劉 昊 ,徐良驥,2,劉瀟鵬,2,付 翔,陳秋影

(1.安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南 232001)

礦區(qū)地面非采動(dòng)沉降是指由于地層失水過程中的固結(jié)壓縮引起土壤地表不斷的移動(dòng)變化和非持續(xù)的破壞過程[1]。由于在中國(guó)黃淮地區(qū)許多煤礦,礦區(qū)地面沉降一直是研究人員的關(guān)注點(diǎn)。礦區(qū)地面沉降一方面會(huì)給地表建設(shè)的安全使用造成一定隱患,另一方面也會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和群眾的財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)一定威脅。因此開展非采動(dòng)沉降的監(jiān)測(cè)和分析對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)工作至關(guān)重要。

目前,常見的沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有:合成孔徑干涉雷達(dá)測(cè)量、基巖標(biāo)測(cè)量、GPS測(cè)量、分層沉降標(biāo)等[2]。但是這些測(cè)量技術(shù)在用于地層變形監(jiān)測(cè)過程中都存在一定缺陷。例如:水準(zhǔn)測(cè)量、合成孔徑干涉雷達(dá)測(cè)量、GPS測(cè)量等技術(shù)只能監(jiān)測(cè)地面高程的變化量,而不能得到地表下土層的變化[3];基巖標(biāo)測(cè)量和分層沉降標(biāo)雖然可以測(cè)得深部土壤的變化量[4],但不能得到地層剖面的連續(xù)變形分布[5]。因此國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開始嘗試使用分布式光纖感測(cè)技術(shù)獲取監(jiān)測(cè)孔內(nèi)地層的連續(xù)變形信息,并獲得了成功[6]。

選取童亭礦工業(yè)廣場(chǎng)240m鉆孔作為監(jiān)測(cè)孔,在鉆孔中布設(shè)了分布式應(yīng)變傳感光纜,利用布里淵光頻域分析(brillouin optical frequency domain analysis,BOFDA)技術(shù)對(duì)鉆孔地層進(jìn)行全斷面監(jiān)測(cè)。通過分布式光纖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬結(jié)果,揭示厚松散層礦區(qū)非采動(dòng)沉降的主要因素和沉降規(guī)律,同時(shí)研究和分析該地區(qū)地面沉降的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 研究區(qū)概況

童亭礦工業(yè)廣場(chǎng)位于淮北市濉溪縣,該礦區(qū)內(nèi)地勢(shì)較為平緩,且均為新生界厚松散層覆蓋。由于礦區(qū)長(zhǎng)期開采,采空區(qū)逐漸靠近工業(yè)廣場(chǎng),隨著開采面積不斷增大,回采工作面上方塌陷破壞了原來(lái)巖層的平衡狀態(tài),導(dǎo)致了已有斷層的活化和裂隙的發(fā)育,提供了地下水下滲的通道。由于井下長(zhǎng)期排水,礦區(qū)地下水位持續(xù)降低,從而出現(xiàn)固結(jié)壓縮引起的地表非采動(dòng)沉降,進(jìn)而威脅重要建構(gòu)筑物的安全使用。據(jù)此,本文以位于采空區(qū)東側(cè)350m左右的童亭礦工業(yè)廣場(chǎng)為研究區(qū)域,在工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)鉆取沉降監(jiān)測(cè)孔,監(jiān)測(cè)孔位于采空區(qū)東面550m左右處,如圖1所示。隨后在監(jiān)測(cè)孔內(nèi)埋設(shè)分布式光纖,并在鉆孔過程中對(duì)地層進(jìn)行詳細(xì)的記錄,由于在230m處出現(xiàn)風(fēng)化泥巖,因此最終成孔深度共240m。根據(jù)鉆孔的巖芯資料及當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料,將該鉆孔自上而下分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層,如表1所示。

表1 研究區(qū)地層組劃分

1.2 分布式光纖測(cè)量原理

BOFDA工作原理如圖2所示,在光纖的兩頭相向注入兩道不同頻率的激光,一頭注入正弦調(diào)幅的連續(xù)斯托克斯光,另一頭注入頻率為fm的泵浦光,兩種激光之間有一定的頻率差Δf[7]。在測(cè)量過程中,由于fm和Δf會(huì)隨著外界條件的變化而發(fā)生改變,而每一個(gè)不會(huì)發(fā)生改變的Δf都會(huì)有與其相應(yīng)的fm。在注入的光經(jīng)過測(cè)試位置時(shí),測(cè)量系統(tǒng)會(huì)對(duì)布里淵散射作出反應(yīng),通過與原始信號(hào)的相對(duì)位置和振動(dòng)幅度進(jìn)行比較,可以得到基帶傳遞函數(shù)H(jw,Δf);隨后通過傅里葉變換將其轉(zhuǎn)移到時(shí)域,得到脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t,Δf);最后通過光在光纖中距離與傳遞時(shí)間的關(guān)系確定Δf與空間位置z之間的關(guān)系h(z,Δf)[8]。

布里淵散射對(duì)沿光纖的溫度變化和軸向應(yīng)變都比較靈敏[9],但溫度對(duì)光纖漂移的影響遠(yuǎn)小于軸向變形的影響。所以如果溫差小于5℃,一般可以忽略[10]。由于在地表10m以下溫度基本不變,因此,可以忽略溫度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響[11]。布里淵頻移量與光纖應(yīng)變的線性關(guān)系如式(1)所示。

(1)

相較于其他的分布式光纖技術(shù),BOFDA技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)在于精度更高且空間分辨率更高[12]。本實(shí)驗(yàn)選用的監(jiān)測(cè)儀器是雙端高精分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀(型號(hào):fTB2505)如圖3所示,適合長(zhǎng)距離分布式應(yīng)變的在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),其動(dòng)態(tài)范圍大于10DB,空間分辨率為0.2m,應(yīng)變測(cè)試區(qū)間在-30 000～30 000με。

圖3 fTB2505光頻域應(yīng)變分析儀

土體在豎直方向上的變形是地面沉降監(jiān)測(cè)的變化量,包括回彈變形和壓縮變形。由于監(jiān)測(cè)孔中的橫向壓力會(huì)隨著地層深度加深而持續(xù)增加,因此土層與監(jiān)測(cè)光纖之間的相互變形作用越來(lái)越強(qiáng)[13]。所以當(dāng)土層被回彈或擠壓時(shí),監(jiān)測(cè)光纖也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的拉伸或壓縮。由于在監(jiān)測(cè)孔中定期采集的數(shù)據(jù)是光纖軸向的應(yīng)變值,為了能得到監(jiān)測(cè)孔內(nèi)土層的形變情況,可以沿著光纖軸向長(zhǎng)度將應(yīng)變值進(jìn)行積分,如式(2)所示,根據(jù)積分結(jié)果可以獲取光纖具體的形變量[14]。

(2)

式中,ΔZ為傳感光纖l2和l1之間的拉伸或壓縮量,m;l為深度,m;ε(i)為在l處傳感光纖的應(yīng)變值;d為傳感光纖采集數(shù)據(jù)的步長(zhǎng),m。

1.3 檢測(cè)方案

為監(jiān)測(cè)礦區(qū)非采動(dòng)條件下地層的變形情況,設(shè)計(jì)基于BOFDA技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),選用金屬基索狀感測(cè)光纜作為應(yīng)變感測(cè)光纜,其基本參量如表2所示。為了確保傳感光纜能夠在鉆孔中下放時(shí)保持豎直狀態(tài),采用鉆桿頂進(jìn)導(dǎo)頭的工藝進(jìn)行光纖傳感器的安裝。為保障傳感光纜在下放過程中不受到破壞,傳感光纜將按“U”型方案布設(shè),當(dāng)傳感光纜垂直下放入鉆孔,需要在鉆孔端口處固定傳感光纜,使傳感光纜的首端和尾端不發(fā)生移動(dòng)。待傳感光纜布設(shè)完成,根據(jù)鉆孔取樣的土層性質(zhì)在孔內(nèi)回填相應(yīng)的材料,經(jīng)過傳感器與回填材料固結(jié)耦合基本穩(wěn)定后,在孔口澆筑井口保護(hù)臺(tái),具體光纜布設(shè)方式如圖4所示。

圖4 傳感器布設(shè)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果

基于BOFDA技術(shù)的地面沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在2020年11月25日鋪設(shè)完成,經(jīng)過鉆孔回填1個(gè)月的完全固結(jié)后,于2021年1月15日進(jìn)行了第一次非采動(dòng)沉降監(jiān)測(cè),截止至2022年1月20日一共完成8次監(jiān)測(cè)。以首次監(jiān)測(cè)獲取的光纖應(yīng)變量作為初始值,將后續(xù)每一次的監(jiān)測(cè)值減去初始值可以得到每一次光纖的應(yīng)變變化量(見圖5b),結(jié)合鉆孔剖面圖(見圖5a),可以直觀地看出發(fā)生應(yīng)變的層位。通過式(2)沿著光纖軸向長(zhǎng)度將每一期的應(yīng)變變化值進(jìn)行積分,可以得到對(duì)應(yīng)的地層形變量,隨后按0.5m的距離對(duì)形變量進(jìn)行平均化處理,可以得到整個(gè)監(jiān)測(cè)孔內(nèi)土體形變分布信息,如圖5(c)所示。

圖5 鉆孔剖面圖

通過圖5(b)光纖監(jiān)測(cè)圖可以發(fā)現(xiàn),在整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi),深度75～120m之間和深度180～230m之間微應(yīng)變呈現(xiàn)明顯負(fù)應(yīng)變,且隨著時(shí)間的推移,傳感光纜的負(fù)應(yīng)變量不斷增加,說明傳感光纜受到了壓應(yīng)變,即檢測(cè)范圍內(nèi)的土體呈現(xiàn)壓縮狀態(tài),且壓縮量不斷增加。圖5(c)是鉆孔剖面沉降圖,圖像顯示監(jiān)測(cè)孔內(nèi)整體呈壓縮狀態(tài),累計(jì)沉降量不斷增加,但增長(zhǎng)趨勢(shì)有所減緩,截止最后一次監(jiān)測(cè),其累計(jì)沉降量達(dá)到9.9mm。

2.2 分析與討論

根據(jù)各層位的厚度和傳感光纜數(shù)據(jù)積分得到的軸向位移量,能夠獲取每一層組的沉降信息,如表3所示。數(shù)據(jù)顯示,第二含水層、第三隔水層和第四含水層為主要壓縮層,壓縮量分別為2.9、4.0和1.2mm。各占總壓縮量的30%、42%、11%。其余層組雖有一定的沉降,但所占比重偏小。經(jīng)調(diào)查,童亭礦生活、生產(chǎn)水井在鉆孔附近,且在第二含水層里取水,因此造成地下水位下降,導(dǎo)致第二含水層壓縮;第三隔水層和第四含水層壓縮是由于第四含水層內(nèi)的水體向回采工作面下滲使其孔壓變低,有效應(yīng)力增大,使含水層本身致密化,第四含水層上方透水性較差的第三隔水層由于第四含水層水頭降低,將水垂直向第四含水層排放,從而失水固結(jié)形成不可逆轉(zhuǎn)的沉降變形。

表3 各層土體變化信息

為了更好地評(píng)價(jià)地層的沉降潛力。把地層累計(jì)沉降量與其厚度之間的比值定義為地層沉降指數(shù)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)可以看出,對(duì)于含水層,第二含水層和第四含水層發(fā)生沉降的潛力更大;而第一含水層和第三含水層潛力很小。對(duì)于隔水層來(lái)說,第三隔水層發(fā)生沉降的潛力遠(yuǎn)大于第二隔水層和第一隔水層。因此需要對(duì)第二含水層、第三隔水層和第四含水層進(jìn)行進(jìn)一步分析。

在監(jiān)測(cè)期間,第二含水層、第三隔水層和第四含水層的壓縮對(duì)地面非采動(dòng)沉降造成了很大的影響,需要進(jìn)一步分析3個(gè)層位的沉降趨勢(shì),圖6為3個(gè)層位的累計(jì)沉降量。從圖6中可以看出,第二含水層累計(jì)沉降量在2021年1月至2021年7月之間不斷增大,但增加速率逐漸降低。由于童亭礦工業(yè)廣場(chǎng)地下水的合理開采,從2021年8月開始,第二含水層幾乎不再發(fā)生壓縮;第三隔水層和第四含水層在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)累計(jì)沉降量都在不斷增加,在1月～7月之間沉降速率逐漸降低,在7月～8月之間增長(zhǎng)速率有所回彈,但8月之后又逐漸降低。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,2021年8月22日起第二含水層固結(jié)已趨于穩(wěn)定,而第三隔水層與第四含水層存在一定壓縮,因此第三隔水層以及第四含水層的壓縮是以后造成礦區(qū)地表非采動(dòng)沉降的主要原因。

圖6 累計(jì)沉降量

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 模型設(shè)計(jì)與模擬方案

由于第四含水層的水體向回采工作面下滲使其孔壓變低,地層產(chǎn)生固結(jié)壓縮沉降。同時(shí)第四含水層孔隙水壓力降低,有效應(yīng)力增大,使含水層本身致密化,第四含水層上方透水性較差的第三隔水層由于第四含水層水頭降低,將水垂直向第四含水層排放,從而失水固結(jié)形成不可逆轉(zhuǎn)的沉降變形。因此,第四含水層向采空區(qū)失水是今后造成童亭礦工業(yè)廣場(chǎng)地表沉降的主要因素。為了進(jìn)一步分析第四含水層失水壓縮對(duì)地表沉降造成的影響,建立數(shù)值模型,分析第四含水層向采空區(qū)持續(xù)失水情況下地表的下沉趨勢(shì)。

數(shù)值模型的建立是以童亭礦區(qū)工業(yè)廣場(chǎng)松散層地質(zhì)資料作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)。本試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵罁?jù)童亭礦區(qū)第四系厚松散層地質(zhì)層位資料,所以本次模擬將地層自上而下分為4個(gè)含水層和3個(gè)隔水層以及基巖八層模型,力學(xué)本構(gòu)模型為摩爾-庫(kù)倫模型,流體模型為達(dá)西滲流模型[15]。根據(jù)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果,選擇如表4所示力學(xué)參數(shù),流體參數(shù)主要包括滲透系數(shù)、孔隙率、流體模量和抗拉強(qiáng)度其數(shù)值分別為1×10-8s·m2/Pa、0.45、1×107Pa和0[16]。以采空區(qū)為模型西側(cè)邊界,建立一個(gè)東西長(zhǎng)800m,深度240m的面狀模型。主要研究第四含水層向采空區(qū)失水后地表的移動(dòng)變形特征。

模型由正六面體組成,網(wǎng)格大小0.5～5m,模型底部設(shè)定為固定邊界,不允許其發(fā)生任何移動(dòng);而頂端設(shè)定為自由邊界,在任意方向上都能隨意運(yùn)動(dòng),x方向及y方向兩側(cè)范圍分別在平行于x軸及y軸方向上不發(fā)生移動(dòng)。面狀模型模擬時(shí)首先計(jì)算孔壓平衡,然后在模型左側(cè)模擬采空區(qū)失水過程中地表的變化特征。為了研究第四含水層與采空區(qū)導(dǎo)通時(shí)地下水涌入采空區(qū)導(dǎo)致的第四含水層失水從而引發(fā)的地層地表變形,將模型左側(cè)置為失水邊界,第四含水層初始孔隙水壓力為2.03×106Pa,將左側(cè)導(dǎo)水邊界孔隙壓力置為2×105Pa,研究不同步數(shù)的孔隙水壓力及地層-地表變形情況。

3.2 模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬得到第四含水層孔隙水壓力分布圖如圖7所示,地層-地表沉降量分布圖如圖8所示。圖7模型運(yùn)行過程中,左側(cè)邊界孔隙水壓力減小,而后自左側(cè)到右側(cè)逐漸增大,直至恢復(fù)至原孔隙水壓力。隨著運(yùn)行步數(shù)的增加,孔隙水壓力變化范圍越來(lái)越大。圖8第四含水層內(nèi)部沉降量由下到上逐漸擴(kuò)大,由左到右逐漸減小;在地層內(nèi)部從下往上傳播過程中,沉降量不斷降低,但沉降影響范圍卻在不斷增大。隨著運(yùn)行步數(shù)的不斷增加,第四含水層內(nèi)部的最大沉陷值以及地表最大沉陷值不斷增大,而增長(zhǎng)速率不斷減小。

由于工業(yè)廣場(chǎng)位于采空區(qū)向東350m處,因此為了研究在第四含水層失水情況下工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)地表的變形規(guī)律,取模型350～800m的數(shù)據(jù),繪制不同計(jì)算步數(shù)后地表沉陷特征,如圖9所示。由于第四含水層失水,工業(yè)廣場(chǎng)范圍地表形成了下沉盆地,與開采沉陷規(guī)律相似,距離采空區(qū)越近沉降量越大,隨著計(jì)算步數(shù)增大,地表沉降盆地的最大沉陷值與沉陷范圍不斷增大,增長(zhǎng)速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。若地下水持續(xù)向采空區(qū)進(jìn)行排泄,地表沉陷值會(huì)達(dá)到極值,且沉陷范圍將持續(xù)增大,直至滲流平衡,最終形成的沉陷范圍將遠(yuǎn)大于開采沉陷的影響范圍。

圖9 同計(jì)算步數(shù)后地表沉降特征

4 結(jié)論

(1)童亭礦區(qū)厚松散層土體鉆孔分布式光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,監(jiān)測(cè)期間內(nèi)鉆孔土體整體呈壓縮狀態(tài),累計(jì)沉降量為9.9mm。地面沉降仍在繼續(xù),但沉降速率有所降低。

(2)礦區(qū)厚松散層的第二含水層、第三隔水層、第四含水層為主要沉降層位,分別占總沉降量的30%、42%、11%。光纖監(jiān)測(cè)后期第二含水層固結(jié)逐漸趨于穩(wěn)定,非采動(dòng)沉降的主因是第四含水層失水導(dǎo)致其與相鄰隔水層壓縮引起的沉降變形。

(3)隨著第四含水層水體的不斷流失,地表沉陷值將一度達(dá)到極值,而沉陷范圍也會(huì)持續(xù)增大,直至滲流平衡,最后礦區(qū)形成的沉陷范圍將遠(yuǎn)大于開采沉陷的影響范圍。

分布式光纖技術(shù)具有全分布監(jiān)測(cè)特點(diǎn),能夠完成鉆孔全斷面土體形變信息的監(jiān)測(cè),是一種較為先進(jìn)的地面沉降監(jiān)測(cè)方法,在探究礦區(qū)厚松散層非采動(dòng)沉降規(guī)律上結(jié)合數(shù)值模擬方法切實(shí)有效,該方法可為礦區(qū)的非采動(dòng)沉降規(guī)律研究提供了一種新手段。