陷落型塌陷是指由于巷道、矿房等局部地段顶板冒落成洞，并持续向上发展，最终到达地面，在地表形成近圆形塌陷坑的一类地面塌陷现象（见图3，图4）。区内目前已经发生陷落型塌陷29处，主要分布于矿区西部的希州石膏矿及矿区南部的富达石膏矿、云坛石膏矿、淮海石膏矿井区范围内。该类塌陷与岩溶地面塌陷类似，属突发性塌陷，其规模一般较小，坑壁直立，周边无伴生裂缝，其井下洞口规模受单个矿房或巷道规模控制，洞径一般不大于矿房或巷道的宽度；地面塌陷坑面积受第四系土层结构及含水层发育程度控制，单一黏性土结构土层及砂层弱发育土层区域的地面塌陷坑面积为58~160 m²，砂层厚度大的区域地面塌陷坑面积可达2842 m²。陷落型塌陷在井下主要表现为在矿房或巷道顶板及上覆岩土体中形成冒落洞，洞径与矿房或巷道宽度相近；陷落型塌陷一般具有“自稳”现象，即塌陷在发展到地表以后因塌落洞被黏性土堵塞而停止发育，处于暂时相对稳定状态，地面塌陷坑最终自稳后坑底距地表为8~10 m；若下方塌落物不足以堵塞塌落洞体内采空区，则发展为抽冒式塌陷。

图3 典型陷落型塌陷现状（摄于2024年10月） Fig.3 Current situation of typical sinkhole collapse (taken in October 2024)

图4 陷落型塌陷过程概念示意图Fig.4 Schematic diagram of sinkhole collapse evolution process

矿区内盆地型塌陷主要位于采空区上方及其周边邻近地带，在采空区上覆岩层变形影响下地表发生了一定程度的不均匀变形，导致地面建筑物及其他地面设施发生变形、开裂、倒塌的一类地面变形现象（见图5，图6）。区内目前已经发生盆地型塌陷7处，主要分布于矿区西部的平台石膏矿、希州石膏矿及矿区南部的富达石膏矿。该类塌陷与煤矿采空区地面塌陷类似，属缓变形塌陷。该类塌陷破坏面积较大（大于3 ha），一般塌陷持续1~3天缓慢停止，对人员威胁相对较小。井下表现为在矿房或巷道顶板及上覆岩土体中整体塌落；在地面主要形成面状变形，并伴生多组地裂缝；该类塌陷呈总体沉降变形，中心低四周逐渐升高至塌陷边缘，中心区域积水。

图5 塌陷10小时后矿山现场照片（E—W向摄于2024年6月13日） Fig.5 On-site mine photo 10 hours after collapse（E-W direction, June 13, 2024）

图6 盆地型塌陷过程概念示意图Fig.6 Schematic diagram of basin-type evolution process

利用GNSS卫星定位测量技术^[25]，在矿区外部非形变区选取场地稳定的点设置基准站，在矿区形变监测区设置监测站。实时读取基准站和监测站的卫星定位测量数据，通过数据传输系统将同一时刻的基准站及监测站的原始观测数据发送到数据中心，数据中心对数据进行解算处理，解算监测站相对于基准站的差分解得到的相对坐标值作为监测记录数据。分析监测数据在坐标值各方向变化情况来监测矿区位移变形。

GNSS监测在监测试点工作中先后进行了基岩标监测和地表变形监测，在塌陷前，基岩标和地表变形均无微小变形，该方法在监测过程中能宏观控制地表变化情况，但信息存在滞后性，无法实现提前预警。

干涉合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）技术^[26-27]是近年来广泛采用的一种用于对地观测的高精度遥感技术。InSAR技术具有范围广、卫星数据易获取、高分辨率、全天候等特点，是监测地震、火山活动、山体滑坡、地面沉降等地质灾害和人类活动引起的地表形变的有力工具。时序InSAR通过多期卫星影像数据来建立长序列多期干涉图,对某期意外事件造成地表变化情况排除干扰，提高了地表形变监测的精度,为InSAR技术在长时间地表形变监测中的应用提供了新的思路。

InSAR技术与地表变形监测方法在解决思路上与地表变形监测一致，信息存在滞后性，无法实现提前预警。前期曾调阅2007—2018年多期卫星影像数据，通过综合差分法，进行了数据分析，与地表变形监测工程一致，在塌陷前均未发现微小地表变形。

地下水位监测采用渗压计，通过压力传感实现信息传输，可在石膏矿采空区塌陷预警在地面变形之前有效起到预警作用，其具有监测面积大，范围广，易操作的特点，目前广泛应用于地质灾害监测领域。

地下水监测是一种间接的监测方法，水位波动不能直接判定为塌陷，且受周边农灌采水、大气降水等多重因素影响，目前监测预警的阈值设定是一大难题。地下水位监测在石膏矿采空区的应用目前仅在邳州市第四系厚度40~60 m区域监测有良好效果，整体推广效果需进一步研究。

光纤传感技术是二十世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通讯技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术^[28]。目前研制成功的光纤传感器可以实现绝大部分物理量的监测，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及震动等多变量感测，从压力、温度、震动、变形等多角度进行监测，可以做到多参数阈值报警，相互印证，避免单一因素的多干扰性，综合监测提升监测的准确性，降低其误报率。

光纤传感监测可分为地表、钻孔、井下监测三种，本次就关闭矿山开展监测，未考虑在井下顶底板部署设备。2019年起采用光纤进行了孔内分布式渗压计、位移计、应力传感、温度计等多参量光纤联合监测，在塌陷发生后最近监测点位于塌陷坑50 m处，研究表明位移计、应力传感、温度计未见明显变化，渗压计发生压力显著下降，但光纤传感监测采用砂土回填，导致监测孔内渗压计上下水位连通，受周边民井采水影响较大，不能很好的反应周边水位变化，阈值设定困难。

微震监测是利用地震检波器来检测由微小地震事件产生的弹性波^[29-30]。当地下岩石发生破裂、摩擦或者其他变形过程时，会产生地震波，这些波会向周围传播。地震检波器能够将接收到的机械振动转换为电信号，通过无线传输方式将信号发送到数据采集系统。

地下岩石的强度不足以支撑采空区时发生应力重新分布，容易引发微震事件。通过微震监测，可以实时掌握采空区顶板稳定性，预测地质灾害的发生。

2019年开始采用微震对邳州石膏矿进行了塌陷监测，部署深度0~20 m，曾精准捕捉到3 km外一次采空塌陷。但在实际使用过程中，微震监测受周边影响较大，路边车辆、农耕事件均对设备造成干扰，目前核心问题是解决信号发生是从地表还是地下传输问题。

地面塌陷前，岩石在地下一般会发生岩爆或小规模岩石破裂，在应力释放过程中，会产生声音在地下传播。利用压电式传感器捕捉岩爆声音信号，传感器将接收到的声音信号转换为电信号传输回监测系统，监测系统根据声音信号的频率、振幅、持续时间等特征来判断岩爆的发生可能性和岩爆的强度。

地声监测点安装在废弃矿井井筒处，在实际监测过程中，在较短时间接收到幅度和频率较高的声音信号时，一般发生了较严重的冒顶，但在实际使用中，矿山顶板多处出现顶板小规模冒落现象，但这些冒顶多数不会诱发地面塌陷，且冒顶后发生发展到地表的时间不确定，最短仅20分钟，最长持续数月，且信号定位性差，不足以起到精准监测预警的目的。

地震台网能很好的监测到塌陷情况的发生，据统计，1908—2024年全球范围共发生有记录的2.0级以上矿震350余起，中国、俄罗斯、南非、美国、加拿大、澳大利亚以及欧洲等国矿震事件最为频繁^[31]。如2019−06−09吉林龙家堡煤矿发生2.3级矿震，致9人死亡；2019−08−02河北唐山煤矿发生2.0级矿震，致7人死亡；2015−12−25山东平邑石膏矿发生4.0级矿震灾害，致1人死亡，13人失踪。

上述数据，均为塌陷事件过程中监测，时间与塌陷时间高度一致，不能提前预测塌陷的发生，但地震一般分为前震、主震、余震三部分，若能在前震主动捕捉信息，则可以很好的监测地面塌陷的发生，但在实际塌陷追溯过程中发现地震波发生变化主要在地面塌陷坑出现后，不足以判定塌陷的发生。例如2021年12月9日9:50淮海石膏矿发生塌陷，塌陷坑面积约500 m²，塌陷发生后与地震局进行了综合信息研判，当日9:13仅贾汪区一台测震仪波形开始发生变化，10:07开始，数台测震仪波形发生较大变化，至10:34测震仪信号逐渐恢复正常。

2024年6月12日17:50，石膏矿地面塌陷监测预警系统中JZK55、JZK56、JZK58三个监测点地下水位骤降，超过设定的预警阈值，相继发出预警信息，其中JZK55发出橙色预警， JZK56和JZK58发出黄色预警，判断该区域存在地面塌陷高风险，于当日18:15向属地发出预警信息，建议对该区域进行人员撤离和封闭管理，加强现场巡查工作。20:50左右预警区域发生地面塌陷。6月13日9: 00经无人机航拍测量，塌陷区总面积约72 400 m²，呈不规则盆状，南北长350 m，东西宽250 m，塌陷区边界可见较多伴生的拉张裂缝，地表严重变形，一般塌陷深度在1~4 m。在塌陷区中部出现可见深度约7 m，直径约93 m的圆形塌陷坑，坑边发育大量密集的伴生裂缝，呈环形分布，坑底出现了少量积水，后续经约30天塌陷停止，水位逐渐上升至2m左右。

本次塌陷点700 m范围内部署了9眼地下水监测井（图9），通过调取塌陷事件前后4天监测数据并呈时程曲线，如图 10所示。

监测数据显示， JZK55、 JZK56、 JZK58监测点地下水位从2024年6月12日17:50开始发生明显急剧下降的趋势，其中JZK55位于塌陷区域内，经后期实测塌陷后监测点下降了约30 cm，监测水位表现为出现了短时间骤降后急剧抬升的一个趋势，以10 min/点监测密度在最低点仅捕捉到2个水位测深，水位标高高于原水位标高；JZK56位于塌陷区外围80 m处，表现为水位骤降后急剧抬升，然后又急剧下降的趋势；JZK58位于塌陷区外围250 m处，表现为水位急剧下降，无水位抬升趋势；此外JZK54、JZK65位于塌陷区350 m处，水位出现了0.4 m降深； JZK52、 JZK53、 JZK62、 JZK66孔距塌陷中心大于500 m，未出现明显水位变化情况。本次多个监测点位水位变化十分精确地捕捉到了整个塌陷的过程，为后续监测预警工作的开展提供了有效样本。

图9 塌陷区周边监测点部署图Fig.9 Layout of monitoring points around collapsed area

图 10 塌陷区周边地下水位监测点变化量时域曲线Fig.10 Time-domain variation curve of the groundwater level at monitoring points around collapsed area

2021年12月9日10时，邳州市四户镇高板桥村西侧300 m，淮海矿主井西南侧70 m处发生地面塌陷。塌陷2小时后现场踏勘发现塌陷坑形态近圆形，直径22 m，总面积约350 m²，塌陷坑内有少量积水，积水区深度小于2.0 m，积水无气泡，周边塌陷坑壁有地下水渗出，塌陷坑呈塌陷台地，周边无地裂缝，为典型陷落型塌陷。

本次塌陷点3 km范围内部署了4眼地下水监测井（图 11），通过调取塌陷事件前后4天监测数据并呈时程曲线，如图 12所示。

监测数据显示，JZK10监测点地下水位从2021年12月8日02:50开始发生明显下降的趋势，至2021年12月9日02:48下降至最大，变化量1.604 m，然后开始缓慢回升，至2021年12月9日22:00达到新的水位后开始稳定。同时期的JZK09监测点地下水位也变化了0.329 m，变化量相对较小。其他监测孔的传感器由于距离较远，没有监测到明显的变化数据。本次JZK10水位变化十分精确的捕捉到了整个塌陷的过程，通过水位监测可以很好的对周边塌陷进行预警报警。

图 11 塌陷点周边监测点部署图Fig.11 Layout of monitoring points around collapse point

图 12 塌陷点周边地下水位变化量时域曲线Fig.12 Time-domain variation curve of groundwater level at monitoring points around collapsed area