基于光纖傳感的地表沉降監測預警技術應用

亓俊峰，王懷佳，孫增榮，姜 龍，馬繼業，張 勇

1 前言

隨著開采技術的不斷提高和大型機械化的應用，礦井開采強度和深度不斷加大。巖體移動對生產和生活的影響日益嚴重，不僅危及井下工人的生命安全，也危及地表建筑物的安全，還會導致工農關系緊張，甚至影響企業生產，為此測定巖體位移并實施監測預警成為保障安全生產和生活的必要前提。傳統現場巖體工程穩定性判斷是地表建立位移觀測基點[1-3]，通過觀察基點位移判斷巖體是否移動。基點觀測是巖體移動的結果，而不是巖體移動的過程。在生產安全和生活安全中，需要把握深部巖體位移狀況，通過對深部巖體位移狀況的監測，適時預警波及采場和地表的時段，對確保安全有著極其重要的作用。

萊蕪礦業有限公司膠固粉廠是維持井下生產的唯一膠凝材料生產基地，位于礦體下盤的東南方向，主要有粉磨車間、成品倉、原料倉、包裝車間、烘干車間及輔助用房、廠區工程，還有一套完整的噴煤系統和散裝系統。2012年3月12日原趙莊鐵礦露天坑區域發生塌陷，塌陷區域體積為15 216 m3。膠固粉廠位于礦體下盤的東南方向，于2005年3月開始建設，當年10月建成。由于耿公清村選礦廠鐵礦采礦原因，導致地面塌陷、沉降。膠固粉廠建筑設施和生產設備急需進行安全監測，確保作業人員生命安全和設施安全。

光纖傳感技術具有高靈敏度、大動態范圍、易于組網等優勢［4］，開展基于光纖位移和光纖微震的巖體位移監測技術研究，使巖體位移高精度動態監測預警成為可能。

2 監測原理及系統設計

整個系統由巖體位移監測和巖體破裂微震監測組成，由位于井上監測室的工業計算機、光纖光柵解調儀、光纖位移傳感器、光纖微震解調儀、光纖微震傳感器及光纜等組成。系統拓撲結構見圖1。

圖1 系統拓撲結構

2.1 光纖位移監測

光纖位移傳感器采用光纖光柵傳感原理，其內部敏感元件為懸臂梁結構，采用差動法對溫度進行補償。安裝時需要先進行打孔，打好孔后，傳感器需要從地表安裝。深基點、淺基點、傳感器三者都為固定端，并通過連接線相連。當三者之間有相對位移時，傳感器便可以檢測出來，通過將深基點、淺基點布置在不同巖系巖層來監測不同深度巖層之間變化，并將數據通過光纜傳輸到上位機，通過軟件進行分析監測。

2.2 光纖微震監測

微震傳感器的結構模型如圖2所示。光纖光柵直接固定在外殼上，k1為光纖的彈性系數，相同長度的光纖k1相同；k2為結構的彈性系數；c為介質阻尼系數；m為質量塊的質量。

圖2 微震傳感器模型

微震傳感器通過打孔后，放入設計深度，并進行注漿，使之與所放位置巖層可靠地耦合在一起。當巖體內部有破損發生微震動時，傳感器可以及時采集，并通過光纜傳輸到上位機進行分析監測。

微震傳感器檢測的數據通過設備的實時采集，并通過軟件的分析判斷，便可以得出發生的微震事件的時間、能量大小、位置等信息。通過反饋的信息，可以更早地監測到巖體中正在發生的損傷和漸進性破壞過程，及時地給出巖體的失穩預警。

3 實施方案

根據礦體產狀和膠固粉廠的相對位置，初步確定在地表布置4只微震傳感器和3只位移傳感器。傳感器主要布置在礦體下盤萊蕪礦業有限公司的工業建筑附近，為建筑安全進行預警。傳感器布置信息見表1。光纖位移傳感器安裝結構見圖3。

圖3 光纖位移監測安裝示意圖

在地表用全站儀檢測，設置4個基點，基點位置如圖4所示。

圖4 傳感器及檢測基點平面布置

微震傳感器現場施工安裝時需要專用安裝桿，緊握安裝桿和信號線把傳感器正面朝上送入孔底，退出安裝桿。把注漿管插入孔底，注漿管采用Φ25 mm塑料膠皮管。用手動注漿泵注入膨脹不收縮水泥漿。膨脹不收縮水泥漿由32.5強度的硅酸鹽水泥、膨脹率≮0.02%的膨脹劑與井下清水配比而成。水、水泥、膨脹劑的質量比為2∶1∶0.12。

4 監測數據分析

4.1 光纖位移監測分析

2014年12月18日10:53:13監測室聲光報警儀報警，報警原因為位移傳感器監測到的累計變形超過5 cm。對2014年10月11日—12月18日的數據進行了分析，并對數據進行論證，認為趙莊礦（萊礦膠固粉廠）地表以下巖層確實存在下沉，從歷史曲線整體分析，前期變化為連續緩慢變化，變化相對穩定，后期下沉加速。位移監測數據見表2。

表2 監測數據統計

7#點處40～81 m出現了0.7 cm的離層。6#和8#之間深基點處位移小于淺基點，是由于深基點以下的巖層下沉緩慢，淺基點上方離層，壓實了深淺基點之間的巖層。2014年11月27日后下沉出現加速趨勢。傳感器安裝在地表不同深度，檢測到巖層存在下沉現象。對地表測量基點進行了測量，2013年5月—2014年12月，全站儀監測數據顯示，地表最大下沉為16.6 cm，驗證了系統測量的可靠性。

從傳感器測量數據可以看出，萊礦趙莊礦地下巖層確實有下沉趨勢，但是安裝傳感器數目相對較少，下沉范圍還不能預測。此次研究也發現了一些問題，如軟件顯示精度相對較大，因此數據顯示感覺有突變，目前顯示精度已經從cm改為mm。其次，位移傳感器錨固端受局部巖層影響較大，錨固部位巖石破壞后很容易造成監測失效，需要考慮更好更可靠的固定方式。

4.2 光纖微震監測分析

微震事件發生的垂高最大值為-2 m，最小值為-375 m。2014年12月27日16:47:38發生了1次典型微震事件，高程為-30.33 m。事件最大能量值為182 683 J，發生在-229 m。105J以上的微震事件發生在礦區周圍。礦區范圍內微震事件基本沿條帶分布，垂直高度在-30～-127 m，說明在此區域存在1條活化斷層，隨斷層活動微震事件集中出現。位移傳感器6#和7#分別位于斷層兩側，其深基點位移量分別為3 cm和4.2 cm。

5 結語

地表以下60 m范圍內出現離層，最大離層量達3.5 cm；60～81 m基本無離層出現，整體下沉；81 m以下巖層下沉緩慢。2014年11月27日后下沉出現加速趨勢。微震事件發生的垂高距離地表最大值為2 m，最小值為375 m，最大能量為182 683 J。監測發現了1條活化斷層。

通過本次研究實現了觀察巖體移動的目的，驗證了監測方法的可行性；其次，掌握了極傾斜礦體開采后下盤巖體的移動規律，下盤上部和下部巖體移動速度基本一致。同時，進一步驗證了微震和巖體位移（離層）存在密切關系。

由于傳感器數量過少，并且微震有效事件較少，因而監測結果有待進一步驗證。需要增加監測點，通過長期觀測，并與常規地表監測數據進行對比，以驗證監測結果的準確性。

參考文獻：

［1］ 徐必根，王春來，唐紹輝，等.特大采空區處理及監測方案設計研究［J］.中國安全科學學報，2007，17（12）：147-152.

［2］ 葛維琦.中國煤礦采空區塌陷災害治理對策［J］.中國能源，2004，26（10）：27-30.

［3］ 王暉，楊為民，王兵，等.基于GIS技術的煤礦采空區地表塌陷危險性評判［J］.煤炭工程，2008（9）：119-123.

［4］ 周智，田石柱，歐進萍.光纖傳感器在土木工程中的應用［J］.建筑結構，2002，32（5）：65-68.