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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)財(cái)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(kāi)采，既為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要能源支撐，也必將造成嚴(yán)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?cái)?shù)量急劇減少，人地矛盾日益突出，給當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)極為不利的影響。采煤塌陷地監(jiān)測(cè)事關(guān)礦區(qū)群眾的安居樂(lè)業(yè)、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)采煤塌陷地的監(jiān)測(cè)工作，將為采煤塌陷地復(fù)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(xiàn)中對(duì)礦山開(kāi)采區(qū)沉降研究多基于常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量，雖然精度很高，但由于人力測(cè)量時(shí)間有限，無(wú)法獲得較高的分辨率；InSAR衛(wèi)星測(cè)量能獲得較高的分辨率，但其沉降測(cè)量精度遠(yuǎn)不及水準(zhǔn)測(cè)量[11-15]。若能將兩者結(jié)合，分別在同時(shí)段、同基準(zhǔn)下進(jìn)行測(cè)量，然后綜合兩種測(cè)量方法的信息綜合評(píng)價(jià)，可以得到更為準(zhǔn)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(zhǔn)測(cè)量和InSAR測(cè)量獲取地表沉降數(shù)據(jù)，對(duì)礦山開(kāi)采區(qū)概況進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

1 礦山開(kāi)采區(qū)概況

監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)猷i城縣境內(nèi)四個(gè)煤礦礦區(qū)，監(jiān)測(cè)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(duì)礦井之一。煤田總面積624.6 km2，探明地質(zhì)儲(chǔ)量30.81億t，縣轄區(qū)現(xiàn)有四個(gè)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(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為年產(chǎn)890萬(wàn)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(cè)

在礦山開(kāi)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(kāi)采影響區(qū)域的村鎮(zhèn)道路，布測(cè)三等水準(zhǔn)網(wǎng)；觀測(cè)日期從2017年4月18日～2017年6月23日，利用GPS靜態(tài)測(cè)量成果平差后的GTMK點(diǎn)高程作為已知點(diǎn)，按三等水準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)，采用后前前后方式，附合路線與單程往返路線形式構(gòu)網(wǎng)。高程監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)信息如表1所示。

由表1可知，三期觀測(cè)的水準(zhǔn)路線長(zhǎng)、觀測(cè)高差段數(shù)、聯(lián)測(cè)未知點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)間最大長(zhǎng)等信息基本一致，但第三期觀測(cè)的單位權(quán)高程中誤差與最弱點(diǎn)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(cè)時(shí)，由于儀器問(wèn)題出現(xiàn)系統(tǒng)誤差，或測(cè)量人員某測(cè)段測(cè)量時(shí)出現(xiàn)粗差；二是第三期觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)出現(xiàn)較大沉降，導(dǎo)致中誤差增大。為深入分析該情況出現(xiàn)的原因，將GPS測(cè)量的B級(jí)點(diǎn)沉降情況單獨(dú)列表，如表2所示。

表1 高程監(jiān)測(cè)信息表

表2 B級(jí)點(diǎn)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(diǎn)和YCMK點(diǎn)，本期沉降量分別達(dá)到-0.078 m和-0.091 m，接近分米級(jí)，說(shuō)明2017.1～2017.8時(shí)間段該區(qū)域出現(xiàn)了較大規(guī)模的沉降，進(jìn)而導(dǎo)致了表1中第三期觀測(cè)中誤差的提高。為直觀表示該時(shí)間段內(nèi)礦山開(kāi)采區(qū)沉降情況，將三期水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)繪圖，繪制每期測(cè)量高程與原始數(shù)據(jù)(原始數(shù)據(jù)時(shí)間為2016.1)的差值，如圖1所示(個(gè)別點(diǎn)位由于控制點(diǎn)破壞等原因缺失某期高程數(shù)據(jù)，繪圖時(shí)僅繪制數(shù)據(jù)整全的點(diǎn)號(hào)高程)。

由圖1可知，第一期觀測(cè)數(shù)據(jù)與第二期觀測(cè)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(shuō)明該礦山開(kāi)采區(qū)在前兩期時(shí)間段中無(wú)較大沉降發(fā)生；第三期觀測(cè)數(shù)據(jù)部分點(diǎn)出現(xiàn)很大的沉降波動(dòng)，說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)沉降非常劇烈。第一期觀測(cè)沉降平均值為-0.033 m，第二期觀測(cè)沉降平均值為-0.038 m，第三期觀測(cè)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(shuō)明該礦山開(kāi)采區(qū)有進(jìn)一步沉降的趨勢(shì)。

圖1 三期水準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)

3 基于D-InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)

3.1 D-InSAR的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)成果分析

采用PSInSAR算法，對(duì)Sentinel-1A衛(wèi)星所獲取的38景IW模式SAR影像數(shù)據(jù)集進(jìn)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(cè)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(cè)區(qū)內(nèi)，A區(qū)域?yàn)槊黠@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(yán)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(jìn)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(kāi)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(yíng)鎮(zhèn)整體比較穩(wěn)定，局部區(qū)域存在形變趨勢(shì)，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(chǎng)地最近的村莊單垓新村沉降明顯，沉降速率達(dá)-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(cè)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(shí)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(dá)到-90 mm/a，其他三個(gè)礦區(qū)也存在不同程度的形變趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)各礦區(qū)詳細(xì)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(zhǔn)驗(yàn)證及沉降分析

為驗(yàn)證觀測(cè)結(jié)果的可靠性，收集了礦區(qū)35個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)與PS-InSAR結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。由于水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和PS-InSAR測(cè)量數(shù)據(jù)分屬兩種不同測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)法進(jìn)行直接對(duì)比，因此首先將兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間、空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一，利用空間插值提取水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)PS-InSAR結(jié)果，然后利用線性回歸將水準(zhǔn)和PS-InSAR結(jié)果實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)量系統(tǒng)的參考基準(zhǔn)統(tǒng)一，最后對(duì)PS-InSAR測(cè)量結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。

水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)采用三等水準(zhǔn)測(cè)量作業(yè)方式獲取，作業(yè)時(shí)間為2015年7月和2017年5月，SAR影像獲取時(shí)間為2015年7月30日～2017年6月13日，兩種測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間基本重合，時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一。對(duì)于空間基準(zhǔn)，需將InSAR和水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一投影到精確的WGS-84坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)空間基準(zhǔn)統(tǒng)一。

時(shí)間和空間基準(zhǔn)統(tǒng)一后，采用空間插值提取水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果，即將InSAR結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插獲取水準(zhǔn)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的值，作為InSAR地面沉降觀測(cè)值。對(duì)于獲取的水準(zhǔn)值和PS-InSAR結(jié)果進(jìn)行回歸分析，方程如式(1)所示：

y=ax+b

(1)

式中，y為水準(zhǔn)結(jié)果；x為InSAR觀測(cè)結(jié)果；a為回歸系數(shù)；b為常數(shù)。通過(guò)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(gè)測(cè)量系統(tǒng)之間的整體偏差，以水準(zhǔn)觀測(cè)值為基準(zhǔn)調(diào)整對(duì)應(yīng)的PS-InSAR監(jiān)測(cè)值，對(duì)PS-InSAR值進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)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(zhǔn)后，PS-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果和水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，兩者相關(guān)性系數(shù)為0.959，吻合較好，兩者中誤差為18.8 mm，其中29個(gè)點(diǎn)符合較好，誤差都在20 mm以內(nèi)，表明針對(duì)該礦區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的精度。

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

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

4 結(jié) 論

(1)水準(zhǔn)測(cè)量成果中發(fā)現(xiàn)第三期測(cè)量沉降量大大增加，由于通過(guò)水準(zhǔn)與InSAR成果驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)據(jù)基本一致，可知非測(cè)量原因?qū)е鲁两翟黾?，結(jié)合第三期水準(zhǔn)觀測(cè)中誤差增高，可知該礦山開(kāi)采區(qū)后續(xù)沉降會(huì)逐漸加劇。

(2)水準(zhǔn)成果中，三等水準(zhǔn)第一期觀測(cè)沉降平均值為-0.033 m，第二期觀測(cè)沉降平均值為-0.038 m，第三期觀測(cè)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(shí)采取措施，沉降平均值將在第四期突破分米級(jí)；InSAR監(jiān)測(cè)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(diǎn)在彭莊礦、郭屯礦、趙樓礦、鄆城礦及縣城區(qū)域附近，與水準(zhǔn)測(cè)量成果符合，屬于開(kāi)采活動(dòng)活躍區(qū)和大的影響區(qū)。

(3)地面三等水準(zhǔn)測(cè)量及InSAR監(jiān)測(cè)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(guò)一致性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果和水準(zhǔn)觀測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)為0.959，吻合較好；由InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，沉降中心區(qū)沉降速率達(dá)到-90 mm/a，因此礦區(qū)開(kāi)采后將引起整個(gè)礦區(qū)地面的快速沉降，開(kāi)采面上部沉降量?？蛇_(dá)幾米，形成塌陷盆地，隨著開(kāi)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(gè)礦的開(kāi)采活動(dòng)情況，未來(lái)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(zhǎng)期影響城市居民生產(chǎn)、生活。