黃 焱，王 彪，郭 磊，趙 玲

(1. 青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局，青海 西寧 810000；2. 青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810000；3. 青海省地礦測(cè)繪院，青海 西寧 810000)

大通煤礦歷經(jīng)百年的開(kāi)采，不僅耗竭了自身的資源，也使礦山地質(zhì)環(huán)境遭受了重創(chuàng)：地貌景觀滿目瘡痍，采空區(qū)地面塌陷使土地失去利用價(jià)值，采煤工人和村民房屋遭受嚴(yán)重毀壞使其失地、失業(yè)、失所、崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害肆虐，礦區(qū)的生存條件極為惡劣。為了有效監(jiān)測(cè)該示范工程實(shí)施前、實(shí)施中和實(shí)施后的地質(zhì)環(huán)境狀況，為治理工程的開(kāi)展提供參考，為示范工程的效果評(píng)價(jià)提供依據(jù)，決定建設(shè)一個(gè)地表形變及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立和監(jiān)測(cè)工作的開(kāi)展，為全面掌握示范工程區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀和地質(zhì)環(huán)境變化規(guī)律，向礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)及治理提供科學(xué)依據(jù)，為評(píng)價(jià)示范工程的治理效果提供參考資料和依據(jù)，實(shí)現(xiàn)治理效果的可視化表達(dá)，展示大通煤礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境功能的恢復(fù)成效，為示范工程發(fā)揮帶動(dòng)引導(dǎo)作用提供一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)。

1 地質(zhì)概況

大通中新生代盆地的基底由元古界長(zhǎng)城系、薊縣系及下古生界淺變質(zhì)巖。中酸性侵入體組成；蓋層由二疊一三疊系碎屑巖建造，下侏羅統(tǒng)磨拉石建造，中侏羅統(tǒng)陸相含煤建造及上侏羅統(tǒng)—第三系紅色建造組成。上覆第四系冰磧、洪積、沖積礫石層及風(fēng)成黃土。中侏羅統(tǒng)除構(gòu)成大通礦區(qū)的含煤地層外，在五峰山南側(cè)的石山—石灣地區(qū)，盆地北側(cè)的爾麻地區(qū)及西部的城關(guān)地區(qū)也有分布[1]。但據(jù)鉆探驗(yàn)證，其含煤性均不如大通礦區(qū)，僅含薄煤煤層或不可采煤層。在盆地的中部及南部，據(jù)物探資料推測(cè)，侏羅系的基底埋藏深度可達(dá)1 200～2 000 m，其上為深厚的白堊—第三系所覆。

含煤地層為中生代侏羅系下侏羅統(tǒng)窯街組；下伏地層為三系紫紅砂巖、泥巖、礫巖；基底地層為震旦系變巖。礦區(qū)井田范圍內(nèi)共成五煤組，其中可采煤層2組(即3煤組和4煤組)，平均厚度分別為7 m和13 m，屬中厚煤層，煤層牌號(hào)為不粘煤和長(zhǎng)焰煤；煤層賦存條件較為復(fù)雜，煤層傾角一般為14(°)～70(°)之間，賦存形式以傾角和急傾角為主[2]；煤層頂?shù)装鍘r層較為穩(wěn)定，巖性以泥巖、泥質(zhì)礫巖為主。巖層極具吸水性，并遇水膨脹，屬典型的軟巖礦區(qū)。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)構(gòu)造線可分為3組，第1組為西北東南向，構(gòu)成項(xiàng)目區(qū)主要構(gòu)造線，產(chǎn)生系為褶皺及斷裂關(guān)系，斷層也系為平移斷層。第2組大致近于東西向，當(dāng)與第一組斜交或垂直時(shí)，產(chǎn)生褶皺及斷裂，斷層為逆掩斷層或逆斷層。第3組大致為東北西南向，多為正斷層形式產(chǎn)生，也有小型的平移斷層產(chǎn)生。項(xiàng)目區(qū)的主要斷層為元樹(shù)爾逆斷層(F1平移逆斷層)和喜鵲嶺逆斷層(F2逆斷層)。項(xiàng)目區(qū)所處的大通盆地整個(gè)成向斜構(gòu)造，即以北川河谷為軸部，南北兩翼成近似傾斜(南翼稍后于北翼)。項(xiàng)目區(qū)位于大通盆南緣,元樹(shù)爾向斜和小煤洞背斜構(gòu)成區(qū)內(nèi)近東西向延展的簡(jiǎn)單褶曲形態(tài)，皆在大通盆地大向斜之南翼，形成了項(xiàng)目區(qū)主要構(gòu)造。

2 技術(shù)路線

在前期工作中，已經(jīng)獲取了整個(gè)項(xiàng)目區(qū)的航測(cè)遙感圖像及DLG數(shù)據(jù)，成圖精度在1∶1 000，布設(shè)了整個(gè)區(qū)域的地面GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)。本次監(jiān)測(cè)以前期工作為基礎(chǔ)，繼續(xù)開(kāi)展地面GPS監(jiān)測(cè)，以達(dá)到對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)防的目的。

2.1 總體技術(shù)路線

1)采用定期重復(fù)GPS測(cè)量方式對(duì)布設(shè)的監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)量測(cè)，獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變動(dòng)趨勢(shì)和變動(dòng)量，通過(guò)擬合分析確定區(qū)域地表形變狀態(tài)、趨勢(shì)和規(guī)律。監(jiān)測(cè)采用的技術(shù)手段為高精度的靜態(tài)GPS差分測(cè)量，通過(guò)天寶自帶數(shù)據(jù)處理軟件TBC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2)采用定期重復(fù)高精度測(cè)量的方式對(duì)塌陷、地裂縫、滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警。地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的監(jiān)測(cè)，除了采用常規(guī)的對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位變動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量外，還通過(guò)一些日常簡(jiǎn)易的手段進(jìn)行觀測(cè)與監(jiān)視，如照相、巡視、手工測(cè)量等。

2.2 GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)路線

前期已布設(shè)地表形變監(jiān)測(cè)點(diǎn)按十字格網(wǎng)狀進(jìn)行布設(shè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在格網(wǎng)線交叉點(diǎn)附近，已形成觀測(cè)縱橫剖面。

新建GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，以現(xiàn)有基準(zhǔn)點(diǎn)及E級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，新增10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，核減3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)55個(gè)，每隔1月獲取一次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要用于監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的變化趨勢(shì)并能及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

3 地表形變及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

3.1 D-InSAR監(jiān)測(cè)成果

本項(xiàng)目采用雙軌法對(duì)5期覆蓋青海省西寧大通礦區(qū)的TerraSAR-X1數(shù)據(jù)進(jìn)行差分干涉處理，并對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行討論和分析。

DEM數(shù)據(jù)：采用航測(cè)格網(wǎng)間距：1.0 m×1.0 m，高程精度為1 m的高精度DEM。

雷達(dá)數(shù)據(jù)：TerraSAR-X數(shù)據(jù)，成像模式StripMap，空間分辨率3 m，極化VV。

下圖展示了形變區(qū)域雷達(dá)干涉圖情況(圖1,2)。

使用DinSAR方式快速獲取沉降靶區(qū)，經(jīng)過(guò)多期數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)了沉降區(qū)域。

圖1 濾波前干涉圖(局部) 圖2 濾波后干涉圖(局部)

在使用D-InSAR方法監(jiān)測(cè)分析中可以發(fā)現(xiàn)，在第一次使用兩期數(shù)據(jù)即可快速獲取到沉降靶區(qū)，在后續(xù)兩次監(jiān)測(cè)中主要沉降區(qū)位置均較為吻合，表明在整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，該區(qū)域呈現(xiàn)持續(xù)性地表沉降現(xiàn)象。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在單次監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)了信號(hào)較弱的疑似沉降區(qū)，但未能表現(xiàn)出連續(xù)性變化，分析原因可能為大氣衍射、植被變化、空間失相干等原因影響，可以通過(guò)SBAS方式獲取更精確數(shù)據(jù)[3]。

3.2 SBAS方式監(jiān)測(cè)成果

D-InSAR數(shù)據(jù)結(jié)果反映了每?jī)善跀?shù)據(jù)之間發(fā)生的地表變化信息，獲取5期全部雷達(dá)數(shù)據(jù)后使用SBAS-InSAR方式綜合所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。SBAS-InSAR方法利用長(zhǎng)時(shí)間存在的相位和幅度變化穩(wěn)定點(diǎn)的相位特征，消除大氣影響效應(yīng)，獲取高精度的地表形變信息。

技術(shù)原理：連接由長(zhǎng)基線造成的相互獨(dú)立的SAR影像，形成短基線SAR影像集合，以增加數(shù)據(jù)獲取的采樣率，從而可在已有的SAR影像數(shù)據(jù)集中形成若干小集合，每個(gè)小集合內(nèi)SAR影像間的基線較小，集合間SAR影像的基線較大，如圖3所示。

圖3 大通煤礦5期InSAR數(shù)據(jù)像對(duì)連接情況

在獲取5期所有星載合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)后，使用SBAS方式獲取準(zhǔn)確沉降區(qū)及估算年度沉降速率。

3.3 地面GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果

在星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，確定并建立了地面GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

通過(guò)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)束后，雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的沉降區(qū)域仍有持續(xù)地面下沉現(xiàn)象[4]。

表1所示為InSAR監(jiān)測(cè)沉降區(qū)內(nèi)GPS點(diǎn)監(jiān)測(cè)值，從表中看出：

1)InSAR監(jiān)測(cè)沉降區(qū)內(nèi)的所有GPS點(diǎn)測(cè)量值均有下降現(xiàn)象；

2)沉降區(qū)內(nèi)GPS點(diǎn)變化最大的是A6點(diǎn)，第一次監(jiān)測(cè)與最后一次(相差7個(gè)月)對(duì)比總沉降0.253 m(25.3 cm)，平均月沉降3.5 cm；最小的變化點(diǎn)是A5點(diǎn)，總沉降0.052 m(5.2 cm)，平均月沉降0.74 cm。

表1 InSAR監(jiān)測(cè)沉降區(qū)內(nèi)GPS點(diǎn)監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì) m

3.4 雷達(dá)監(jiān)測(cè)與地面監(jiān)測(cè)對(duì)比

根據(jù)星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果和地面GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，二者數(shù)據(jù)可以相互補(bǔ)充驗(yàn)證，證實(shí)了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)具有在大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)面狀地表形變異常的優(yōu)勢(shì)。在前期工作中，僅僅通過(guò)兩個(gè)月的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，獲取2期數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確定位沉降靶區(qū)，在通過(guò)多期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及SBAS方法計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果后，獲取的監(jiān)測(cè)范圍及沉降值都已較為精確，為礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供了有力的支持[5]。

在本項(xiàng)目實(shí)際工作中，地面GPS監(jiān)測(cè)依據(jù)星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)準(zhǔn)確布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，達(dá)到有的放矢的目的。通過(guò)與星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)套合，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)觀察、重點(diǎn)預(yù)防的目的[6]。同時(shí)地面GPS監(jiān)測(cè)可以補(bǔ)充星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)沉降值的誤差，二者同時(shí)開(kāi)展可以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、點(diǎn)面結(jié)合的作用。

1)通過(guò)201310-201404連續(xù)五期SAR影像監(jiān)測(cè)，分別采用D-InSAR及SBAS-InSAR監(jiān)測(cè)方式，確定了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)2處較明顯沉降區(qū)域。

2)使用D-InSAR方法測(cè)量出沉降區(qū)最大地表形變相對(duì)值在1.5～3厘米/月，SBAS-InSAR方法測(cè)量估算的年沉降速率在109～195毫米/年。

3)通過(guò)GPS測(cè)量值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在InSAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到的沉降區(qū)內(nèi)，在InSAR方式監(jiān)測(cè)后，2014年9月至2015年4月期間仍然存在平均每月最小0.7 cm(A5)，最大3.5 cm(A6)的沉降。

4)綜上所述，可以使用兩種測(cè)量方法互相佐證，證實(shí)沉降區(qū)準(zhǔn)確性，但因SAR數(shù)據(jù)與GPS測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)相存在差距，后續(xù)建議補(bǔ)充SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)已達(dá)到進(jìn)一步證實(shí)。

4 結(jié) 論

根據(jù)前期星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果和地面GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，二者數(shù)據(jù)可以相互補(bǔ)充驗(yàn)證，證實(shí)了監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)具有在大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)面狀地表形變異常的優(yōu)勢(shì)。在前期工作中，僅僅通過(guò)兩個(gè)月的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔，獲取2期數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確定位沉降靶區(qū)，在通過(guò)多期數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及SBAS方法計(jì)算監(jiān)測(cè)結(jié)果后，獲取的監(jiān)測(cè)范圍及沉降值都已較為精確，為礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警提供了有力的支持。

地面GPS監(jiān)測(cè)可以依據(jù)星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)準(zhǔn)確布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，達(dá)到有的放矢的目的，在前期工作中，通過(guò)與星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)套合，實(shí)現(xiàn)了重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、重點(diǎn)觀察、重點(diǎn)預(yù)防的目的。同時(shí)地面GPS監(jiān)測(cè)可以補(bǔ)充星載合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)沉降值的誤差，二者同時(shí)開(kāi)展可以達(dá)到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、點(diǎn)面結(jié)合的作用。

變形較大區(qū)域主要集中在山體或山體沖擊前緣，部分區(qū)域常年有地下水滲透，部分田地周邊的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于人為因素影響比較大，不能準(zhǔn)確判斷點(diǎn)位的活動(dòng)情況，山體或山體前緣的點(diǎn)位，由于山體較陡，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)位變化，山體前緣由于地表水滲透，會(huì)引起點(diǎn)位位置變化，總體來(lái)說(shuō)，變形監(jiān)測(cè)起到積極預(yù)防的作用，從總體數(shù)據(jù)來(lái)看，地表變形區(qū)范圍內(nèi)仍存在持續(xù)性地面沉降現(xiàn)象。