基于InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)的石膏礦采空塌陷特征分析
——以邳州平臺礦和希州礦為例

湯志剛， 景佳俊， 顏士順， 潘九寶， 李夢夢

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊，徐州 221004； 2.江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，南京 210013)

0 引言

石膏是一種重要的礦產(chǎn)資源，對地方經(jīng)濟發(fā)展可起到極大的推動作用。但石膏礦的大量開采，在帶來經(jīng)濟效益的同時，也留下了嚴(yán)重的采空地面塌陷隱患。目前關(guān)于石膏礦采空塌陷的研究多集中于采空區(qū)礦柱和護頂層的穩(wěn)定性等方面，如鄒洋等[1]、章求才等[2]、李明等[3]、夏開宗等[4]、陳從新等[5]從石膏礦礦柱、護頂層及上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)及冒落規(guī)律方面對石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機理進行了研究，閆士民等[6]、劉愛斌等[7]、周丹等[8]對邳北石膏礦區(qū)采空塌陷特征、穩(wěn)定性及監(jiān)測預(yù)警等方面進行了研究，盧毅等[9]、鄭茂興等[10]對地面變形及石膏礦區(qū)監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)等方面進行了研究。近年來，InSAR在城市地面沉降監(jiān)測、山體滑坡監(jiān)測及礦區(qū)沉降監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛[11-14]，但由于石膏礦的開采方式、塌陷機理與地表變形特征等因素有關(guān)，InSAR應(yīng)用于石膏礦區(qū)地表變形方面的研究較少。本文在前人對石膏礦采空塌陷特征、采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機理等研究的基礎(chǔ)上，基于InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)計算分析了邳州石膏礦區(qū)采空塌陷特征并驗證了其有效性。

1 研究區(qū)概況

邳州石膏礦區(qū)位于邳州市北部，呈NW向條帶狀，橫跨邢樓、岔河、四戶、鄒莊和鐵富5個鎮(zhèn)，面積47.3 km2左右。礦區(qū)地理坐標(biāo)為117°48′～118°03′E，34°33′～34°39′N。其中，平臺礦和希州礦位于邳北石膏礦區(qū)西部。

邳州石膏礦區(qū)是江蘇省重要的石膏產(chǎn)地，其查明資源總量超過44億t，其中控制的儲量達(dá)16億t，居華東地區(qū)之首。其礦床埋藏淺，開采技術(shù)條件簡單。自1984年第一家石膏礦投產(chǎn)后，近30多年來，石膏礦的大量開采引發(fā)了嚴(yán)重的采空塌陷。2005年3月邳州石膏礦區(qū)發(fā)生了第一起采空塌陷，之后連續(xù)多年都有采空塌陷的發(fā)生，至今已發(fā)生23處采空塌陷。塌陷頻率不斷加快，規(guī)模不斷擴大，造成礦井報廢、土地?fù)p毀等嚴(yán)重后果，對研究區(qū)人民的生命及財產(chǎn)安全產(chǎn)生了較大威脅。

2 研究區(qū)地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于中朝準(zhǔn)地臺—淮河臺坳—淮北臺陷褶帶—徐州(宿縣)弧形斷褶帶中的四戶凹陷。區(qū)域地層巖性主要為太古宇泰山群片麻巖，新元古界青白口系土門群—震旦系石英砂巖、石英巖及頁巖，新元古界震旦系趙圩組—張渠組碳酸鹽巖，古生界寒武系—奧陶系碳酸鹽巖與碎屑巖，中生界白堊系青山組—王氏組碎屑巖及火山碎屑巖和新生界古近系官莊組—大汶口組含鹽碎屑巖。另外，第四系分布廣泛，厚度為40～45 m。

2.2 工程地質(zhì)條件

全新統(tǒng)(0～4 m)巖性以灰黃、褐黃色亞黏土和粉質(zhì)黏土為主，底部為灰黑色黏土； 中、上更新統(tǒng)(4～27 m)巖性主要為棕黃、褐黃色含鈣質(zhì)結(jié)核黏土，局部含較多的鐵錳結(jié)核，中下部夾中—細(xì)砂層； 下更新統(tǒng)(27～40 m)巖性為棕褐色黏土、粗砂和礫石層。

石膏礦賦存于古近系大汶口組下段地層中，根據(jù)石膏礦層分布特征，可分為3個含膏巖帶(層)，編號分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅲ膏帶是整個研究區(qū)的開采礦層。研究區(qū)內(nèi)頂板埋深46～152 m，膏層厚12.15～14.05 m。礦層頂板巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖和含膏泥巖，局部地段有粉砂巖、細(xì)砂巖及含礫砂巖； 礦層底板巖性主要為泥巖。邳州石膏礦區(qū)巖土層力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

2.3 水文地質(zhì)條件

邳州平臺礦和希州礦地質(zhì)環(huán)境條件見圖1。礦區(qū)及周邊地下水主要為松散巖類孔隙水，賦存于全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)砂層和礫石層中，局部具承壓性質(zhì)。第四系孔隙含水層上部為全新統(tǒng)棕黃色粉質(zhì)黏土，中夾砂層，富水性相對較弱，單井涌水量<40 m3/d； 中部為中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土，中夾砂層或含礫砂層，富水性中等； 底部局部地段為厚1～5 m的中更新統(tǒng)粗砂和礫石層，富水性較好。部分礦段鉆孔抽水試驗結(jié)果為： 降深2.86～6.84 m，涌水量556.8～749.95 m3/d，單位涌水量1.17～2.597 L/(s·m)，滲透系數(shù)2.73～13.0 m/d。

圖1 邳州平臺礦和希州礦地質(zhì)環(huán)境條件圖

3 開采沉陷機理

3.1 塌陷歷史

據(jù)前期資料得知，邳州石膏礦區(qū)共發(fā)生過地面塌陷23次，其中平臺礦和希州礦共發(fā)生過地面塌陷7次，占整個礦區(qū)的30%，發(fā)育面狀地面塌陷和點狀地面塌陷(圖2，表2)。其中TX2、TX3、TX4塌陷發(fā)生時，處于礦房開采時期，塌陷前先出現(xiàn)頂板冒落，隨后有泥水滲入礦房，封堵無效后進行封堵礦房處理，塌陷坑平面近圓形，塌陷穩(wěn)定后至今未繼續(xù)塌陷。其余塌陷皆發(fā)生于停采后，其中TX1、TX7塌陷發(fā)生后，周邊先后發(fā)生多次塌陷且范圍逐漸擴大，目前已連為一體。

(a) 平臺礦主井面狀地面塌陷(TX1) (b) 希州石膏礦點狀地面塌陷(TX5)

表2 研究區(qū)采空塌陷基本特征

3.2 沉陷機理及塌陷特征

石膏礦被開采以后，采空區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布。在應(yīng)力達(dá)到新的平衡過程中，采空區(qū)上覆巖層由下至地表產(chǎn)生連續(xù)的移動、變形和非連續(xù)的破壞(開裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷”[15]。因此，開采沉陷是有關(guān)巖層移動造成的。

邳州石膏礦區(qū)各礦山均采用房柱式開采，采場的穩(wěn)定性依靠留設(shè)的連續(xù)礦柱和預(yù)留的石膏護頂層及護底層來維持。采空區(qū)失穩(wěn)的模式有2種： 一是礦柱失穩(wěn)，頂板巖石破壞； 二是礦柱穩(wěn)定，頂板巖石破壞。

房柱式開采的石膏礦開采沉陷變形不同于長壁式開采的煤礦沉陷變形特征，一般表現(xiàn)為3個階段： 護頂層的彎曲下沉、礦柱底板失穩(wěn)變形和后期壓密變形階段。根據(jù)地表變形速率可以將3個階段相應(yīng)劃分為早期緩慢變形階段、快速變形階段和后期穩(wěn)沉階段。

當(dāng)?shù)V柱穩(wěn)定，頂板巖石破壞時，頂板巖石冒落，最終變形反映至地表，形成點狀塌陷。此類塌陷早期變形范圍及變形值均較小。

當(dāng)?shù)V柱失穩(wěn)，頂板巖石破壞時，頂板巖石冒落，最終變形反映至地表，形成面狀塌陷。此類塌陷變形范圍及變形值較點狀塌陷更大。

4 塌陷特征分析

4.1 InSAR數(shù)據(jù)處理

基于多主影像相干目標(biāo)小基線InSAR技術(shù)，利用礦區(qū)2007—2018年中等分辨率SAR影像，開展研究區(qū)地面沉降變形監(jiān)測。由于石膏礦開采沉陷具有大變形的特征，且研究區(qū)潛水位較高，發(fā)生沉陷后地表易出現(xiàn)集水坑，故采用的InSAR數(shù)據(jù)監(jiān)測點屬于礦區(qū)內(nèi)相干性良好地區(qū)。各期數(shù)據(jù)基本情況見表3。

表3 各期數(shù)據(jù)基本情況

地表沉降信息提取方法主要包括以下步驟。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。對SAR數(shù)據(jù)，根據(jù)小基線組合原則，形成若干個主輔干涉像對，依次進行粗配準(zhǔn)、精配準(zhǔn)、生成干涉圖、去平地相位、去地形相位等處理，生成差分相位圖。

(2)時間序列InSAR地表形變反演處理。利用預(yù)處理后的時間序列SAR影像開展地表沉降反演監(jiān)測分析，采用InSAR形變監(jiān)測軟件系統(tǒng)GDEMSI完成。依次進行穩(wěn)定點目標(biāo)提取、Delaunay三角網(wǎng)建立、線性形變估計、非線性形變和大氣相位的分離與估計、總形變量估計等處理[16]。數(shù)據(jù)預(yù)處理和時間序列InSAR地表形變反演處理過程如圖3所示。

圖3 InSAR數(shù)據(jù)預(yù)處理及地表形變反演處理過程

SAR影像經(jīng)過預(yù)處理、線性形變反演、非線性估計、累計形變量計算等處理步驟后[17]，通過對InSAR沉降監(jiān)測結(jié)果進行科學(xué)驗證、分析、評價，同時利用GIS分析技術(shù)，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和2007—2018年歷史沉降數(shù)據(jù)，得出各階段的沉降速率和累計沉降量。

2007—2018年平臺礦和希州礦InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖4，其中,570996、574021監(jiān)測點2012—2015年累計沉降量曲線見圖5。

通過數(shù)據(jù)分析，570996、574021監(jiān)測點2012—2015年累計沉降量分別達(dá)到-36.98 mm和-60.18 mm。監(jiān)測點南側(cè)區(qū)域2016—2018年累計沉降量分別達(dá)到-38.53 mm和-77.16 mm。

(a) 2007—2011年累計沉降量等值線(b) 2012—2015年累計沉降量等值線(c) 2016—2018年累計沉降量等值線

圖5 監(jiān)測點2012—2015年累計沉降量曲線

4.2 InSAR數(shù)據(jù)地表變形分析

對研究區(qū)2007—2018年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合研究區(qū)數(shù)次塌陷基本特征，認(rèn)為面狀地面塌陷和點狀地面塌陷具有高度一致性(表4)。

表4 研究區(qū)InSAR數(shù)據(jù)地表變形分析

根據(jù)TX1和TX7塌陷變形過程，結(jié)合2007—2018年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出: TX1點發(fā)生地面塌陷前，2007—2011年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出地表存在早期緩慢變形，最大變形量約-35.26 mm； TX7點發(fā)生地面塌陷前，2012—2015年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)亦反映出地表存在早期緩慢變形，最大變形量約-31.21 mm。

2012年后TX1點塌陷范圍隨著地表變形范圍和累計沉降變形量的增大而逐漸增大，2016年后TX7點塌陷范圍亦隨著地表變形范圍和累計沉降變形量的增大而逐漸增大，最終TX1點和TX7點合并為一個大的塌陷區(qū)域。根據(jù)2016—2018年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，TX1和TX7點南側(cè)仍有較大的緩慢變形量，可能引發(fā)新的塌陷，原地面塌陷范圍可能會進一步擴大。

從2007—2018年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)還可以看出： 點狀塌陷時，地表早期緩慢變形范圍主要集中于塌陷范圍，對塌陷范圍外圍影響甚微； 面狀塌陷時，地表早期緩慢變形范圍略大于塌陷范圍，存在一定的塌陷影響區(qū)，隨著地表變形范圍和累計沉降變形量的增大，塌陷范圍也會逐漸增大至地表早期緩慢變形范圍，直至塌陷穩(wěn)定。

由此可見，根據(jù)地表早期緩慢變形量及范圍可以判斷地面塌陷類型及范圍。

5 結(jié)論

(1)通過對邳州平臺礦和希州礦InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析可以看出，InSAR數(shù)據(jù)所探測到的屬于整個采礦范圍內(nèi)相干性良好地區(qū)，可有效測量礦區(qū)內(nèi)塌陷之前地表的緩慢變形。地面塌陷前，存在一定時期的緩慢變形階段，可通過InSAR數(shù)據(jù)分析并結(jié)合礦區(qū)塌陷特征確定該變形區(qū)域，并根據(jù)變形量及范圍判斷塌陷類型。

(2)鑒于邳州石膏礦區(qū)膏層埋深淺、上覆松散層厚度不大、房柱式開采形式等情況，采用InSAR數(shù)據(jù)進行采空塌陷前期緩慢變形特征研究及災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)報具有一定的有效性，此時應(yīng)合理設(shè)置監(jiān)測點密度。

(3)對礦區(qū)InSAR數(shù)據(jù)地表變形的分析可為礦區(qū)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報及防治提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。