湯志剛， 景佳俊， 顏士順， 潘九寶， 李夢(mèng)夢(mèng)

(1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第五地質(zhì)大隊(duì)，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(duì)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展可起到極大的推動(dòng)作用。但石膏礦的大量開(kāi)采，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，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(hù)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(kāi)宗等[4]、陳從新等[5]從石膏礦礦柱、護(hù)頂層及上覆巖層的力學(xué)性質(zhì)及冒落規(guī)律方面對(duì)石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機(jī)理進(jìn)行了研究，閆士民等[6]、劉愛(ài)斌等[7]、周丹等[8]對(duì)邳北石膏礦區(qū)采空塌陷特征、穩(wěn)定性及監(jiān)測(cè)預(yù)警等方面進(jìn)行了研究，盧毅等[9]、鄭茂興等[10]對(duì)地面變形及石膏礦區(qū)監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。近年來(lái)，InSAR在城市地面沉降監(jiān)測(cè)、山體滑坡監(jiān)測(cè)及礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛[11-14]，但由于石膏礦的開(kāi)采方式、塌陷機(jī)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(duì)石膏礦采空塌陷特征、采空區(qū)穩(wěn)定性和塌陷機(jī)理等研究的基礎(chǔ)上，基于InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析了邳州石膏礦區(qū)采空塌陷特征并驗(yàn)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(gè)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(tái)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(guò)44億t，其中控制的儲(chǔ)量達(dá)16億t，居華東地區(qū)之首。其礦床埋藏淺，開(kāi)采技術(shù)條件簡(jiǎn)單。自1984年第一家石膏礦投產(chǎn)后，近30多年來(lái)，石膏礦的大量開(kāi)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(kuò)大，造成礦井報(bào)廢、土地?fù)p毀等嚴(yán)重后果，對(duì)研究區(qū)人民的生命及財(cái)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(tái)—淮河臺(tái)坳—淮北臺(tái)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(yè)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(gè)含膏巖帶(層)，編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，其中Ⅲ膏帶是整個(gè)研究區(qū)的開(kāi)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(jiàn)表1。

2.3 水文地質(zhì)條件

邳州平臺(tái)礦和希州礦地質(zhì)環(huán)境條件見(jiàn)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(duì)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(yàn)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(tái)礦和希州礦地質(zhì)環(huán)境條件圖

3 開(kāi)采沉陷機(jī)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(guò)地面塌陷23次，其中平臺(tái)礦和希州礦共發(fā)生過(guò)地面塌陷7次，占整個(gè)礦區(qū)的30%，發(fā)育面狀地面塌陷和點(diǎn)狀地面塌陷(圖2，表2)。其中TX2、TX3、TX4塌陷發(fā)生時(shí)，處于礦房開(kāi)采時(shí)期，塌陷前先出現(xiàn)頂板冒落，隨后有泥水滲入礦房，封堵無(wú)效后進(jìn)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(kuò)大，目前已連為一體。

(a) 平臺(tái)礦主井面狀地面塌陷(TX1) (b) 希州石膏礦點(diǎn)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(jī)理及塌陷特征

石膏礦被開(kāi)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(guò)程中，采空區(qū)上覆巖層由下至地表產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)、變形和非連續(xù)的破壞(開(kāi)裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為“開(kāi)采沉陷”[15]。因此，開(kāi)采沉陷是有關(guān)巖層移動(dòng)造成的。

邳州石膏礦區(qū)各礦山均采用房柱式開(kāi)采，采場(chǎng)的穩(wěn)定性依靠留設(shè)的連續(xù)礦柱和預(yù)留的石膏護(hù)頂層及護(hù)底層來(lái)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(kāi)采的石膏礦開(kāi)采沉陷變形不同于長(zhǎng)壁式開(kāi)采的煤礦沉陷變形特征，一般表現(xiàn)為3個(gè)階段： 護(hù)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(gè)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(shí)，頂板巖石冒落，最終變形反映至地表，形成點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(kāi)展研究區(qū)地面沉降變形監(jiān)測(cè)。由于石膏礦開(kāi)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(cè)點(diǎn)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(jiàn)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(duì)SAR數(shù)據(jù)，根據(jù)小基線組合原則，形成若干個(gè)主輔干涉像對(duì)，依次進(jìn)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(shí)間序列InSAR地表形變反演處理。利用預(yù)處理后的時(shí)間序列SAR影像開(kāi)展地表沉降反演監(jiān)測(cè)分析，采用InSAR形變監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)GDEMSI完成。依次進(jìn)行穩(wěn)定點(diǎn)目標(biāo)提取、Delaunay三角網(wǎng)建立、線性形變估計(jì)、非線性形變和大氣相位的分離與估計(jì)、總形變量估計(jì)等處理[16]。數(shù)據(jù)預(yù)處理和時(shí)間序列InSAR地表形變反演處理過(guò)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(guò)程

SAR影像經(jīng)過(guò)預(yù)處理、線性形變反演、非線性估計(jì)、累計(jì)形變量計(jì)算等處理步驟后[17]，通過(guò)對(duì)InSAR沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證、分析、評(píng)價(jià)，同時(shí)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(jì)沉降量。

2007—2018年平臺(tái)礦和希州礦InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果見(jiàn)圖4，其中,570996、574021監(jiān)測(cè)點(diǎn)2012—2015年累計(jì)沉降量曲線見(jiàn)圖5。

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

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

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)2012—2015年累計(jì)沉降量曲線

4.2 InSAR數(shù)據(jù)地表變形分析

對(duì)研究區(qū)2007—2018年InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)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(guò)程，結(jié)合2007—2018年InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出: TX1點(diǎn)發(fā)生地面塌陷前，2007—2011年InSAR監(jiān)測(cè)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(diǎn)發(fā)生地面塌陷前，2012—2015年InSAR監(jiān)測(cè)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(diǎn)塌陷范圍隨著地表變形范圍和累計(jì)沉降變形量的增大而逐漸增大，2016年后TX7點(diǎn)塌陷范圍亦隨著地表變形范圍和累計(jì)沉降變形量的增大而逐漸增大，最終TX1點(diǎn)和TX7點(diǎn)合并為一個(gè)大的塌陷區(qū)域。根據(jù)2016—2018年InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，TX1和TX7點(diǎn)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(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

從2007—2018年InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還可以看出： 點(diǎn)狀塌陷時(shí)，地表早期緩慢變形范圍主要集中于塌陷范圍，對(duì)塌陷范圍外圍影響甚微； 面狀塌陷時(shí)，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(jì)沉降變形量的增大，塌陷范圍也會(huì)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(jiàn)，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(guò)對(duì)邳州平臺(tái)礦和希州礦InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析可以看出，InSAR數(shù)據(jù)所探測(cè)到的屬于整個(gè)采礦范圍內(nèi)相干性良好地區(qū)，可有效測(cè)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(shí)期的緩慢變形階段，可通過(guò)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(kāi)采形式等情況，采用InSAR數(shù)據(jù)進(jìn)行采空塌陷前期緩慢變形特征研究及災(zāi)害監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)具有一定的有效性，此時(shí)應(yīng)合理設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)密度。

(3)對(duì)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(cè)、預(yù)報(bào)及防治提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與科學(xué)依據(jù)。