礦山開采區(qū)沉降現(xiàn)狀監(jiān)測與發(fā)展趨勢分析

閆利祥

(秦皇島華勘地質(zhì)工程有限公司，河北 秦皇島 066000)

煤炭作為一種能源礦產(chǎn)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎，是社會財富的重要源泉[1-5]。鄆城地區(qū)屬于巨野煤田覆蓋范圍內(nèi)，境內(nèi)煤炭資源豐富，隨著煤炭資源的大量開采，既為經(jīng)濟發(fā)展提供了重要能源支撐，也必將造成嚴重的土地塌陷和地質(zhì)生態(tài)環(huán)境破壞，致使礦區(qū)耕地數(shù)量急劇減少，人地矛盾日益突出，給當?shù)厝罕娚a(chǎn)生活以及經(jīng)濟社會發(fā)展帶來極為不利的影響。采煤塌陷地監(jiān)測事關礦區(qū)群眾的安居樂業(yè)、社會穩(wěn)定和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，加強采煤塌陷地的監(jiān)測工作，將為采煤塌陷地復墾研究，探索采煤塌陷地治理之策提供重要的依據(jù)[6-10]。

現(xiàn)有文獻中對礦山開采區(qū)沉降研究多基于常規(guī)水準測量，雖然精度很高，但由于人力測量時間有限，無法獲得較高的分辨率；InSAR衛(wèi)星測量能獲得較高的分辨率，但其沉降測量精度遠不及水準測量[11-15]。若能將兩者結(jié)合，分別在同時段、同基準下進行測量，然后綜合兩種測量方法的信息綜合評價，可以得到更為準確的地表沉降成果。本文以山東某礦區(qū)為例，分別使用水準測量和InSAR測量獲取地表沉降數(shù)據(jù)，對礦山開采區(qū)概況進行評價分析。

1 礦山開采區(qū)概況

監(jiān)測區(qū)域為鄆城縣境內(nèi)四個煤礦礦區(qū)，監(jiān)測面積約920 km2。鄆城礦區(qū)是華東地區(qū)最后一塊整裝煤田——巨野煤田的主要組成部分，巨野煤田七對礦井之一。煤田總面積624.6 km2，探明地質(zhì)儲量30.81億t，縣轄區(qū)現(xiàn)有四個煤礦，從南到北分別為趙樓煤礦、郭屯煤礦、彭莊煤礦、鄆城煤礦?？傇O計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)890萬t，主要煤種和煤質(zhì)為肥煤、三分之一焦煤和氣煤。

2 高程監(jiān)測

在礦山開采區(qū)區(qū)域內(nèi)，沿主要交通道路、重要城鎮(zhèn)道路、礦區(qū)道路、開采影響區(qū)域的村鎮(zhèn)道路，布測三等水準網(wǎng)；觀測日期從2017年4月18日～2017年6月23日，利用GPS靜態(tài)測量成果平差后的GTMK點高程作為已知點，按三等水準規(guī)范要求進行外業(yè)觀測，采用后前前后方式，附合路線與單程往返路線形式構網(wǎng)。高程監(jiān)測的監(jiān)測信息如表1所示。

由表1可知，三期觀測的水準路線長、觀測高差段數(shù)、聯(lián)測未知點、結(jié)點間最大長等信息基本一致，但第三期觀測的單位權高程中誤差與最弱點高程中誤差明顯高于前兩期，出現(xiàn)這一情況主要有兩種可能：一是第三期觀測時，由于儀器問題出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，或測量人員某測段測量時出現(xiàn)粗差；二是第三期觀測時，基準點出現(xiàn)較大沉降，導致中誤差增大。為深入分析該情況出現(xiàn)的原因，將GPS測量的B級點沉降情況單獨列表，如表2所示。

表1 高程監(jiān)測信息表

表2 B級點沉降情況/m

如表2所示，第三期本期沉降量明顯高于第二期本期沉降量，尤其在YCB點和YCMK點，本期沉降量分別達到-0.078 m和-0.091 m，接近分米級，說明2017.1～2017.8時間段該區(qū)域出現(xiàn)了較大規(guī)模的沉降，進而導致了表1中第三期觀測中誤差的提高。為直觀表示該時間段內(nèi)礦山開采區(qū)沉降情況，將三期水準測量數(shù)據(jù)繪圖，繪制每期測量高程與原始數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)時間為2016.1)的差值，如圖1所示(個別點位由于控制點破壞等原因缺失某期高程數(shù)據(jù)，繪圖時僅繪制數(shù)據(jù)整全的點號高程)。

由圖1可知，第一期觀測數(shù)據(jù)與第二期觀測數(shù)據(jù)數(shù)值比較穩(wěn)定，與原始數(shù)據(jù)差值不大，穩(wěn)定在-0.1 m～0 m之間，說明該礦山開采區(qū)在前兩期時間段中無較大沉降發(fā)生；第三期觀測數(shù)據(jù)部分點出現(xiàn)很大的沉降波動，說明該時段內(nèi)沉降非常劇烈。第一期觀測沉降平均值為-0.033 m，第二期觀測沉降平均值為-0.038 m，第三期觀測沉降平均值為-0.087 m，第三期沉降相較前兩期提升一倍以上，說明該礦山開采區(qū)有進一步沉降的趨勢。

圖1 三期水準測量數(shù)據(jù)

3 基于D-InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測

3.1 D-InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測成果分析

采用PSInSAR算法，對Sentinel-1A衛(wèi)星所獲取的38景IW模式SAR影像數(shù)據(jù)集進行處理。鄆城縣礦區(qū)Sentinel-1數(shù)據(jù)集的覆蓋情況如圖2所示。Sentinel-1A衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測2015年7月～2017年6月兩年間平均地面沉降速率如圖3所示。

圖2 鄆城縣礦區(qū)Sentinel-1影像覆蓋范圍

圖3 鄆城沉降分布圖

鄆城InSAR地面沉降圖如圖4所示，圖中監(jiān)測區(qū)內(nèi)，A區(qū)域為明顯的沉降漏斗群，即鄆城礦和郭屯礦所在區(qū)域，彭莊礦和趙樓礦(B和C)所在區(qū)域雖然有所沉降，但未形成嚴重的沉降漏斗群；由于鄆城礦、彭莊礦、郭屯礦和趙樓礦四處出現(xiàn)了較為明顯的地面形變，因此選取該四處進行分析。

圖4 鄆城InSAR地面沉降圖

鄆城城區(qū)沉降明顯區(qū)域董店村及王沙灣村形變信息圖如圖5所示。由圖5可知，鄆城礦區(qū)最大沉降速率接近-90 mm/a，存在不同程度的形變，其中城區(qū)中心的董店村和東部開發(fā)區(qū)王沙灣村的形變最為明顯，其中最大沉降速率為-90 mm/a；鄆城煤礦所在的王樓村也存在較為明顯的沉降，最大沉降速率約為-50 mm/a，王樓村沉降速率圖如圖6所示。

圖5 鄆城城區(qū)沉降明顯區(qū)域董店村及王沙灣村形變信息圖

圖6 王樓村沉降速率圖

彭莊礦區(qū)沉降速率圖如圖7所示，彭莊礦區(qū)最大沉降速率約為-80 mm/a；彭莊煤礦所在的張營鎮(zhèn)整體比較穩(wěn)定，局部區(qū)域存在形變趨勢，沉降速率在-15 mm/a～50 mm/a之間。

圖7 彭莊礦區(qū)沉降速率圖

郭屯礦區(qū)沉降速率圖如圖8所示，郭屯礦區(qū)最大沉降速率約為-90 mm/a；郭屯煤礦影響范圍較大，距離郭屯礦工業(yè)場地最近的村莊單垓新村沉降明顯，沉降速率達-80 mm/a。

圖8 郭屯礦區(qū)沉降速率圖

南趙樓鎮(zhèn)沉降速率圖如圖9所示，趙樓礦區(qū)最大沉降速率接近-50 mm/a；趙樓煤礦所在的南趙樓鎮(zhèn)有輕微形變，沉降速率在-50 mm/a，整體比較穩(wěn)定。

圖9 南趙樓鎮(zhèn)沉降速率圖

以上監(jiān)測結(jié)果表明，2015～2017年鄆城各礦區(qū)存在不同程度的形變，其中分布著四處較為明顯的礦區(qū)形變，分別為鄆城礦、郭屯礦、彭莊礦和趙樓礦，礦區(qū)形變范圍與礦區(qū)實際的空間分布一致，其中鄆城礦區(qū)形變影響范圍最廣，沉降中心區(qū)沉降速率達到-90 mm/a，其他三個礦區(qū)也存在不同程度的形變趨勢。通過對各礦區(qū)詳細分析，鄆城礦區(qū)主要形變區(qū)域在鄆城縣城區(qū)及周邊。

3.2 水準驗證及沉降分析

為驗證觀測結(jié)果的可靠性，收集了礦區(qū)35個水準點與PS-InSAR結(jié)果進行對比驗證。由于水準觀測數(shù)據(jù)和PS-InSAR測量數(shù)據(jù)分屬兩種不同測量系統(tǒng)，無法進行直接對比，因此首先將兩種數(shù)據(jù)進行時間、空間基準的統(tǒng)一，利用空間插值提取水準點對應PS-InSAR結(jié)果，然后利用線性回歸將水準和PS-InSAR結(jié)果實現(xiàn)兩種測量系統(tǒng)的參考基準統(tǒng)一，最后對PS-InSAR測量結(jié)果進行精度驗證。

水準觀測數(shù)據(jù)采用三等水準測量作業(yè)方式獲取，作業(yè)時間為2015年7月和2017年5月，SAR影像獲取時間為2015年7月30日～2017年6月13日，兩種測量系統(tǒng)時間基本重合，時間基準統(tǒng)一。對于空間基準，需將InSAR和水準測量結(jié)果統(tǒng)一投影到精確的WGS-84坐標系，實現(xiàn)空間基準統(tǒng)一。

時間和空間基準統(tǒng)一后，采用空間插值提取水準點對應PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果，即將InSAR結(jié)果進行內(nèi)插獲取水準點相對應的值，作為InSAR地面沉降觀測值。對于獲取的水準值和PS-InSAR結(jié)果進行回歸分析，方程如式(1)所示：

y=ax+b

(1)

式中，y為水準結(jié)果；x為InSAR觀測結(jié)果；a為回歸系數(shù)；b為常數(shù)。通過回歸分析得到回歸方程為y=1.189 5x-69.8，其中常數(shù)-69.8為兩個測量系統(tǒng)之間的整體偏差，以水準觀測值為基準調(diào)整對應的PS-InSAR監(jiān)測值，對PS-InSAR值進行補償，補償結(jié)果如圖10所示。

圖10 InSAR回歸分析結(jié)果

由圖10可知，統(tǒng)一參考基準后，PS-InSAR監(jiān)測結(jié)果和水準觀測數(shù)據(jù)對比，兩者相關性系數(shù)為0.959，吻合較好，兩者中誤差為18.8 mm，其中29個點符合較好，誤差都在20 mm以內(nèi)，表明針對該礦區(qū)的監(jiān)測結(jié)果具有較高的精度。

繪制統(tǒng)一參考基準水準、InSAR測量結(jié)果及差值折線圖如圖11所示，可知水準測量成果與InSAR測量成果基本一致，折線走勢差別不大，差值維持在較低水平，說明兩次測量成果是準確、相符的。

圖11 統(tǒng)一參考基準水準、InSAR測量結(jié)果及差值折線圖

4 結(jié) 論

(1)水準測量成果中發(fā)現(xiàn)第三期測量沉降量大大增加，由于通過水準與InSAR成果驗證，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)基本一致，可知非測量原因?qū)е鲁两翟黾?，結(jié)合第三期水準觀測中誤差增高，可知該礦山開采區(qū)后續(xù)沉降會逐漸加劇。

(2)水準成果中，三等水準第一期觀測沉降平均值為-0.033 m，第二期觀測沉降平均值為-0.038 m，第三期觀測沉降平均值為-0.087 m，可知該區(qū)域沉降速度逐漸增快，若不及時采取措施，沉降平均值將在第四期突破分米級；InSAR監(jiān)測結(jié)果中，董店村、王沙灣村、王樓村、單垓新村和南趙樓鎮(zhèn)附近沉降比較明顯，這些地點在彭莊礦、郭屯礦、趙樓礦、鄆城礦及縣城區(qū)域附近，與水準測量成果符合，屬于開采活動活躍區(qū)和大的影響區(qū)。

(3)地面三等水準測量及InSAR監(jiān)測結(jié)果均顯示：礦區(qū)及鄰區(qū)、甚至縣城區(qū)域地面均存在較快的地面下沉；通過一致性驗證，發(fā)現(xiàn)InSAR監(jiān)測結(jié)果和水準觀測數(shù)據(jù)相關性系數(shù)為0.959，吻合較好；由InSAR監(jiān)測結(jié)果可知，沉降中心區(qū)沉降速率達到-90 mm/a，因此礦區(qū)開采后將引起整個礦區(qū)地面的快速沉降，開采面上部沉降量?？蛇_幾米，形成塌陷盆地，隨著開采的繼續(xù)將形成湖泊，并迅速改變地面水土和生態(tài)環(huán)境。

(4)依據(jù)四個礦的開采活動情況，未來幾年或幾十年內(nèi)，礦區(qū)地面的沉陷將繼續(xù)快速發(fā)育，并影響到鄆城縣城地面形態(tài)的改變，長期影響城市居民生產(chǎn)、生活。