基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究.pdf

基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究徐良骥1,3，曹宗友1,2,4,5，刘潇鹏1,2,4,5，张坤1,2，刘永琪1,2,4,5（1.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；2.安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽淮南232001；3.合肥综合性国家科学中心能源研究院,安徽合肥230031；4.矿山采动灾害空天地协同监测与预警安徽普通高校重点实验室,安徽淮南232001；5.安徽理工大学矿区环境与灾害协同监测煤炭行业工程研究中心,安徽淮南232001）摘要：煤矿开采扰动间接引起的地下水散失会使松散层压缩，造成地表沉降，威胁煤矿安全生产。为深入分析此类非采动因素对松散含水层失水沉降的影响，根据已有的地质水文资料将研究区松散层自上而下划分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含。利用分布式光纤监测技术、水文观测技术和土力学实验对研究区域松散含水层进行全面观测，分析了非采动情形下各层位的形变特征，探究了深层隔水层的黏土弱化规律，明确了深层含水层形变量和该层位水头高度变化之间的关系。结果表明：四含及上部部分隔水层持续压缩是造成研究区域地表沉降的主要原因。对地层形变贡献最大的两个层位分别为四含和一含，其中一含形变具有季节性特征，春季夏季抬升，秋季冬季沉降，而四含则在观测周期内呈持续沉降态势。结合布设水文孔、分布式光纤和土力学实验，实现了对目标层位黏土弱化程度的监测，研究区四含上覆黏土层受四含地下水的影响产生黏土弱化，其弱化程度与埋深成反比，与地下水流通性成正比，黏土层弱化将导致含水层顶部隔水层压缩，加剧地表沉降。四含形变与四含层位水头高度变化的趋势一致，两者呈线性关系，观测结果与理论计算结果相符，表明四含失水是造成四含压缩形变的主要原因。关键词：分布式光纤；非采动沉降；隔水层黏土弱化；松散含水层；失水压缩中图分类号：TD327文献标志码：A文章编号：02532336（2023）10023111Study on water loss settlement law of loose aquifer based ondistributed optical fiberXULiangji1,3,CAOZongyou1,2,4,5,LIUXiaopeng1,2,4,5,ZHANGKun1,2,LIUYongqi1,2,4,5（1.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.School of Geomatics,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;3.Institute of Energy,Hefei Compre-hensive National Science Center,Hefei 230031,China;4.Key Laboratory of Aviation-aerospace-ground Cooperative Monitoring and Early Warning of CoalMining-induced Disasters of Anhui Higher Education Institutes,Huainan 232001,China;5.Coal Industry Engineering Research Center of Mining AreaEnvironmental and Disaster Cooperative Monitoring,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China）Abstract:Indirectwaterlosscausedbydisturbancefromcoalminingcancausecompressionoflooselayersandsurfacesubsidence,whichposesathreattocoalminesafety.Toanalyzetheeffectsofsuchnon-miningfactorsonwaterlossandsubsidenceoflooseaquifers,thestudyareawasdividedintosevenlayersfromtoptobottombasedonexistinggeologicalandhydrologicaldata.Usingdistributedfiberop-ticmonitoringtechnology,hydrologicalobservationtechniques,andsoilmechanicsexperiments,thelooseaquiferinthestudyareawascomprehensivelyobservedandthedeformationcharacteristicsofeachlayerundernon-miningconditionswereanalyzed.Theweakeninglawofthedeepaquitardwasexplored,andtherelationshipbetweenthedeformationofthedeepaquiferandthewaterheadheightofthatlayerwasdetermined.Theresultsshowthat:continuouscompressionofthefourthaquiferanditsupperpartoftheaquitardisthemain收稿日期：20221112责任编辑：黄小雨DOI：10.13199/ki.cst.2022-1888基金项目：国家自然科学基金青年资助项目（52104172）；安徽省重点研究与开发计划资助项目（2022h11020024）；国家重点实验室开放基金资助项目（SKLMRDPC21KF19）作者简介：徐良骥（1978），男，安徽潜山人，教授，博士生导师。E-mail：通讯作者：张坤（1985），男，陕西铜川人，讲师，博士。E-mail：第51卷第10期煤炭科学技术Vol.51No.102023年10月CoalScienceandTechnologyOct.2023徐良骥，曹宗友，刘潇鹏，等.基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究J.煤炭科学技术，2023，51（10）：231241.XULiangji，CAOZongyou，LIUXiaopeng，et al.Studyonwaterlosssettlementlawoflooseaquiferbasedondis-tributedopticalfiberJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（10）：231241.231causeofsurfacesubsidenceinthestudyarea.Thetwolayersthatcontributethemosttothedeformationofthestrataarethefourthandfirstaquifers,withthelattershowingseasonaldeformationcharacteristics.Thefourthaquiferexhibitsacontinuoussubsidencetrendduringtheobservationperiod.Bycombininghydrologicalboreholes,distributedfiberopticandsoilmechanicsexperiments,monitoringofthede-greeofclayweakeningofthetargetlayerwasachieved.Theclaylayerabovethefourthaquiferinthestudyareaisweakenedbytheim-pactofthegroundwaterinthefourthaquifer.Thedegreeofweakeningisinverselyproportionaltotheburialdepthanddirectlyproportion-altothepermeabilityofthegroundwater,andtheweakeningoftheclaylayerwillcausecompressionoftheaquitardatthetopoftheaquiferandexacerbatesurfacesubsidence.Thedeformationofthefourthaquiferisconsistentwiththetrendofchangesinthewaterheadofthefourthaquifer,andthetwoarelinearlyrelated.Theobservationresultsareinagreementwiththetheoreticalcalculationresults,indicatingthatwaterlossfromthefourthaquiferisthemaincauseofitscompressiondeformation.Key words:distributedopticalfiber；non-miningsubsidence；clayweakening；losseaquifer；loosecompression0引言矿井疏排水、采后采空区充水和地下水抽采等非采动因素都会造成地下水大量散失，导致含水层水位大幅度下降，引起松散层有效应力增加，造成松散层土体的失水压缩和地层岩土体形变,对煤矿生产安全造成严重威胁1-2。因此针对松散层失水沉降规律开展研究具有重要的意义。众多学者利用数值模拟、材料模拟和现场实测针对厚松散层失水沉降特性展开研究，证明了在高承压厚松散层区域含水层对覆岩移动变形具有控制作用3；同一区域含水层的失水和压缩特征在不同深度、不同位置表现出较大的差异性4-5；而在相同的地质条件下，水位下降和补给不充分是造成松散层压缩的主要原因，通过维持底部含水层水位稳定能够预防松散层形变6-7。基于以上成果，为进一步研究松散层内部形变规律，光纤传感技术被引入松散层失水沉降监测中，因其适用情景广、耐用性和复用能力强、测量灵敏度和精确度高而被广泛应用8-9。早期研究中，刘金瑄等10提出利用光纤光栅传感器(FBG)监测松散层沉降变形；朱磊等11证明了采用双回路布设的情况下光纤光栅传感器的存活率高。柴敬等12开发了松散层变形光纤光栅监测系统，并在济三煤矿成功应用，后续通过光纤光栅监测技术对华东矿区松散层长期监测得到了砂土层应变和水位变化呈二次回归关系13-14。近期研究中，有学者将光纤应用于工程实践，验证了光纤监测地层形变的准确性15-16，证明各层的压缩变形与季节性地下水位变化密切相关17-18，研究区域地下水位波动和地表额外荷载是松散层压缩的重要诱因19，深部含水层主要受地下水位影响，而浅部含水层变形还受其他因素控制20。为了更好的分析得失水过程中松散层的响应机理，有学者将光纤监测应用于相似材料模拟实验，证明黏土层和砂土层均具有排水压缩和灌水回弹的特点，各层变形与含水率变化具有良好的对应关系21，两层位中黏土层为地面沉降的主要变形层，并且随着水位波动次数的增加，土体变形量减小并趋近于弹性压缩22。抽水过程中砂土变形为塑性变形，且存在一定滞后性23；回灌过程中砂土层土体变形很小，而黏土层则表现出明显的膨胀变形，并对邻近的砂土层有压缩作用24。本文基于分布式光纤技术实现了松散层全层位变形的高精度监测，分析了研究区域松散层变形特征，结合研究区域水文监测、土力学实验成果、隔水层弱化机理及松散含水层失水沉降机理，探究了造成研究区域地表沉降的主要地层，阐明了四含及临近隔水层压缩变形及地表沉降的主要原因。1研究区域概况童亭煤矿位于淮北煤田中部，含煤地层属石炭、二叠系，以二叠系下统下石盒子组为主，上石盒子组和山西组次之，石千峰组不含煤。区内煤系地层总厚度约 1143m，共含煤 23 层。其中 7、81、82和 10煤为主要开采煤层，32煤为最上部可采煤层。7 煤层位于下石盒子组中下段，平均埋深 450m，煤厚 08.49m，平均 2.07m；81煤位于下石盒子组下段，局部可采煤层，陈楼块段大部可采煤层，平均埋深 465m；82煤位于下石盒子组底部，平均埋深 485m，煤层厚度 06.45m，平均 2.01m；10 煤位于山西组下部，平均埋深 570m。32煤层位于上石盒子组下部，平均埋深 220m,煤厚 03.31m，平均 2.13m。32煤层直接与松散层接触，开采活动产生的导水裂隙带与上部松散含水层导通，可能造成松散层失水固结沉降。采区以工业广场(图 1)为中心呈东西对称布置，由图 1 可知，目前正在开采的工作面分布在采区东西两端，距离工业广场远。并且只针对采区内 7 煤和 8 煤进行开采，7 煤和 8 煤埋藏深，开采时不会对含水层造成破坏。虽然工业广场西南方向存在已停采工作面，但工业广场位于保护煤柱的保护范围内，地下开采直接导致的岩层移动不会对工业广场建构2023年第10期煤炭科学技术第51卷232筑物的正常使用造成严重威胁。但由于矿区新生界地层有巨厚松散层赋存，地下开采过程中矿井疏排水、采后采空区充水和人为抽采地下水都会造成新生界松散层地下水大量散失，造成松散层土体的失水压缩沉降，影响工业广场区域。根据工业广场的区域地层岩性、含水条件和含水赋存空间分布，将该区域松散层自上而下划分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含。其中一含以大气降水补给为主，水平径流补给次之，排泄方式为垂直蒸发、人工开采和河流排泄，一含上部潜水和地面水体互补；二、三含以区域层间径流补给为主，在第一、二隔水层(组)较薄地段，一、二、三含之间将产生越流补给；第三隔水层(组)，主要由黏土、砂质黏土及钙质黏土组成，厚度 152227m。该层分布稳定，单层厚度大，可塑性强，隔水性能良好，有效地阻隔了区内大气降水、地表水和上部一、二、三含水层水对四含水的垂向补给。四含水的静水位标高为+25.79+26.23m，该层埋深为 227233.8m，平均厚度 8.26m，直接覆盖煤系地层之上，厚度变化大且分布不稳定，其岩性主要由深黄色、棕红黄色砂砾、粗砂、细砂、粉砂、黏土质砂及砂质黏土、钙质黏土组成。根据研究区域地质水文资料和钻孔采样划分研究区地层的含(隔)水层见表 1。2实验方案设计2.1分布式光纤原理及设备选型布里渊光频域分析技术(BrillouinOpticalFre-quencyDomainAnalysis，BOFDA)是全分布式光纤ff感测技术中的一种，采用光学频域反射仪和受激布里渊散射相结合的方法，避免了短脉冲光引起的布里渊光谱展宽，通过布里渊频移的变化进行应变和温度测量，其空间定位主要由复合基带传输函数实现。其工作原理为:将 1 束泵浦光和 1 束连续探测光分别从光纤的两端注入，当 2 束光波相遇时会激发声波，声波作为媒介将能量从泵浦光传递给探测光，当泵浦光与探测光的频率差等于光纤该位置的布里渊频移时，声波传递的能量最大。因此，沿着光纤每一处对进行扫描，就可以获得沿光纤的布里渊频移分布，再根据光纤中应变或温度变化与布里渊频移的线性关系，获得沿光纤的应变或温度分布。光纤所受轴向应变和温度与布里渊频移之间的关系可表示为vB(t,T)=vB(0,T0)+D1t+D2(T T0)（1）vB(t,T)TtvB(0,T0)T0D1D2其中：为环境温度为、应变为 时，光纤布里渊频率的漂移量；为温度为、应变为0 时光纤布里渊频率的漂移量；、分别为与光纤3 号孔1 号孔2 号孔观 5观 4观2矿区边界工业广场已停采工作面正在开采工作面水文观测孔光纤观测孔A7A7A7N图1研究区、光纤观测孔和水文观测孔位置Fig.1Locationofstudyarea,opticalfiberobservationholeandhydrologicalobservationhole表 1 研究区域地层划分Table 1 Stratigraphic division of the study area层位厚度/m累计深度/m一含35.4535.45一隔29.0164.55二含18.8583.40二隔28.05111.45三含30.02141.65三隔82.65224.30四含7.08232.10徐良骥等：基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究2023年第10期233类型有关的应变和温度的比例系数。因此，通过计算背向布里渊散射光的频移变化量就可以得到整条光纤的温度和应变分布情况。光纤解调仪选用商用 fTB2505 型BOFDA 光纤解调仪(图 2)，该仪器基于布里渊光频域散射的光纤应变和温度测量与分析系统，适用于长距离分布式应变及温度的实时在线监测，配合解析软件 fTView可直接得到光纤应变量和温度，仪器参数见表 2。根据现场条件将仪器空间分辨率设置为 0.5m，步距设置为 2MHz，起始频率设置为 10.6GHz，终止频率设置为 11.5GHz，探测距离设置为 1000m，其余参数默认。(a)fTB2505 光纤光栅网络传感分析仪(b)金属基索状应变感测光缆(c)定点式应变感测光缆 光纤金属加强件护套图2光纤设备选型Fig.2Fiberopticequipmentselection表 2 商用 fTB2505 型 BOFDA 光纤解调仪参数Table 2 Parameters of commercial fTB2505 BOFDA fiberoptic interrogator参数取值参数取值最大监测范围/dB20最高采样分辨率/m0.05光纤类型单模应变测试重复性/106 4最高空间分辨率/m0.2频率扫描范围/GHz9.913.0应变测试精度/1062接口以太网应变测试范围/1063000030000光输出接口E-2000,APC最大测试量程/km50数据输出格式Binary,ASCII8000感测光纤选用金属基索状应变感测光缆(NZS-DSS-C02)和地面沉降专用定点式应变感测光缆(NZS-DSS-C08(LS)(分别如图 2b 和 2c 所示)。其中金属基索状应变感测光缆为单模光纤，传感光纤外包高强度金属加强件，表面具有螺纹结构提高与混凝土之间的耦合性，与混凝土变形协调一致；光缆直径5mm，其密度为 38g/m，用于实现钻孔全孔段层位变形测量。地面沉降专用定点式应变感测光缆为SMG.652b 光纤，直径为 7mm，定点 12mm，定点距离 5m，采用间距锚固点设计，保障了光缆与岩土体的耦合，实现光纤内部预拉，应变均匀，能够保持以上的拉伸，主要用于分段地层均一化精确测量，可实现大压缩变形测量，为了提高监测精度实际使用时将其预拉至 8000106。2.2分布式光纤布设方案为长期监测钻孔全断面土层形变信息，总结不同深度松散层的形变规律，采用分布式光纤监测系统开展研究区松散层变形规律研究。在研究区域内布设光纤观测孔，将其分别命名为 1 号孔、2 号孔和 3 号孔(各孔位置如图 1 所示)。1 号孔的终孔深度为 257.1m，2 号孔的终孔深度为 234.07m，3 号孔的终孔深度为 253.73m，三者的终孔层位均在第四含水层下，钻孔岩心采取率完整层段均大于 75%、砂土层均大于 60%，满足设计要求。钻孔完工后布设传感光缆，形成分布式光纤监测系统。将金属基索状应变感测光缆和地面沉降专用定点式应变感测光缆用扎带、扎丝和胶带固定在导头内部，钻孔清洗后通过下放钻杆将光缆带入到孔内对应位置后固定钢丝绳，拉紧光缆，使孔口引线部分处于绷直状态。将 2 种光缆串联布设，使用红光笔监测回路是否联通，而后全孔封闭，钻孔回填。在地面沉降钻孔全断面光纤监测中，地层、钻孔回填料与应变传感光缆的变形耦合性是能否准确、有效地获取地层变形数据的关键因素25-26。参考工程经验和室内试验，选取黏土球和石英砂(中砂粗砂)作为回填材料。黏土球为圆球形，直径 10mm 左右，黄红色，主要成分为蒙脱石(钠基钙基混合，以钠基为主)；石英砂分为中砂和粗砂。具体回填工艺为：钻孔内 020m，直接使用 10mm 粒径黏土球进行回填，孔内 20100m，采用 25mm 粒径中砂回填，100m 至孔底，采用 510mm 粒径粗砂回填。回填材料采用少量多次的方法回填封孔，避免孔口堵死，钻孔内回填不密实。为避免深孔回填出现回填不实或塌方的问题，在回填结束后次日查看孔口回填情况，保证钻孔回填的密实性。传感器与回填材料固结耦合 3 个月后，在孔口浇筑井口保护台，地面以下光缆浇筑于混凝土中固定。混凝土墩台上部固定直径 400mm，高度 300mm 圆柱形2023年第10期煤炭科学技术第51卷234防护罩，冗余光缆盘绕于防护罩中，防止光缆因浅表回填岩土体压缩固结而产生压缩异常变形。2.3四含形变规律监测方案为研究四含形变与四含水头高度之间的关系，探究四含形变的原因，利用西安欣源测控技术有限公司生产的 KJ402 水文监测系统，在 1 号孔、2 号孔和 3 号孔光纤观测孔附近对应布设水文观测孔，分别命名为观 4、观 2 和观 5(各孔位置如图 1 所示)，对四含水头高度进行动态监测，该监测系统水位测量范围为 0600m，测量精度为 2cm，分辨率为 0.1cm，整体运行正常，并实现联网共享。各孔位中观 2 的实际水位为 144m，经抽水试验后恢复水位 144.40m；观 4 的实际水位为 113.45m，经抽水试验后恢复水位为 101.39m；观 5 的实际水位为 30.02m，经抽水试验后恢复水位为 5.9m。为分析四含上覆隔水层的弱化规律，对钻孔过程中采样得到 205235m 的孔内土壤样本进行土力学试验，通过环刀切土、称重、含水率试验和试验数值计算等步骤，得到土样的平均压缩模量、平均含水率和平均压缩系数等参数见表 3。3监测结果分析为全面监测研究区域内松散层形变规律，在2021 年 1 月至 2021 年 12 月进行了 9 期观测，得到各期的光纤应变量。每期的观测数据由金属基索状应变感测光缆观测数据和地面沉降专用定点式应变感测光缆观测数据两部分组成，两者均能反映孔内各层位土体的形变特征，但考虑到预拉后的地面沉降专用定点式应变感测光缆对土体的微小形变更敏感，其定间距锚固点设计使得光缆与岩土体的耦合度更高，因此选择地面沉降专用定点式应变感测光缆的观测数据进行分析。对地面沉降专用定点式应变感测光缆的观测数据逐期相减后得到观测数据差值如图 3 所示。由图 3 可知 1 号孔、2 号孔和 3 号孔的一含、二含和二隔形变明显，1 号孔和 3 号孔的三隔下端与四含形变明显。为了对各孔内的变形情况进一步量化分析，采用应变量计算式(2)计算得到各期应变量对应的形变量。s=LL（2）LL式中：为光纤上的单元应变量；为单元长度，m；为单元形变量，mm。利用微元积分的方法，对测得的应变曲线进行表 3 各层位土力学试验结果Table 3 Experimental results of soil mechanics ateach layer层位埋深/m平均含水率/%(kgcm3)平均密度/平均初始孔隙比平均压缩系数平均压缩模量三隔层a20521016.52.320.360.1110.84层b21021318.82.040.580.025.15层c2132169.72.170.370.0110.28层d21622011.52.390.260.0110.38四含224.5232.1162.250.390.025.48200150100500150015015001501500150深度/m三隔一隔2021040720210518202106182021080820210930202110302021111420211227含水层隔水层基岩二含二隔三含四含一含1 号孔应变/1062 号孔应变/1063 号孔应变/106图3光纤观测数据差值Fig.3Opticalfiberobservationdatadifference徐良骥等：基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究2023年第10期235积分计算，得到各孔各层位的形变值。S=l/xi=0 xi（3）Slxi式中：为某层位的累计变形量，m；为该层位厚度，m；i 为第 i 段微元，为光纤仪器的采样分辨率0.052m；为第 i 段微元的应变量。计算得到各层位的形变值如图 4 所示。观测期间各层位形变特征如下：由图 4a 可知各孔位一含以压缩形变为主，仅在 2021 年 4 月、5 月和 8 月观测时发生膨胀形变，9 月至观测结束期间持续加速压缩；各孔位中 2 号孔和 3 号孔形变幅度接近，1 号孔的形变幅度大于两者。由图 4b 可知各孔位一隔的整体形变幅度小于一含，以压缩形变为主;其中 2 号孔和 3 号孔均仅在 4 月和 8 月观测时发生膨胀形变；1 号孔在 4 月、5 月、8 月和 9 月观测时发生膨胀形变，9 月至观测结束期间各孔位持续压缩，压缩速率先增后减。由图 4c 可知各孔位二含的整体形变幅度与一隔相近，以压缩形变为主；2 号孔和3 号孔的形变趋势相同，均在 8 月、11 月和 12 月观测时发生膨胀形变；3 号孔在 4 月、8 月和 9 月时发生膨胀形变，1 号孔的整体形变幅度在 5 月至 10 月观测期间小于其余两孔，此外均大于其余两孔。由图 4d 可知各孔位二隔以压缩形变为主，2 号孔和 3 号孔的形变趋势相同均仅在 11 月和 12 月观测时发生膨胀形变，4 月至 10 月观测期间均发生压缩形变且形变速率先减后增；1 号孔的整体形变幅度小于其余两孔，仅在 8 月和 9 月观测时发生膨胀形变。由图 4e 可知各孔位三含以压缩形变为主，2 号孔和 3 号孔形变幅度小，仅在 10 月观测时发生膨胀形变；1 号孔仅在 9 月、11 月和 12 月观测时发生膨胀形变，4 月至 8 月观测期间持续压缩，压缩程度递减。由图 4f 可知各孔位三隔以压缩形变为主，1 号孔和 3 号孔仅在 4 月观测时发生膨胀形变，5 月至150100500501001502002010010203020100102020100102030606121260612120407051806180808093010301114122760616080080160形变量/mm形变量/mm形变量/mm形变量/mm形变量/mm形变量/mm形变量/mm形变量/mm日期04070518061808080930103011141227日期(g)各孔位四含形变量(h)各孔位总形变量04070518061808080930103011141227日期04070518061808080930103011141227日期04070518061808080930103011141227日期(d)各孔位二隔形变量(e)各孔位三含形变量(f)各孔位三隔形变量04070518061808080930103011141227日期04070518061808080930103011141227日期04070518061808080930103011141227日期(a)各孔位一含形变量(b)各孔位一隔形变量(c)各孔位二含形变量1 号孔2 号孔3 号孔1 号孔2 号孔3 号孔图4各地层形变量Fig.4Deformationofeachlayer2023年第10期煤炭科学技术第51卷23612 月观测期间均持续压缩；2 号孔在整个观测期间持续压缩，压缩量小幅波动。由图 4g 可知各孔位四含以压缩形变为主，3 号孔仅在 5 月、6 月和 8 月观测时发生膨胀形变，9 月至 12 月观测期间持续压缩；1 号孔和 2 号孔在观测期间持续压缩，1 号孔的整体形变程度小于 2 号孔且波动小；2 号孔的压缩速率先减后增，并在 12 月观测时再次减小。由图 4h 可知各孔位整体以压缩形变为主，均仅在 4 月、5 月和 8月观测时发生膨胀形变；2 号孔和 3 号孔的形变幅度与形变趋势相近，8 月至 12 月观测期间稳定压缩；1号孔形变幅度最大，4 月至 6 月和 8 月至 9 月观测期间膨胀量迅速，9 月至 12 月孔内持续压缩。为进一步量化分析各层位的形变特征，由图 4数据计算可知，各层位中对地层压缩形变贡献最大的两个层位为四含和一含，两者每期的平均压缩形变分别为1.42mm/m 和0.81mm/m。综上所述，地层形变量与埋深有关，地层埋深越浅，变形的幅度越大。其次地层形变量与层位特征有关，四含虽然埋藏深，但其持续压缩是地表下沉的主要原因。从时间角度分析，各期数据观测中对地层压缩形变贡献最大的 2 个月份为 12 月和 10 月，其压缩量占总压缩量比例分别为 24.4%和 18.8%；对地层膨胀量贡献最大的 2 个月份为 8 月和 4 月，其膨胀量占总膨胀量比例分别为 46.1%和 22.2%。通过查阅淮北统计年鉴2022可知，1 月4月累计降雨量为 117.2mm，月平均气温由 2.1 升高至 14.6，累计上升 12.5，占年气温升高量的49.6%；4 月至 5 月降雨量由 28.6mm 升高至 99.4mm，月平均气温由 14.6 升高至 21.1；6 月至 8 月的累计降雨量为 660.6mm，占年总降雨量的 51%，月平均气温维持在 27；9 月至 10 月的累计降雨量为157.9mm，其中 10 月降雨量与 9 月相比，由 137.5mm下降至 20.4mm，整体降雨量呈现大幅降低趋势；10 月至 11 月降雨量稳定为 20.4mm 和 10.3mm，月平均气温由 17 下降至 10.3，占年气温下降量的 29.2%；11 月至 12 月累计降雨量为 25.5mm，占年总量的 1.9%，月平均气温由 10.3 下降至 4.4，占年气温下降量的 25.7%。结合光纤监测结果与淮北气象数据分析可知，松散层中靠近地表的一含、一隔和二含，其形变受温度和降雨量的影响具有季节性特征。具体表现为:膨胀多发生在春季和夏季，春季温度大幅升高和夏季降雨量骤升分别是造成 4 月和 8 月观测时松散层膨胀的主要原因。压缩多发生在秋冬季节，秋季降雨量和冬季温度大幅降低分别是造成 10 月和12 月观测时松散层压缩的主要原因。一含、一隔和二含形变呈周期性变化，地表总体沉降受其影响较小。4四含上覆隔水层弱化特征分析4.1隔水层弱化机理研究区域周边煤矿开采后破坏了四含与煤层间隔水层，使四含地下水向采空区补给，造成工业广场内地下水位下降，使得四含上覆隔水层的含水量发生变化。而隔水层主要由黏土组成，其中含有大量的蒙脱石易吸水膨胀，将蒙脱石吸水后的体积记为，膨胀计算公式27为=V1+V2Vm=mCm（4）V1V2VmCmm式中：为隔水层土体干燥时裂隙内空气的体积；为土体吸水后增加的体积；为土体中蒙脱石的体积；为隔水层含水量；为隔水层蒙脱石体积浓度；为蒙脱石密度；为水的密度。由式(4)可知，蒙脱石膨胀体积应变与黏土层中的含水量成正比。隔水层中水的体积浓度升高，隔水层内部与水的接触面积增大，导致蒙脱石与水的接触面积增大。蒙脱石得水膨胀后宏观表现为隔水层膨胀，压缩模量发生变化，导致黏土性质改变，发生黏土弱化现象。弱化带黏土的弱化效果与埋藏深度和黏土层与含水层之间的距离有关，一般埋藏深度越浅，与含水层距离越近，黏土层中的弱化效果越明显。4.2四含上覆隔水层弱化程度分析对孔内 205235m 段的土壤样本进行土力学试验后，得到相关参数见表 3。结合光纤监测期间层 a、层 b、层 c 和层 d 的形变值和各孔四含水头高度变化(图 5)，研究四含对其上覆隔水层中层 a、层 b、层 c 和层 d 的弱化影响。由图 5 可知，监测期间 1号和 2 号孔处四含水头一直降低，最大值分别为0.39m 和0.73m，3 号孔内四含水头在 5 月、6 月和 8 月升高，水头高度变化的最值分别为：+0.86m和0.69m，分别出现在 1 月和 6 月，表明 3 号孔处四含的地下水流通性强，能够得到外界的水源补充。在各层位随着水头高度变化的过程中，1 号孔、2 号孔和 3 号孔的四含层位形变量与水头高度变化趋势相同，且大于隔水层中各层位。1 号孔中的层 c只在 12 月压缩，其余观测段均为膨胀状态，表明 1号孔中的层 c 处在黏土弱化活跃期。层 b 持续压缩，徐良骥等：基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究2023年第10期237压缩形变为 0.99mm/m，层 a 在 6 月、9 月和 11 月膨胀，其余时间处于压缩状态，压缩形变为 0.47mm/m；层 d 在 4 月和 6 月膨胀，其余时间处于压缩状态，压缩形变为 0.69mm/m。结合表 3 中的层 a、b、c 和层 d 的平均压缩模量之比约为 2122，因此在相同的情况，层 a、b、c 和层 d 每米的形变之比应为 1211。表明 1号孔中层 d 处于黏土弱化后期，导水裂隙增加，压缩模量进一步降低。层 c 处于黏土弱化的活跃期，观测期间持续膨胀。结合各层的平均压缩模量，层 a 和层 b 的压缩变形之比近似等于两者压缩模量反比，表明层 a 和层 b 未发生黏土弱化。2 号孔中仅有层 d 在 5 月、8 月、10 月和 12 月处于膨胀状态，最大值为 0.51mm，其余层位均处于持续压缩状态，层 a、b、c的压缩形变分别为 1.12、2.18和 1.13mm/m，结合各层位平均压缩模量分析，层 a、b 和层 c 未发生黏土弱化。层 d 处于黏土弱化的初期，存在一定程度膨胀。3 号孔中层 a、b、c 和层 d 均有膨胀，膨胀的最大值分别为 0.91、0.93、4.96、0.768mm。其中层 d 仅在 4 月膨胀，其余时间持续压缩，压缩变形为 0.94mm/m，表明层 d 处于黏土弱化的末期，膨胀结束后快速压缩。层 a 和层 b 的压缩变形分别为 0.31mm/m 和 0.82mm/m，而层 c 整体处于膨胀状态，膨胀变形为 0.85mm/m。结合平均压缩模量分析，层 a和层 b 均有一定程度的黏土弱化，层 c 处于黏土弱化的活跃期，受地下水影响大。综上所述，各孔位中 3 号孔处四含水头高度波动变化大，地下水流动性强，四含上覆隔水层黏土弱化程度高，受地下水侵蚀程度最高；1 号孔其次，地下水侵蚀到了层 c 和层 d；2 号孔上覆隔水层受地下水侵蚀程度最小，仅有层 d 受到侵蚀。黏土弱化后其压缩幅度增加，最终会加剧地表沉降。5四含失水固结压缩特征分析5.1松散层失水压缩机理结合淮北高潜水位的区域特征和土力学相关原理分析可知：含水层中的某一单元承担的应力由岩土骨架和孔隙水共同承担，失水造成的孔隙水压力由岩土颗粒承担。水文观测孔的水头高度能够反映出孔隙水的压力变化。在松散层疏水压缩过程中，含水层的压缩量计算公式见式(5)：S=huM（5）Mhu式中：S 为含水层的压缩量，m；为含水层的平均压缩模量，MPa；为含水层厚度，m；为含水层失水后土体的应力变化，其计算公式为式(6)：u 0.01H=0.01(HaHb)（6）HHa和Hb式中：为含水层水头的变化，m，分别为失水前后的含水层水头高度，m。ss=S/hs=S/h设松散层中某层竖直方向上的应变为，由岩石力学相关理论可知，将式(5)代入得到式(7)：s=Sh=uM=0.01HM（7）MM式(7)表明在含水层平均压缩模量为定值时，含水层的压缩量和水头高度变化表现为线性关系，但在实际地层环境中随深度变化，因此实际观测中含水层的压缩量和水头高度之间可能呈非线性关系。nmiiHihiiSi在已知某层位厚度