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(duì)，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(xué)（蘇州）高新技術(shù)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(shì)礦產(chǎn)資源，已有數(shù)十年的開(kāi)采歷史。石膏礦開(kāi)采引起的采空塌陷風(fēng)險(xiǎn)隱患 給礦區(qū)人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成較大的威脅。為保障該類(lèi)區(qū)域的生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，許多科技人員對(duì)石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性、地面塌陷機(jī)理和監(jiān)測(cè)預(yù)警方法等方面進(jìn)行了大量的研究，如：邱洋等[1]、張求才等[2]、李明等[3]、夏開(kāi)宗等[4]、陳從新[5]從石膏礦礦柱穩(wěn)定性、護(hù)頂層及上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)和冒落規(guī)律方面對(duì)石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究，閆士民等[6]、劉愛(ài)斌等[7]、周丹等[8]等人對(duì)邳北石膏礦區(qū)采空塌陷特征、穩(wěn)定性分區(qū)、監(jiān)測(cè)預(yù)警和災(zāi)害防治等方面進(jìn)行了分析研究，盧毅等[9]、鄭茂興等[10]、湯志剛等[11]對(duì)石膏礦區(qū)等地面變形特征及監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。如何基于現(xiàn)有理論研究選擇合適監(jiān)測(cè)技術(shù)，建立一套實(shí)時(shí)有效的石膏礦采空塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)今重任。

石膏礦采空區(qū)監(jiān)測(cè)現(xiàn)主要采用經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)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(cè)，難以滿足采空區(qū)監(jiān)測(cè)超前預(yù)報(bào)、長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)在線的要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試采用鉆孔埋入長(zhǎng)期穩(wěn)定性高的光纖傳感器和傳感光纜來(lái)獲取深部土層的變形、水壓、溫度等多場(chǎng)信息分布，為深部巖土工程監(jiān)測(cè)提供一種新思路。目前，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展迅速，同時(shí)逐漸在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中發(fā)揮重要作用[12-21]。但是由于石膏礦的開(kāi)采方式、塌陷機(jī)理和地表變形特征等因素的影響，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在石膏礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的研究尚較少。

文中在前人對(duì)石膏礦采空塌陷特征、采空區(qū)穩(wěn)定性、塌陷機(jī)理和地面變形監(jiān)測(cè)等研究的基礎(chǔ)上，基于光纖傳感技術(shù)，使用多種傳感器開(kāi)展邳州市北部石膏礦區(qū)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警探索，進(jìn)行塌陷機(jī)理研究并驗(yàn)證光纖傳感技術(shù)在石膏礦區(qū)采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)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(gè)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(guò)44×108t，其中控制的儲(chǔ)量達(dá)16×108t，居華東地區(qū)之首，礦床埋藏淺，開(kāi)采技術(shù)條件簡(jiǎn)單，自1984年第一家石膏礦投產(chǎn)后，30 多年來(lái)，隨著石膏礦的大量開(kāi)采，引發(fā)了嚴(yán)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(zāi)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(kuò)大，造成礦井報(bào)廢、土地?fù)p毀等嚴(yán)重后果，對(duì)礦區(qū)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全威脅較大。

2 礦區(qū)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)、構(gòu)造

礦區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺(tái)—淮河臺(tái)坳—淮北臺(tái)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(mén)群-震旦系石英砂巖、石英巖及頁(yè)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(jié)核黏土，局部含較多的鐵錳結(jié)核，中下部夾中-細(xì)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(gè)含膏巖帶（層），編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅲ膏帶是整個(gè)礦區(qū)開(kāi)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(xì)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 礦區(qū)巖土層的物理性質(zhì)指標(biāo)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(lèi)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(duì)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(yàn)結(jié)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(jī)理分析及預(yù)警參量選取

3.1 塌陷歷史

邳北石膏礦開(kāi)采以來(lái)共發(fā)生過(guò)地面塌陷23 次，發(fā)育了面狀地面塌陷和點(diǎn)狀整體塌陷兩種表現(xiàn)形式（圖1）。其中點(diǎn)狀整體塌陷發(fā)生時(shí)，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(kuò)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(jī)理分析

石膏礦被開(kāi)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(dòng)、變形和非連續(xù)的破壞(開(kāi)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(kāi)采，采場(chǎng)的穩(wěn)定依靠留設(shè)的連續(xù)礦柱和預(yù)留的石膏護(hù)頂層及護(hù)底石膏層來(lái)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(hù)頂層厚度對(duì)采空區(qū)塌陷特征的影響，通過(guò)分析土體的充填狀態(tài)、巖土體擾動(dòng)和熱量生成情況等，可以更直觀的認(rèn)識(shí)采空區(qū)塌陷的動(dòng)態(tài)過(guò)程，揭示了采空塌陷特征和機(jī)理，為本次石膏礦采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供參考。根據(jù)模擬分析，地面塌陷發(fā)生時(shí)，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(guò)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(duì)采空區(qū)和破裂頂板進(jìn)行充填，阻止了地下水的繼續(xù)漏失，同時(shí)地下水位慢慢恢復(fù)，塌陷穩(wěn)定后恢復(fù)常態(tài)。在頂板冒落、上覆巖土體垮落時(shí)，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)波和巖土體位移。

3.3 預(yù)警參量選取及技術(shù)方法

根據(jù)石膏礦區(qū)地面塌陷過(guò)程和機(jī)理分析可知在塌陷開(kāi)始到結(jié)束過(guò)程中，采空區(qū)上覆第四系松散層底含水水位會(huì)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生上覆巖土體位移和振動(dòng)波，因此以上述參量的變化作為地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要監(jiān)測(cè)對(duì)象。

采用點(diǎn)式高精光纖光柵技術(shù)進(jìn)行地下水位、巖土體位移實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、采用微震傳感器對(duì)塌陷區(qū)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警、采用光纖地質(zhì)災(zāi)害報(bào)警器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)塌陷實(shí)時(shí)預(yù)警，其關(guān)鍵之一在于相關(guān)傳感器件的布設(shè)。針對(duì)采空區(qū)地面塌陷的特點(diǎn)，通過(guò)光纖不同的空間埋設(shè)方式，在土層中通過(guò)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(shè)振動(dòng)傳感器。將一維的傳感器件建成多維多參量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，獲取塌陷區(qū)立體變形場(chǎng)。在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)上建立地面塌陷監(jiān)測(cè)網(wǎng)，利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到準(zhǔn)確掌握礦區(qū)地面的變形情況及地下水位動(dòng)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(dòng)信號(hào)，判斷地面塌陷可能發(fā)生的情況，同時(shí)達(dá)到科學(xué)分析與預(yù)報(bào)預(yù)警的目的。

4 光纖傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.1 工作原理

布拉格光纖光柵（FBG）傳感器是通過(guò)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(dāng)溫度或應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)，光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變，應(yīng)變使得光柵周期變大，同時(shí)光纖芯層和包層半徑變小，通過(guò)光彈性效應(yīng)改變了光纖的折射率，從而引起光柵波長(zhǎng)偏移。利用應(yīng)變與光柵波長(zhǎng)偏移量的線性關(guān)系，通過(guò)計(jì)算得出被測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)變量?？蓪?duì)沿光纖的軸向應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)，并具有分布式、長(zhǎng)距離、精度高和耐久性長(zhǎng)等特點(diǎn)。利用新型應(yīng)變、應(yīng)力、位移和溫度等分布式光纖傳感器件和采集終端，集成應(yīng)用于各類(lèi)工程的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，適用于各類(lèi)工程檢測(cè)與監(jiān)測(cè)。

4.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

4.2.1 石膏礦地面塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

石膏礦地面塌陷無(wú)線監(jiān)測(cè)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(kù)等技術(shù)，采用3G、4G 無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)送、發(fā)布和異常數(shù)據(jù)告警，采用SQLLite 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)本地化保存和管理，為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)提供依據(jù)支持。

基于傳感技術(shù)的石膏礦塌陷多參量監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。

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

（2）監(jiān)測(cè)方案

①塌陷區(qū)豎向變形及滲壓監(jiān)測(cè)

鉆孔監(jiān)測(cè)主要是分為兩個(gè)方面監(jiān)測(cè)，第一是地表塌陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)在鉆孔中串聯(lián)三個(gè)光纖光柵位移計(jì)實(shí)現(xiàn)，滲水壓力變化通過(guò)在鉆孔底部布設(shè)一個(gè)光纖光柵滲壓計(jì)實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)是現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警報(bào)警裝置，通過(guò)在鉆孔中布設(shè)地質(zhì)災(zāi)害報(bào)警器來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有傳感器通過(guò)配重導(dǎo)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(shí)，具體布設(shè)方案如圖3所示。

圖3 鉆孔監(jiān)測(cè)布設(shè)示意圖Fig.3 Schematic diagram of borehole monitoring arrangement

在同一鉆孔內(nèi)布設(shè)三類(lèi)傳感器件，在光纖傳感器布設(shè)前光纖光柵位移計(jì)串聯(lián)形成一個(gè)U 型回路；將光纖光柵滲壓計(jì)和光纖光柵溫度計(jì)串聯(lián)成一個(gè)U 型回路；將地質(zhì)災(zāi)害報(bào)警器串聯(lián)成U 型回路；所有的傳感器通過(guò)配重導(dǎo)頭自重下放至鉆孔中，光纖綜合監(jiān)測(cè)孔布設(shè)如圖3所示。

為了實(shí)現(xiàn)采空塌陷的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，采用時(shí)間序列分析法和應(yīng)變一維分布模型對(duì)實(shí)測(cè)的應(yīng)變、位移和含水層孔隙水壓力等參量進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)覆巖變形的預(yù)測(cè)。

②塌陷區(qū)微震信號(hào)監(jiān)測(cè)

塌陷區(qū)微震信號(hào)監(jiān)測(cè)采用振動(dòng)傳感器，將傳感器通過(guò)鉆孔直埋的方式埋設(shè)于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝4 個(gè)振動(dòng)傳感器，4 個(gè)傳感器共用一個(gè)振動(dòng)采集儀，測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖4所示。

圖4 振動(dòng)傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring point arrangement of vibration sensor

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成主要是通過(guò)傳感器、引線、解調(diào)設(shè)備和客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)。將三個(gè)鉆孔的光纖光柵傳感器集中在一個(gè)監(jiān)測(cè)站，通過(guò)無(wú)線傳輸至客戶端，來(lái)實(shí)現(xiàn)地面塌陷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Wireless automation monitoring system architecture

（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

①監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)依據(jù)

根據(jù)技術(shù)路線和研究方法，本次主要采用光纖豎向位移監(jiān)測(cè)、微震監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)等多種手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)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(shè)如下：

變形、滲壓、溫度、微震光纖監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要選定3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)3 種不同類(lèi)型塌陷，一個(gè)布設(shè)在采空區(qū)露頭附近，已發(fā)生的兩個(gè)塌陷點(diǎn)之間，一個(gè)布設(shè)在前期監(jiān)理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)上，直接監(jiān)測(cè)隱患點(diǎn)變化情況，一個(gè)布設(shè)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(cè)點(diǎn)有兩個(gè)作用：首先是對(duì)前期布設(shè)的光纖監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行驗(yàn)證滲流場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果，通過(guò)抽水試驗(yàn)，使周邊滲流場(chǎng)發(fā)生變化，監(jiān)測(cè)光纖對(duì)滲流場(chǎng)變化的觀測(cè)效果，擬對(duì)90～350 m 不同觀測(cè)半徑下進(jìn)行觀測(cè)；第二是塌陷過(guò)程中底含水首先向采空區(qū)滲漏，通過(guò)觀測(cè)底含水水位變化推測(cè)采空地面塌陷發(fā)生時(shí)間。綜合三個(gè)光纖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，結(jié)合抽水試驗(yàn)半徑，選擇布設(shè)6 個(gè)地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)底含水水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

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

表2 主要監(jiān)測(cè)工程量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of main monitored quantities

圖6 第一期水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖Fig.6 Layout of water level monitoring points at phase I

圖7 第二期光纖監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)布設(shè)圖Fig.7 Layout of phase II optical fiber monitoring points

4.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成果

4.3.1 地下水位監(jiān)測(cè)

第一期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目自運(yùn)行以來(lái)效果良好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷或錯(cuò)誤報(bào)警情況，已成功處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)近10 萬(wàn)條，成功預(yù)測(cè)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(yù)警，技術(shù)人員第一時(shí)間對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)地下水位于當(dāng)日7:08 開(kāi)始異常下降，8:39 達(dá)到最低點(diǎn)，水位降幅70 cm，之后水位逐漸恢復(fù)，至17:10 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本恢復(fù)至原水位線附近。DXSW02 同時(shí)出現(xiàn)了水位小幅下降，降幅0.8 cm，二者下降趨勢(shì)表現(xiàn)一致（圖8）。

圖8 水位變化監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)分析推測(cè)，7:08 采空區(qū)頂板開(kāi)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(diǎn)使水位達(dá)到最低點(diǎn)后逐漸恢復(fù)，塌陷結(jié)束后地下水位逐漸恢復(fù)正常。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測(cè)孔位置及地下水位變化情況，預(yù)計(jì)可能塌陷點(diǎn)在DXSW02、DXSW03 兩孔之間，靠近DXSW03 孔位置，類(lèi)型為點(diǎn)狀塌陷，直徑較小。預(yù)警信號(hào)發(fā)出后，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了人員疏散和巡查。至14:00時(shí)，在DXSW03 東側(cè)135 m 處發(fā)生塌陷；至18:00 時(shí)，塌陷基本結(jié)束。塌陷結(jié)束后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(yù)測(cè)情況基本一致。

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

4.3.2 微震監(jiān)測(cè)

第二期監(jiān)測(cè)項(xiàng)目自運(yùn)行以來(lái)效果良好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)中斷或錯(cuò)誤報(bào)警情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度為2 s 取得一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)值，已成功處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)近60 萬(wàn)條，成功預(yù)測(cè)了2020年5月31日13:23 時(shí)臨區(qū)采空塌陷一次。

本次塌陷點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)東北向1.5 km 處，隸屬于山東省蘭陵縣。振動(dòng)傳感器在11:37 接收到異常信號(hào)（圖10a），推測(cè)石膏礦護(hù)頂層逐漸脫落、頂板變形并開(kāi)始零星冒落，振動(dòng)傳感器捕捉了本次震動(dòng)并觸發(fā)報(bào)警；13:23 時(shí)之后頂板完全破壞垮塌、塌陷開(kāi)始并發(fā)展到地表，此過(guò)程中振動(dòng)傳感器接收到大量異常信號(hào)；異常信號(hào)在16:23 結(jié)束（圖10b），推測(cè)塌陷全部結(jié)束，塌陷巖土體進(jìn)入壓密階段。

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

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)邳州北部石膏礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，驗(yàn)證了理論分析和數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)塌陷過(guò)程和塌陷機(jī)理分析的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，同時(shí)可以看出光纖傳感技術(shù)、多參量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是行之有效的，能夠有效監(jiān)測(cè)到相關(guān)參量的變化情況，可有效監(jiān)測(cè)礦區(qū)內(nèi)塌陷的發(fā)生，并為礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、防治提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合礦區(qū)塌陷特征，主要得到以下幾方面的認(rèn)識(shí)：

（1）第四系底部含水層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水位變化對(duì)塌陷初期較為敏感，但監(jiān)測(cè)范圍相對(duì)較小，可作為礦區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)預(yù)警的良好參量，能夠?yàn)閰^(qū)內(nèi)人員疏散撤離提供充足時(shí)間；同時(shí)，地下水位的變化情況可以反映出塌陷過(guò)程中的開(kāi)始、充填和結(jié)束等階段特征。

（2）振動(dòng)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波并發(fā)出預(yù)警信號(hào)；鉆孔內(nèi)振動(dòng)傳感器的布設(shè)應(yīng)考慮地表振動(dòng)的影響，應(yīng)將其布置于鉆孔深部，以消除地表淺層振動(dòng)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的噪點(diǎn)波動(dòng)。

（3）對(duì)于不同類(lèi)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(cè)技術(shù)可以得到鉆孔內(nèi)巖土體位移情況和隨時(shí)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(cè)范圍較小，不能有效監(jiān)測(cè)到遠(yuǎn)處塌陷造成的巖土體位移情況，后期應(yīng)改進(jìn)其布設(shè)方法。

（4）在后期監(jiān)測(cè)工作中，通過(guò)多點(diǎn)、多參量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理，可以推測(cè)出塌陷位置、類(lèi)型和范圍等，做為提前預(yù)警疏散的范圍依據(jù)。