邳北石膏矿采空区地面塌陷监测预警 关键技术集成与示范成果概述

时间：2026-06-22      来源：      阅读：26            【字号：大 中 小】【打印本页内容】       分享到：

邳北石膏矿采空区地面塌陷监测预警

关键技术集成与示范成果概述

一、项目背景

      邳北石膏矿是江苏省最大的石膏生产基地，历经数十年开采。石膏矿采空塌陷具有复杂性、隐蔽性、突发性、动态性和预见性差等特点。当前矿区已关闭，井下监测条件不复存在，仅能通过地表手段进行预警，这使得灾害认知和防控面临巨大挑战。如何穿透地下数百米的“黑箱”，在灾害发生前捕捉到可靠信号，成为摆在科研和工程人员面前的重大难题。

      为此，项目团队历经多年产学研协同攻关，系统开展了塌陷机理分析、多参量监测技术集成、预警模型构建与易发性分区评价等关键技术研究，形成了一套集“机理分析—监测预警—系统开发—分区防控”于一体的自主知识产权技术体系。该体系已在邳北矿区成功应用，多次提前捕捉预警信号、指导防灾避险，实现了地质灾害防治从“人防”向“人防+技防”的历史性跨越。

二、关键技术突破

      本项目通过多学科交叉融合和产学研协同攻关，在塌陷机理、监测技术、预警模型和风险防控四个方面取得了一系列突破性进展。

1、把塌陷过程“算清楚”——离散元精细模拟

      传统连续介质模拟方法难以处理岩体破裂、大变形和块体运移问题。本项目率先引入并深度开发了高性能矩阵离散元模拟技术（MatDEM），通过数百万颗粒的胶结与断裂模拟，实现了对岩体非连续、非线性力学行为的精准刻画。

      基于这一技术，团队系统构建了从单矿房到多矿房的系列二维、三维离散元模型，模拟了不同矿房尺寸、矿柱宽度、护顶层厚度条件下上覆岩层的垮落、离层、应力重分布及地表沉陷全过程。模拟结果清晰揭示了塌陷体呈“杯状”或“鼎状”发育的形态特征，以及应力拱形成与失稳的关键机制。研究发现，当护顶层厚度≥3米且矿柱宽度≥6米时，易形成稳定应力拱，可有效避免地面塌陷——这一量化结论为矿区防控提供了直接依据。

      更具突破性的是，项目首次精细模拟了地下水渗流—软化—塌陷的耦合过程。结果表明，地下水的软化作用会使已稳定的坍塌拱二次失稳，引发多次塌陷，尤其深部坚硬土层下的土洞在水作用下更易导致大规模二次塌陷。这一发现科学解释了矿区停采多年后仍频发塌陷的内在机理。

      在理论层面，项目建立了基于梁柱模型的矿房受力数学模型，并构建了矿柱—顶板系统链式失稳的尖点突变理论模型。创造性提出：当矿柱屈服带宽度占比≥82.9%时，系统刚度比不足，在扰动下极易发生突发性失稳，从理论上阐明了局部破坏引发大面积链式垮塌的“多米诺骨牌”效应。

2、找到预警“黄金指标”——地下水位骤降

      项目团队对GNSS、InSAR、基岩标、光纤、微震、地声及地下水等7类监测方法进行了长达8年（2017—2024年）的长序列对比观测，得出决定性发现：在石膏矿采空区塌陷前，地表变形类指标普遍滞后，而顶板冒落沟通第四系底部含水层时，会引发该层位水位的快速、显著下降，这一现象超前于地表塌陷数小时至十余小时，是目前已知唯一能提供有效预警窗口的敏感指标。

      基于这一核心发现，项目构建了“核心—验证”式多参量协同监测网络：以133眼第四系底含水监测井构成广域地下水监测网络为核心，以微震、地声监测作为顶板破裂的辅助验证，以GNSS和InSAR作为宏观变形与事后追溯的补充。主次分明、相互印证的体系设计，有效克服了单一监测方法误报、漏报的难题。

      同时，项目在监测孔内创新集成了分布式光纤传感设备（渗压、位移、应力、温度），实现了钻孔剖面的多参量精细化监测；研发了“分散型微振监测系统”，在塌陷区广域范围内采集振动信号，为基于微振特征的塌陷预警提供了全新技术路径。

3、让预警“自己会说话”——黑箱模型+自动平台

      面对地下采空区这一极其复杂的系统，项目借鉴控制论“黑箱”方法，将采空区视为一个黑箱，通过监测其输入（控制变量）与输出（状态变量）的关系来判断系统状态，巧妙绕开了对复杂内部机理的完全依赖，实现了基于外部可测参数的智能诊断。

      在此基础上，自主研发了地面塌陷监测预警系统（MAS3.0）。平台采用B/S架构，集数据自动采集、无线传输、海量存储、智能分析、可视化展示与预警信息一键发布于一体，后端采用高性能实时数据处理技术，能对多参量数据进行同步分析和异常捕捉。

      尤为重要的是，项目根据三次成功捕捉到的从塌陷萌生到地表塌陷全过程的宝贵数据，首次定量化确立了石膏矿塌陷的四级水位预警阈值，并形成了“监测—自动预警—专家研判—应急响应”的标准化闭环流程。2024年“6·12”塌陷中，从系统发出预警到人员全部安全避险仅用了2小时，充分验证了体系的实战效能。

4、风险分区“算得准”——AHP-GIS定量评价

      项目从系统论出发，综合考虑地质条件、采矿工程和地下水动力三大要素，筛选出土层厚度、土层结构类型、第四系底部岩性、岩石顶板厚度、洞体自稳高度比、开采规范程度、含水层厚度占比等7个关键评价因子。采用层次分析法（AHP）客观确定因子权重，克服了传统经验法的随意性。

      借助GIS空间分析平台，将各因子图层数字化、归一化处理，通过加权叠加生成易发性综合指数栅格图，采用自然间断法将全区划分为高、中、低三个易发等级。分区结果为矿区土地安全利用、城乡规划和精准防控资源配置提供了直接、科学的依据。

三、国内外竞争力

      本项目从多个方面进行了技术创新，不管是机理研究、监测预警技术、预警模型还是易发性分区模型的建立，本次就项目创新从国内外相关研究、本次采取的创新性技术以及本项目的市场竞争力进行了多维度对比，具体如下表

四、效益分析

      应用推广方面，项目成果已在邳北矿区全面应用，形成了一套包含硬件设备、软件系统、预警模型和技术专利的完整解决方案。可为华东乃至全国同类石膏矿区提供可直接复制的技术样板，具备转化为行业标准或推荐技术指南的潜力。

      经济效益方面，在11平方公里范围内部署监测预警网络仅投入785万元，较同类项目（如山东平邑石膏矿1.8亿元投入）具有显著成本优势。精准分区评价指导了防治资金优化配置，盘活大量闲置土地资源，潜在经济价值巨大。

      社会效益方面，实现了预警区群众零伤亡，有效安抚了矿区民众恐慌情绪，避免了群体性事件，为地方政府决策提供了坚实科技支撑。项目成果提升了我国非煤矿山特别是石膏矿采空区灾害防控的整体技术水平，对践行“生命至上、安全第一”发展理念具有示范意义。

五、获奖情况

      项目成果先后获得：中国灾害防御协会灾害防御科学技术奖（2025年度）创新应用奖；江苏省地质局优秀科技成果三等奖2项；入选《2025年度安全应急装备产业应用案例集》及江苏省自然资源厅发布的《江苏省自然资源创新适用技术目录（2026年版）》。

 

六、推广前景

      本项目在机理、监测、预警和防控四个层面取得了一系列原创性技术突破，形成了“机理清晰、监测精准、预警及时、防控科学”的完整技术体系，成功将地质灾害防治模式从“被动应对”转变为“主动防控”。整体技术达到国内先进水平，其中基于地下水位的预警指标体系和自动化预警平台达到国内领先水平。

      项目技术成熟、效益显著、竞争力强，为我国矿山地质灾害防治领域提供了可复制、可推广的成功范例。我们诚邀各级政府、矿山企业、科研机构携手合作，共同推动这一技术成果在更广区域的转化应用，为守护人民群众生命财产安全、促进资源型地区可持续发展贡献科技力量。（地质五队供稿）

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