基于分布式光纖的礦區非采動沉降規律研究

劉 昊 ,徐良驥,2,劉瀟鵬,2,付 翔,陳秋影

(1.安徽理工大學空間信息與測繪工程學院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室,安徽 淮南 232001)

礦區地面非采動沉降是指由于地層失水過程中的固結壓縮引起土壤地表不斷的移動變化和非持續的破壞過程[1]。由于在中國黃淮地區許多煤礦,礦區地面沉降一直是研究人員的關注點。礦區地面沉降一方面會給地表建設的安全使用造成一定隱患,另一方面也會給國民經濟和群眾的財產安全帶來一定威脅。因此開展非采動沉降的監測和分析對保障煤礦安全生產工作至關重要。

目前,常見的沉降監測技術主要有:合成孔徑干涉雷達測量、基巖標測量、GPS測量、分層沉降標等[2]。但是這些測量技術在用于地層變形監測過程中都存在一定缺陷。例如:水準測量、合成孔徑干涉雷達測量、GPS測量等技術只能監測地面高程的變化量,而不能得到地表下土層的變化[3];基巖標測量和分層沉降標雖然可以測得深部土壤的變化量[4],但不能得到地層剖面的連續變形分布[5]。因此國內外研究學者開始嘗試使用分布式光纖感測技術獲取監測孔內地層的連續變形信息,并獲得了成功[6]。

選取童亭礦工業廣場240m鉆孔作為監測孔,在鉆孔中布設了分布式應變傳感光纜,利用布里淵光頻域分析(brillouin optical frequency domain analysis,BOFDA)技術對鉆孔地層進行全斷面監測。通過分布式光纖實測數據分析和數值模擬結果,揭示厚松散層礦區非采動沉降的主要因素和沉降規律,同時研究和分析該地區地面沉降的現狀和趨勢。

1 實驗概況

1.1 研究區概況

童亭礦工業廣場位于淮北市濉溪縣,該礦區內地勢較為平緩,且均為新生界厚松散層覆蓋。由于礦區長期開采,采空區逐漸靠近工業廣場,隨著開采面積不斷增大,回采工作面上方塌陷破壞了原來巖層的平衡狀態,導致了已有斷層的活化和裂隙的發育,提供了地下水下滲的通道。由于井下長期排水,礦區地下水位持續降低,從而出現固結壓縮引起的地表非采動沉降,進而威脅重要建構筑物的安全使用。據此,本文以位于采空區東側350m左右的童亭礦工業廣場為研究區域,在工業廣場內鉆取沉降監測孔,監測孔位于采空區東面550m左右處,如圖1所示。隨后在監測孔內埋設分布式光纖,并在鉆孔過程中對地層進行詳細的記錄,由于在230m處出現風化泥巖,因此最終成孔深度共240m。根據鉆孔的巖芯資料及當地地質資料,將該鉆孔自上而下分為4個含水層和3個隔水層,如表1所示。

表1 研究區地層組劃分

1.2 分布式光纖測量原理

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,一頭注入正弦調幅的連續斯托克斯光,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]。在測量過程中,由于fm和Δf會隨著外界條件的變化而發生改變,而每一個不會發生改變的Δf都會有與其相應的fm。在注入的光經過測試位置時,測量系統會對布里淵散射作出反應,通過與原始信號的相對位置和振動幅度進行比較,可以得到基帶傳遞函數H(jw,Δf);隨后通過傅里葉變換將其轉移到時域,得到脈沖響應函數h(t,Δf);最后通過光在光纖中距離與傳遞時間的關系確定Δf與空間位置z之間的關系h(z,Δf)[8]。

布里淵散射對沿光纖的溫度變化和軸向應變都比較靈敏[9],但溫度對光纖漂移的影響遠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,可以忽略溫度對監測結果的影響[11]。布里淵頻移量與光纖應變的線性關系如式(1)所示。

(1)

相較于其他的分布式光纖技術,BOFDA技術突出的優點在于精度更高且空間分辨率更高[12]。本實驗選用的監測儀器是雙端高精分布式光纖應變解調儀(型號:fTB2505)如圖3所示,適合長距離分布式應變的在實時監測,其動態范圍大于10DB,空間分辨率為0.2m,應變測試區間在-30 000～30 000με。

圖3 fTB2505光頻域應變分析儀

土體在豎直方向上的變形是地面沉降監測的變化量,包括回彈變形和壓縮變形。由于監測孔中的橫向壓力會隨著地層深度加深而持續增加,因此土層與監測光纖之間的相互變形作用越來越強[13]。所以當土層被回彈或擠壓時,監測光纖也會出現相應的拉伸或壓縮。由于在監測孔中定期采集的數據是光纖軸向的應變值,為了能得到監測孔內土層的形變情況,可以沿著光纖軸向長度將應變值進行積分,如式(2)所示,根據積分結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處傳感光纖的應變值;d為傳感光纖采集數據的步長,m。

1.3 檢測方案

為監測礦區非采動條件下地層的變形情況,設計基于BOFDA技術的地面沉降監測系統,選用金屬基索狀感測光纜作為應變感測光纜,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保持豎直狀態,采用鉆桿頂進導頭的工藝進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,當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生移動。待傳感光纜布設完成,根據鉆孔取樣的土層性質在孔內回填相應的材料,經過傳感器與回填材料固結耦合基本穩定后,在孔口澆筑井口保護臺,具體光纜布設方式如圖4所示。

圖4 傳感器布設示意圖

2 結果與分析

2.1 監測結果

基于BOFDA技術的地面沉降監測系統在2020年11月25日鋪設完成,經過鉆孔回填1個月的完全固結后,于2021年1月15日進行了第一次非采動沉降監測,截止至2022年1月20日一共完成8次監測。以首次監測獲取的光纖應變量作為初始值,將后續每一次的監測值減去初始值可以得到每一次光纖的應變變化量(見圖5b),結合鉆孔剖面圖(見圖5a),可以直觀地看出發生應變的層位。通過式(2)沿著光纖軸向長度將每一期的應變變化值進行積分,可以得到對應的地層形變量,隨后按0.5m的距離對形變量進行平均化處理,可以得到整個監測孔內土體形變分布信息,如圖5(c)所示。

圖5 鉆孔剖面圖

通過圖5(b)光纖監測圖可以發現,在整個監測范圍內,深度75～120m之間和深度180～230m之間微應變呈現明顯負應變,且隨著時間的推移,傳感光纜的負應變量不斷增加,說明傳感光纜受到了壓應變,即檢測范圍內的土體呈現壓縮狀態,且壓縮量不斷增加。圖5(c)是鉆孔剖面沉降圖,圖像顯示監測孔內整體呈壓縮狀態,累計沉降量不斷增加,但增長趨勢有所減緩,截止最后一次監測,其累計沉降量達到9.9mm。

2.2 分析與討論

根據各層位的厚度和傳感光纜數據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。數據顯示,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。經調查,童亭礦生活、生產水井在鉆孔附近,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的水體向回采工作面下滲使其孔壓變低,有效應力增大,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,從而失水固結形成不可逆轉的沉降變形。

表3 各層土體變化信息

為了更好地評價地層的沉降潛力。把地層累計沉降量與其厚度之間的比值定義為地層沉降指數。根據這一標準可以看出,對于含水層,第二含水層和第四含水層發生沉降的潛力更大;而第一含水層和第三含水層潛力很小。對于隔水層來說,第三隔水層發生沉降的潛力遠大于第二隔水層和第一隔水層。因此需要對第二含水層、第三隔水層和第四含水層進行進一步分析。

在監測期間,第二含水層、第三隔水層和第四含水層的壓縮對地面非采動沉降造成了很大的影響,需要進一步分析3個層位的沉降趨勢,圖6為3個層位的累計沉降量。從圖6中可以看出,第二含水層累計沉降量在2021年1月至2021年7月之間不斷增大,但增加速率逐漸降低。由于童亭礦工業廣場地下水的合理開采,從2021年8月開始,第二含水層幾乎不再發生壓縮;第三隔水層和第四含水層在監測期間內累計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月之間增長速率有所回彈,但8月之后又逐漸降低。監測數據分析結果表明,2021年8月22日起第二含水層固結已趨于穩定,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地表非采動沉降的主要原因。

圖6 累計沉降量

3 數值模擬與分析

3.1 模型設計與模擬方案

由于第四含水層的水體向回采工作面下滲使其孔壓變低,地層產生固結壓縮沉降。同時第四含水層孔隙水壓力降低,有效應力增大,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,從而失水固結形成不可逆轉的沉降變形。因此,第四含水層向采空區失水是今后造成童亭礦工業廣場地表沉降的主要因素。為了進一步分析第四含水層失水壓縮對地表沉降造成的影響,建立數值模型,分析第四含水層向采空區持續失水情況下地表的下沉趨勢。

數值模型的建立是以童亭礦區工業廣場松散層地質資料作為結構設計依據。本試驗模型依據童亭礦區第四系厚松散層地質層位資料,所以本次模擬將地層自上而下分為4個含水層和3個隔水層以及基巖八層模型,力學本構模型為摩爾-庫倫模型,流體模型為達西滲流模型[15]。根據土力學實驗和監測結果,選擇如表4所示力學參數,流體參數主要包括滲透系數、孔隙率、流體模量和抗拉強度其數值分別為1×10-8s·m2/Pa、0.45、1×107Pa和0[16]。以采空區為模型西側邊界,建立一個東西長800m,深度240m的面狀模型。主要研究第四含水層向采空區失水后地表的移動變形特征。

模型由正六面體組成,網格大小0.5～5m,模型底部設定為固定邊界,不允許其發生任何移動;而頂端設定為自由邊界,在任意方向上都能隨意運動,x方向及y方向兩側范圍分別在平行于x軸及y軸方向上不發生移動。面狀模型模擬時首先計算孔壓平衡,然后在模型左側模擬采空區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導通時地下水涌入采空區導致的第四含水層失水從而引發的地層地表變形,將模型左側置為失水邊界,第四含水層初始孔隙水壓力為2.03×106Pa,將左側導水邊界孔隙壓力置為2×105Pa,研究不同步數的孔隙水壓力及地層-地表變形情況。

3.2 模擬結果

通過數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模型運行過程中,左側邊界孔隙水壓力減小,而后自左側到右側逐漸增大,直至恢復至原孔隙水壓力。隨著運行步數的增加,孔隙水壓力變化范圍越來越大。圖8第四含水層內部沉降量由下到上逐漸擴大,由左到右逐漸減小;在地層內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。隨著運行步數的不斷增加,第四含水層內部的最大沉陷值以及地表最大沉陷值不斷增大,而增長速率不斷減小。

由于工業廣場位于采空區向東350m處,因此為了研究在第四含水層失水情況下工業廣場內地表的變形規律,取模型350～800m的數據,繪制不同計算步數后地表沉陷特征,如圖9所示。由于第四含水層失水,工業廣場范圍地表形成了下沉盆地,與開采沉陷規律相似,距離采空區越近沉降量越大,隨著計算步數增大,地表沉降盆地的最大沉陷值與沉陷范圍不斷增大,增長速率逐漸減小并趨于穩定。若地下水持續向采空區進行排泄,地表沉陷值會達到極值,且沉陷范圍將持續增大,直至滲流平衡,最終形成的沉陷范圍將遠大于開采沉陷的影響范圍。

圖9 同計算步數后地表沉降特征

4 結論

(1)童亭礦區厚松散層土體鉆孔分布式光纖監測數據顯示,監測期間內鉆孔土體整體呈壓縮狀態,累計沉降量為9.9mm。地面沉降仍在繼續,但沉降速率有所降低。

(2)礦區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%。光纖監測后期第二含水層固結逐漸趨于穩定,非采動沉降的主因是第四含水層失水導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到極值,而沉陷范圍也會持續增大,直至滲流平衡,最后礦區形成的沉陷范圍將遠大于開采沉陷的影響范圍。

分布式光纖技術具有全分布監測特點,能夠完成鉆孔全斷面土體形變信息的監測,是一種較為先進的地面沉降監測方法,在探究礦區厚松散層非采動沉降規律上結合數值模擬方法切實有效,該方法可為礦區的非采動沉降規律研究提供了一種新手段。