基于分布式光纤的矿区非采动沉降规律研究

刘 昊 ,徐良骥,2,刘潇鹏,2,付 翔,陈秋影

(1.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001)

矿区地面非采动沉降是指由于地层失水过程中的固结压缩引起土壤地表不断的移动变化和非持续的破坏过程[1]。由于在中国黄淮地区许多煤矿,矿区地面沉降一直是研究人员的关注点。矿区地面沉降一方面会给地表建设的安全使用造成一定隐患,另一方面也会给国民经济和群众的财产安全带来一定威胁。因此开展非采动沉降的监测和分析对保障煤矿安全生产工作至关重要。

目前,常见的沉降监测技术主要有:合成孔径干涉雷达测量、基岩标测量、GPS测量、分层沉降标等[2]。但是这些测量技术在用于地层变形监测过程中都存在一定缺陷。例如:水准测量、合成孔径干涉雷达测量、GPS测量等技术只能监测地面高程的变化量,而不能得到地表下土层的变化[3];基岩标测量和分层沉降标虽然可以测得深部土壤的变化量[4],但不能得到地层剖面的连续变形分布[5]。因此国内外研究学者开始尝试使用分布式光纤感测技术获取监测孔内地层的连续变形信息,并获得了成功[6]。

选取童亭矿工业广场240m钻孔作为监测孔,在钻孔中布设了分布式应变传感光缆,利用布里渊光频域分析(brillouin optical frequency domain analysis,BOFDA)技术对钻孔地层进行全断面监测。通过分布式光纤实测数据分析和数值模拟结果,揭示厚松散层矿区非采动沉降的主要因素和沉降规律,同时研究和分析该地区地面沉降的现状和趋势。

1 实验概况

1.1 研究区概况

童亭矿工业广场位于淮北市濉溪县,该矿区内地势较为平缓,且均为新生界厚松散层覆盖。由于矿区长期开采,采空区逐渐靠近工业广场,随着开采面积不断增大,回采工作面上方塌陷破坏了原来岩层的平衡状态,导致了已有断层的活化和裂隙的发育,提供了地下水下渗的通道。由于井下长期排水,矿区地下水位持续降低,从而出现固结压缩引起的地表非采动沉降,进而威胁重要建构筑物的安全使用。据此,本文以位于采空区东侧350m左右的童亭矿工业广场为研究区域,在工业广场内钻取沉降监测孔,监测孔位于采空区东面550m左右处,如图1所示。随后在监测孔内埋设分布式光纤,并在钻孔过程中对地层进行详细的记录,由于在230m处出现风化泥岩,因此最终成孔深度共240m。根据钻孔的岩芯资料及当地地质资料,将该钻孔自上而下分为4个含水层和3个隔水层,如表1所示。

表1 研究区地层组划分

1.2 分布式光纤测量原理

BOFDA工作原理如图2所示,在光纤的两头相向注入两道不同频率的激光,一头注入正弦调幅的连续斯托克斯光,另一头注入频率为fm的泵浦光,两种激光之间有一定的频率差Δf[7]。在测量过程中,由于fm和Δf会随着外界条件的变化而发生改变,而每一个不会发生改变的Δf都会有与其相应的fm。在注入的光经过测试位置时,测量系统会对布里渊散射作出反应,通过与原始信号的相对位置和振动幅度进行比较,可以得到基带传递函数H(jw,Δf);随后通过傅里叶变换将其转移到时域,得到脉冲响应函数h(t,Δf);最后通过光在光纤中距离与传递时间的关系确定Δf与空间位置z之间的关系h(z,Δf)[8]。

布里渊散射对沿光纤的温度变化和轴向应变都比较灵敏[9],但温度对光纤漂移的影响远小于轴向变形的影响。所以如果温差小于5℃,一般可以忽略[10]。由于在地表10m以下温度基本不变,因此,可以忽略温度对监测结果的影响[11]。布里渊频移量与光纤应变的线性关系如式(1)所示。

(1)

相较于其他的分布式光纤技术,BOFDA技术突出的优点在于精度更高且空间分辨率更高[12]。本实验选用的监测仪器是双端高精分布式光纤应变解调仪(型号:fTB2505)如图3所示,适合长距离分布式应变的在实时监测,其动态范围大于10DB,空间分辨率为0.2m,应变测试区间在-30 000～30 000με。

图3 fTB2505光频域应变分析仪

土体在竖直方向上的变形是地面沉降监测的变化量,包括回弹变形和压缩变形。由于监测孔中的横向压力会随着地层深度加深而持续增加,因此土层与监测光纤之间的相互变形作用越来越强[13]。所以当土层被回弹或挤压时,监测光纤也会出现相应的拉伸或压缩。由于在监测孔中定期采集的数据是光纤轴向的应变值,为了能得到监测孔内土层的形变情况,可以沿着光纤轴向长度将应变值进行积分,如式(2)所示,根据积分结果可以获取光纤具体的形变量[14]。

(2)

式中,ΔZ为传感光纤l2和l1之间的拉伸或压缩量,m;l为深度,m;ε(i)为在l处传感光纤的应变值;d为传感光纤采集数据的步长,m。

1.3 检测方案

为监测矿区非采动条件下地层的变形情况,设计基于BOFDA技术的地面沉降监测系统,选用金属基索状感测光缆作为应变感测光缆,其基本参量如表2所示。为了确保传感光缆能够在钻孔中下放时保持竖直状态,采用钻杆顶进导头的工艺进行光纤传感器的安装。为保障传感光缆在下放过程中不受到破坏,传感光缆将按“U”型方案布设,当传感光缆垂直下放入钻孔,需要在钻孔端口处固定传感光缆,使传感光缆的首端和尾端不发生移动。待传感光缆布设完成,根据钻孔取样的土层性质在孔内回填相应的材料,经过传感器与回填材料固结耦合基本稳定后,在孔口浇筑井口保护台,具体光缆布设方式如图4所示。

图4 传感器布设示意图

2 结果与分析

2.1 监测结果

基于BOFDA技术的地面沉降监测系统在2020年11月25日铺设完成,经过钻孔回填1个月的完全固结后,于2021年1月15日进行了第一次非采动沉降监测,截止至2022年1月20日一共完成8次监测。以首次监测获取的光纤应变量作为初始值,将后续每一次的监测值减去初始值可以得到每一次光纤的应变变化量(见图5b),结合钻孔剖面图(见图5a),可以直观地看出发生应变的层位。通过式(2)沿着光纤轴向长度将每一期的应变变化值进行积分,可以得到对应的地层形变量,随后按0.5m的距离对形变量进行平均化处理,可以得到整个监测孔内土体形变分布信息,如图5(c)所示。

图5 钻孔剖面图

通过图5(b)光纤监测图可以发现,在整个监测范围内,深度75～120m之间和深度180～230m之间微应变呈现明显负应变,且随着时间的推移,传感光缆的负应变量不断增加,说明传感光缆受到了压应变,即检测范围内的土体呈现压缩状态,且压缩量不断增加。图5(c)是钻孔剖面沉降图,图像显示监测孔内整体呈压缩状态,累计沉降量不断增加,但增长趋势有所减缓,截止最后一次监测,其累计沉降量达到9.9mm。

2.2 分析与讨论

根据各层位的厚度和传感光缆数据积分得到的轴向位移量,能够获取每一层组的沉降信息,如表3所示。数据显示,第二含水层、第三隔水层和第四含水层为主要压缩层,压缩量分别为2.9、4.0和1.2mm。各占总压缩量的30%、42%、11%。其余层组虽有一定的沉降,但所占比重偏小。经调查,童亭矿生活、生产水井在钻孔附近,且在第二含水层里取水,因此造成地下水位下降,导致第二含水层压缩;第三隔水层和第四含水层压缩是由于第四含水层内的水体向回采工作面下渗使其孔压变低,有效应力增大,使含水层本身致密化,第四含水层上方透水性较差的第三隔水层由于第四含水层水头降低,将水垂直向第四含水层排放,从而失水固结形成不可逆转的沉降变形。

表3 各层土体变化信息

为了更好地评价地层的沉降潜力。把地层累计沉降量与其厚度之间的比值定义为地层沉降指数。根据这一标准可以看出,对于含水层,第二含水层和第四含水层发生沉降的潜力更大;而第一含水层和第三含水层潜力很小。对于隔水层来说,第三隔水层发生沉降的潜力远大于第二隔水层和第一隔水层。因此需要对第二含水层、第三隔水层和第四含水层进行进一步分析。

在监测期间,第二含水层、第三隔水层和第四含水层的压缩对地面非采动沉降造成了很大的影响,需要进一步分析3个层位的沉降趋势,图6为3个层位的累计沉降量。从图6中可以看出,第二含水层累计沉降量在2021年1月至2021年7月之间不断增大,但增加速率逐渐降低。由于童亭矿工业广场地下水的合理开采,从2021年8月开始,第二含水层几乎不再发生压缩;第三隔水层和第四含水层在监测期间内累计沉降量都在不断增加,在1月～7月之间沉降速率逐渐降低,在7月～8月之间增长速率有所回弹,但8月之后又逐渐降低。监测数据分析结果表明,2021年8月22日起第二含水层固结已趋于稳定,而第三隔水层与第四含水层存在一定压缩,因此第三隔水层以及第四含水层的压缩是以后造成矿区地表非采动沉降的主要原因。

图6 累计沉降量

3 数值模拟与分析

3.1 模型设计与模拟方案

由于第四含水层的水体向回采工作面下渗使其孔压变低,地层产生固结压缩沉降。同时第四含水层孔隙水压力降低,有效应力增大,使含水层本身致密化,第四含水层上方透水性较差的第三隔水层由于第四含水层水头降低,将水垂直向第四含水层排放,从而失水固结形成不可逆转的沉降变形。因此,第四含水层向采空区失水是今后造成童亭矿工业广场地表沉降的主要因素。为了进一步分析第四含水层失水压缩对地表沉降造成的影响,建立数值模型,分析第四含水层向采空区持续失水情况下地表的下沉趋势。

数值模型的建立是以童亭矿区工业广场松散层地质资料作为结构设计依据。本试验模型依据童亭矿区第四系厚松散层地质层位资料,所以本次模拟将地层自上而下分为4个含水层和3个隔水层以及基岩八层模型,力学本构模型为摩尔-库伦模型,流体模型为达西渗流模型[15]。根据土力学实验和监测结果,选择如表4所示力学参数,流体参数主要包括渗透系数、孔隙率、流体模量和抗拉强度其数值分别为1×10-8s·m2/Pa、0.45、1×107Pa和0[16]。以采空区为模型西侧边界,建立一个东西长800m,深度240m的面状模型。主要研究第四含水层向采空区失水后地表的移动变形特征。

模型由正六面体组成,网格大小0.5～5m,模型底部设定为固定边界,不允许其发生任何移动;而顶端设定为自由边界,在任意方向上都能随意运动,x方向及y方向两侧范围分别在平行于x轴及y轴方向上不发生移动。面状模型模拟时首先计算孔压平衡,然后在模型左侧模拟采空区失水过程中地表的变化特征。为了研究第四含水层与采空区导通时地下水涌入采空区导致的第四含水层失水从而引发的地层地表变形,将模型左侧置为失水边界,第四含水层初始孔隙水压力为2.03×106Pa,将左侧导水边界孔隙压力置为2×105Pa,研究不同步数的孔隙水压力及地层-地表变形情况。

3.2 模拟结果

通过数值模拟得到第四含水层孔隙水压力分布图如图7所示,地层-地表沉降量分布图如图8所示。图7模型运行过程中,左侧边界孔隙水压力减小,而后自左侧到右侧逐渐增大,直至恢复至原孔隙水压力。随着运行步数的增加,孔隙水压力变化范围越来越大。图8第四含水层内部沉降量由下到上逐渐扩大,由左到右逐渐减小;在地层内部从下往上传播过程中,沉降量不断降低,但沉降影响范围却在不断增大。随着运行步数的不断增加,第四含水层内部的最大沉陷值以及地表最大沉陷值不断增大,而增长速率不断减小。

由于工业广场位于采空区向东350m处,因此为了研究在第四含水层失水情况下工业广场内地表的变形规律,取模型350～800m的数据,绘制不同计算步数后地表沉陷特征,如图9所示。由于第四含水层失水,工业广场范围地表形成了下沉盆地,与开采沉陷规律相似,距离采空区越近沉降量越大,随着计算步数增大,地表沉降盆地的最大沉陷值与沉陷范围不断增大,增长速率逐渐减小并趋于稳定。若地下水持续向采空区进行排泄,地表沉陷值会达到极值,且沉陷范围将持续增大,直至渗流平衡,最终形成的沉陷范围将远大于开采沉陷的影响范围。

图9 同计算步数后地表沉降特征

4 结论

(1)童亭矿区厚松散层土体钻孔分布式光纤监测数据显示,监测期间内钻孔土体整体呈压缩状态,累计沉降量为9.9mm。地面沉降仍在继续,但沉降速率有所降低。

(2)矿区厚松散层的第二含水层、第三隔水层、第四含水层为主要沉降层位,分别占总沉降量的30%、42%、11%。光纤监测后期第二含水层固结逐渐趋于稳定,非采动沉降的主因是第四含水层失水导致其与相邻隔水层压缩引起的沉降变形。

(3)随着第四含水层水体的不断流失,地表沉陷值将一度达到极值,而沉陷范围也会持续增大,直至渗流平衡,最后矿区形成的沉陷范围将远大于开采沉陷的影响范围。

分布式光纤技术具有全分布监测特点,能够完成钻孔全断面土体形变信息的监测,是一种较为先进的地面沉降监测方法,在探究矿区厚松散层非采动沉降规律上结合数值模拟方法切实有效,该方法可为矿区的非采动沉降规律研究提供了一种新手段。