。

邳州石膏矿区各矿山均采用房柱式开采，采场的稳定依靠留设的连续矿柱和预留的石膏护顶层及护底石膏层来维持平衡。王波等[23]根据石膏矿典型的工程地质条件，利用MatDEM 建立了采空区离散元模型，研究了矿房数量、矿房尺寸、矿柱宽度以及护顶层厚度对采空区塌陷特征的影响，通过分析土体的充填状态、岩土体扰动和热量生成情况等，可以更直观的认识采空区塌陷的动态过程，揭示了采空塌陷特征和机理，为本次石膏矿采空区地面塌陷监测设计和预测预报提供参考。根据模拟分析，地面塌陷发生时，塌陷前先出现顶板冒落，随后采空区上覆第四系松散层底含水通过采空区顶板裂隙渗入矿房，造成塌陷附近地下水位急剧下降，塌陷发生后上覆岩土体对采空区和破裂顶板进行充填，阻止了地下水的继续漏失，同时地下水位慢慢恢复，塌陷稳定后恢复常态。在顶板冒落、上覆岩土体垮落时，会同时产生振动波和岩土体位移。

3.3 预警参量选取及技术方法

根据石膏矿区地面塌陷过程和机理分析可知在塌陷开始到结束过程中，采空区上覆第四系松散层底含水水位会产生剧烈波动，同时产生上覆岩土体位移和振动波，因此以上述参量的变化作为地面塌陷监测预警的重要监测对象。

采用点式高精光纤光栅技术进行地下水位、岩土体位移实时在线监测、采用微震传感器对塌陷区振动信号进行监测预警、采用光纤地质灾害报警器进行现场突发塌陷实时预警，其关键之一在于相关传感器件的布设。针对采空区地面塌陷的特点，通过光纤不同的空间埋设方式，在土层中通过钻孔方式垂向植入光纤传感器，以获取各地层土体的变形、水压信息；在不同深度、不同范围内布设振动传感器。将一维的传感器件建成多维多参量监测网络，获取塌陷区立体变形场。在各监测点基础上建立地面塌陷监测网，利用自动化监测设备对监测点进行测量，达到准确掌握矿区地面的变形情况及地下水位动态情况，根据地面沉降量、水位下降幅度以及塌陷区振动信号，判断地面塌陷可能发生的情况，同时达到科学分析与预报预警的目的。

4 光纤传感监测系统

4.1 工作原理

布拉格光纤光栅（FBG）传感器是通过改变光纤芯区折射率，使其产生小的周期性调制而形成。当温度或应力发生改变时，光纤产生轴向应变，应变使得光栅周期变大，同时光纤芯层和包层半径变小，通过光弹性效应改变了光纤的折射率，从而引起光栅波长偏移。利用应变与光栅波长偏移量的线性关系，通过计算得出被测结构应变量。可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测，并具有分布式、长距离、精度高和耐久性长等特点。利用新型应变、应力、位移和温度等分布式光纤传感器件和采集终端，集成应用于各类工程的分布式光纤监测系统，适用于各类工程检测与监测。

4.2 监测系统建设

4.2.1 石膏矿地面塌陷监测系统

（1）系统架构

石膏矿地面塌陷无线监测系统利用光纤布拉格光栅（FBG）、物联网、互联网和数据库等技术，采用3G、4G 无线技术实现对监测对象的数据实时监测和处理，采用互联网技术实现数据报送、发布和异常数据告警，采用SQLLite 数据库实现了数据本地化保存和管理，为自动化监测提供依据支持。

基于传感技术的石膏矿塌陷多参量监测整体系统架构见图2。

图2 基于光纤传感技术的石膏矿地面塌陷多参量监测系统架构图Fig.2 Framework of multi-parameter monitoring system for ground subsidence of gypsum mine based on fiber sensing technology

（2）监测方案

①塌陷区竖向变形及渗压监测

钻孔监测主要是分为两个方面监测，第一是地表塌陷实时监测，通过在钻孔中串联三个光纤光栅位移计实现，渗水压力变化通过在钻孔底部布设一个光纤光栅渗压计实现；第二个是现场预警报警装置，通过在钻孔中布设地质灾害报警器来实现。所有传感器通过配重导头下放至钻孔内，然后采用砂石料回填钻孔并保证钻孔回填密实，具体布设方案如图3所示。

图3 钻孔监测布设示意图Fig.3 Schematic diagram of borehole monitoring arrangement

在同一钻孔内布设三类传感器件，在光纤传感器布设前光纤光栅位移计串联形成一个U 型回路；将光纤光栅渗压计和光纤光栅温度计串联成一个U 型回路；将地质灾害报警器串联成U 型回路；所有的传感器通过配重导头自重下放至钻孔中，光纤综合监测孔布设如图3所示。

为了实现采空塌陷的准确预测，采用时间序列分析法和应变一维分布模型对实测的应变、位移和含水层孔隙水压力等参量进行分析，进而实现对覆岩变形的预测。

②塌陷区微震信号监测

塌陷区微震信号监测采用振动传感器，将传感器通过钻孔直埋的方式埋设于监测区域内，每个测点安装4 个振动传感器，4 个传感器共用一个振动采集仪，测点布设如图4所示。

图4 振动传感器测点布设示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring point arrangement of vibration sensor

本监测系统集成主要是通过传感器、引线、解调设备和客户端来实现。将三个钻孔的光纤光栅传感器集中在一个监测站，通过无线传输至客户端，来实现地面塌陷实时监测，形成实时监测系统，如图5所示。

图5 无线自动化监测系统架构Fig.5 Wireless automation monitoring system architecture

（3）监测点布设

①监测点布设依据

根据技术路线和研究方法，本次主要采用光纤竖向位移监测、微震监测、地下水监测等多种手段进行监测预警。根据本次选定的示范区采空区、基岩、第四系、含水层、顶板岩性等资料综合分析研究，主要工作量布设如下：

变形、渗压、温度、微震光纤监测点主要选定3 个监测点，分别监测3 种不同类型塌陷，一个布设在采空区露头附近，已发生的两个塌陷点之间，一个布设在前期监理过程中发现的地质灾害隐患点上，直接监测隐患点变化情况，一个布设在塌陷变形外围，靠近前期塌陷且后期可能发生大面积变形的区域。

地下水监测点有两个作用：首先是对前期布设的光纤监测孔进行验证渗流场监测效果，通过抽水试验，使周边渗流场发生变化，监测光纤对渗流场变化的观测效果，拟对90～350 m 不同观测半径下进行观测；第二是塌陷过程中底含水首先向采空区渗漏，通过观测底含水水位变化推测采空地面塌陷发生时间。综合三个光纤监测点的位置，结合抽水试验半径，选择布设6 个地下水监测点，对底含水水位进行监测。

②监测点布设

已实施监测工程分两期，其中第一期主要布设第四系底含水（埋深38～41 m）水位监测点6 个，孔深约45 m；第二期布设光纤纵向位移和渗流变化、温度监测点、微震监测点3 个，孔深均为50 m。监测点布设及基本信息见图6、图7和表2。

表2 主要监测工程量统计表Table 2 Statistical table of main monitored quantities

图6 第一期水位监测点布设图Fig.6 Layout of water level monitoring points at phase I

图7 第二期光纤监测点布设布设图Fig.7 Layout of phase II optical fiber monitoring points

4.3 监测系统成果

4.3.1 地下水位监测

第一期监测项目自运行以来效果良好，监测数据未出现中断或错误报警情况，已成功处理监测数据近10 万条，成功预测了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 孔发出预警，技术人员第一时间对监测数据进行了监控，发现地下水位于当日7:08 开始异常下降，8:39 达到最低点，水位降幅70 cm，之后水位逐渐恢复，至17:10 监测数据基本恢复至原水位线附近。DXSW02 同时出现了水位小幅下降，降幅0.8 cm，二者下降趋势表现一致（图8）。

图8 水位变化监测数据曲线图（2019年2月1—10日）Fig.8 Monitoring data curve of water level (1—10 Feb,2019)

根据监测数据分析推测，7:08 采空区顶板开始垮落、第四系底部含水层地下水位急剧下降，至8:39 采空区顶板及上覆松散层垮落、充填堵塞漏水点使水位达到最低点后逐渐恢复，塌陷结束后地下水位逐渐恢复正常。同时，根据监测孔位置及地下水位变化情况，预计可能塌陷点在DXSW02、DXSW03 两孔之间，靠近DXSW03 孔位置，类型为点状塌陷，直径较小。预警信号发出后，对该区域进行了人员疏散和巡查。至14:00时，在DXSW03 东侧135 m 处发生塌陷；至18:00 时，塌陷基本结束。塌陷结束后经现场踏勘查明地面塌陷坑形态近圆形，直径约20 m，深度约10 m，积水深度约7～8 m（图9），与预测情况基本一致。

图9 塌陷坑现场照片Fig.9 Site photo of collapse pit

4.3.2 微震监测

第二期监测项目自运行以来效果良好，监测数据未出现中断或错误报警情况，监测点密度为2 s 取得一个监测数值，已成功处理监测数据近60 万条，成功预测了2020年5月31日13:23 时临区采空塌陷一次。

本次塌陷点位于监测区东北向1.5 km 处，隶属于山东省兰陵县。振动传感器在11:37 接收到异常信号（图10a），推测石膏矿护顶层逐渐脱落、顶板变形并开始零星冒落，振动传感器捕捉了本次震动并触发报警；13:23 时之后顶板完全破坏垮塌、塌陷开始并发展到地表，此过程中振动传感器接收到大量异常信号；异常信号在16:23 结束（图10b），推测塌陷全部结束，塌陷岩土体进入压密阶段。

图10 振动采集仪异常数据始末Fig.10 Anomalous data from monitoring sites

5 结语

通过对邳州北部石膏矿区地面塌陷监测数据计算分析，验证了理论分析和数值模拟过程中对塌陷过程和塌陷机理分析的准确性、科学性，同时可以看出光纤传感技术、多参量监测系统是行之有效的，能够有效监测到相关参量的变化情况，可有效监测矿区内塌陷的发生，并为矿区地面塌陷地质灾害的监测、预警、防治提供科学依据。结合矿区塌陷特征，主要得到以下几方面的认识：

（1）第四系底部含水层监测点的水位变化对塌陷初期较为敏感，但监测范围相对较小，可作为矿区地面塌陷监测预警的良好参量，能够为区内人员疏散撤离提供充足时间；同时，地下水位的变化情况可以反映出塌陷过程中的开始、充填和结束等阶段特征。

（2）振动传感器可以有效接收到较大范围内采空区顶板断裂、塌落时产生的振动波并发出预警信号；钻孔内振动传感器的布设应考虑地表振动的影响，应将其布置于钻孔深部，以消除地表浅层振动造成监测数据的噪点波动。

（3）对于不同类型的采空塌陷，不同位置、不同深度的岩土体变形存在较大差别。采用钻孔内光纤监测技术可以得到钻孔内岩土体位移情况和随时间的变化规律。但钻孔内岩土体位移光纤传感器的监测范围较小，不能有效监测到远处塌陷造成的岩土体位移情况，后期应改进其布设方法。

（4）在后期监测工作中，通过多点、多参量监测数据的接收、处理，可以推测出塌陷位置、类型和范围等，做为提前预警疏散的范围依据。