王 頌 張路青 周 劍 張奮翔 韓振華 尹凡龍

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所,中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100029,中國(guó))(②中國(guó)科學(xué)院大學(xué),地球與行星科學(xué)學(xué)院,北京 100049,中國(guó))(③中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院,北京 100029,中國(guó))(④北京工業(yè)大學(xué),城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124,中國(guó))(⑤北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100038,中國(guó))(⑥北京中科地環(huán)工程技術(shù)有限公司,北京 101499,中國(guó))

0 引 言

人類礦山工程與地質(zhì)環(huán)境之間矛盾尖銳,大規(guī)模的采礦活動(dòng)改變了區(qū)域能量交換和物質(zhì)轉(zhuǎn)移過(guò)程,破壞了局部地質(zhì)體的穩(wěn)定性,繼而容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害(胡靜云等,2014; 周超等,2020)。礦山地質(zhì)災(zāi)害類型眾多,既包括發(fā)生于井下的冒頂、片幫、巖爆、突水、突泥等,也包括發(fā)生于地表的地面沉降、地面塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流等(寧宇,2009; 郭維君等,2010)。其中:地面沉降、地面塌陷和地裂縫是地下礦體開采后上覆巖層冒落,圍巖因內(nèi)部原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被改變而不斷移動(dòng)變形,最終造成地表下沉破壞的災(zāi)害現(xiàn)象(何芳等,2008,2010; 黃平路等,2010)。高強(qiáng)度礦山開采所誘發(fā)的地面沉陷不僅導(dǎo)致了地表水和地下水循環(huán)紊亂、植被損傷、礦區(qū)沙漠化等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,還毀壞了采空區(qū)地表的房屋和農(nóng)田,易使社會(huì)矛盾激化(王卓理等,2011)。

甘肅省紅會(huì)礦區(qū)是受高強(qiáng)度地下開采影響而形成的典型地表沉陷區(qū),地表塌陷坑和地裂縫錯(cuò)綜復(fù)雜,危害顯著。目前已有相關(guān)文獻(xiàn)針對(duì)礦區(qū)地面沉降進(jìn)行了初步探索。李彥軍(2008)重點(diǎn)論述了礦區(qū)地裂縫和塌陷坑的發(fā)育特征、成因及其所造成的危害。然而,受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)條件所限,他所獲取的災(zāi)害數(shù)量和空間分布數(shù)據(jù)十分有限。隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,大范圍內(nèi)的地貌和地物得以快速便捷觀測(cè)和精確解譯。劉歡等(2010)、丁麗等(2010)和李瑩瑩等(2014)使用高分辨率的IKONOS衛(wèi)星影像識(shí)別并統(tǒng)計(jì)了紅會(huì)礦區(qū)內(nèi)的塌陷群和煤堆、煤矸石堆等土地占用情況,但沒有涉及到地裂縫的研究。王娟等(2012)和尹展等(2017)基于RS和GIS對(duì)紅會(huì)礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分區(qū),但評(píng)價(jià)過(guò)程中沒有考慮體現(xiàn)地面沉降動(dòng)態(tài)過(guò)程的相關(guān)指標(biāo)。因此,目前針對(duì)紅會(huì)礦區(qū)地面沉陷的研究還很不充分,特別是缺乏對(duì)災(zāi)害發(fā)育特征的定量描述和礦區(qū)地表動(dòng)態(tài)變形的監(jiān)測(cè)。

廣泛使用的地表變形監(jiān)測(cè)技術(shù)有精密水準(zhǔn)測(cè)量、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分布式光纖監(jiān)測(cè)等(衛(wèi)建東,2007; 董文文等,2016)。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)是一種基于主動(dòng)式微波遙感區(qū)分地表屬性和記錄地表三維形變信息的新型監(jiān)測(cè)手段。和傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)技術(shù)相比,InSAR具有全天候、大面積、高精度、高分辨率、低成本等突出的優(yōu)點(diǎn),適用于火山活動(dòng)、滑坡活動(dòng)、冰川運(yùn)動(dòng)和地面沉降等諸多研究領(lǐng)域(李珊珊等,2013; 楊澤發(fā)等,2015; Rosi et al.,2018; 蘭恒星等,2019; 姚佳明等,2020)。目前,應(yīng)用最多的InSAR變形監(jiān)測(cè)方法包括D-InSAR、PS-InSAR、SBAS-InSAR、IPTA-InSAR、DS-InSAR和MAI技術(shù)等(Tao et al.,2014; 朱建軍等,2017;Xie et al.,2020; 張嚴(yán)等,2021)。例如,Chen et al.(2012)基于IPTA-InSAR技術(shù)研究了2006～2010年中國(guó)珠江三角洲地區(qū)地質(zhì)、人類活動(dòng)與地面沉降的相互作用,發(fā)現(xiàn)和第四紀(jì)沉積活動(dòng)相比,人類城市化活動(dòng)更容易誘發(fā)地面沉降。Zhang et al.(2018)使用D-InSAR技術(shù)提取了特拉華盆地鉀鹽礦地面沉降信息,發(fā)現(xiàn)地面沉降和鉀鹽礦的開采強(qiáng)度有密切的相關(guān)性,并且開采停止后地面仍然在持續(xù)下沉。

上述各種方法中,SBAS-InSAR選取空間、時(shí)間基線均較小的干涉像對(duì),能有效緩解數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的失相干情況,提高了形變監(jiān)測(cè)精度,更適合應(yīng)用于城市及礦區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)(李珊珊等,2013)。張金芝(2015)基于SBAS時(shí)序分析技術(shù)提取了1992～2000年黃河三角洲地面沉降速度,并重點(diǎn)分析了石油開采、地下水抽取和地表加載等典型影響因素對(duì)地面形變的作用。Zhao et al.(2011)監(jiān)測(cè)到山西大同新城建設(shè)區(qū)、地下水開采區(qū)和采煤塌陷區(qū)的地面沉降速度分別是1cm/年、2cm/年和4cm/年。Zhang et al.(2019)將SBAS-InSAR形變分析結(jié)果與武漢市56個(gè)特定水準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,SBAS-InSAR技術(shù)測(cè)量精度可達(dá)毫米級(jí); 武漢市分布有4個(gè)主要沉降區(qū),地下水開采、地鐵開挖和城市建設(shè)是造成城市沉降的主要因素。

綜上所述,本文以甘肅省白銀市平川區(qū)紅會(huì)礦區(qū)為研究對(duì)象,結(jié)合遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查定量分析地面變形災(zāi)害的發(fā)育特征,并利用SBAS-InSAR技術(shù)系統(tǒng)研究該區(qū)域從2017年3月到2019年10月期間地面變形程度和隨時(shí)間的演化規(guī)律,為地面災(zāi)害的預(yù)警和治理提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

白銀市平川區(qū)位于甘肅省的中北部,區(qū)域海拔為1347～2858m,整體地形呈階梯狀,東南高、西北低,由東南向西北傾斜,多侵蝕-構(gòu)造中山、低中山。平川區(qū)的東北和東南分別有六盤山和秦嶺作為屏障阻隔暖濕氣流,故區(qū)內(nèi)氣候干燥,年平均降雨量不足200mm。北近騰格里沙漠,西伯利亞寒流易入侵,因此冬季寒冷,年平均氣溫約8.0℃(尹展,2012)。

大地構(gòu)造上,平川區(qū)地處北祁連構(gòu)造帶東段,秦祁褶皺強(qiáng)烈,經(jīng)歷了加里東期、燕山期和喜山期多次大型構(gòu)造運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為強(qiáng)烈的沉降和局部的隆升。區(qū)內(nèi)NNW向的斷裂構(gòu)造發(fā)育,NNE向構(gòu)造次之,主要有車輪口逆斷裂、響泉口逆斷裂、大水頭逆斷裂等(劉歡,2011)。前寒武系至第四系地層在區(qū)內(nèi)均有出露,其中:第四系覆蓋面積最大,巖性主要為砂土和亞黏土; 白堊系地層巖性為紫紅色砂巖; 侏羅紀(jì)陸相含煤沉積形成該區(qū)域的含煤地層,可分為延安組和富縣組上、下兩部分,成礦條件好,煤炭資源總量位居甘肅省第二; 區(qū)內(nèi)還出露小面積巖漿巖,主要是志留紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖和斜長(zhǎng)花崗巖(李瑩瑩等,2014)。

1.2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

本文研究區(qū)主要為白銀市平川區(qū)中北部的紅會(huì)礦區(qū)及其周邊地區(qū)(圖1)。礦區(qū)中心經(jīng)緯度為36°40′32″ N,105°04′47″ E,高程為1902m。煤層賦存以厚煤層為主,埋藏深度200～500m。研究區(qū)內(nèi)有紅會(huì)一礦、紅會(huì)二礦、紅會(huì)三礦、紅會(huì)四礦、會(huì)通煤礦、長(zhǎng)征煤礦、神峰煤礦等多家煤礦企業(yè),均為地下開采。其中:紅會(huì)煤礦隸屬于靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,含煤面積約18km2,是甘肅省重要的煤炭基地之一。礦區(qū)內(nèi)主要涉及的行政村有西合村、牛拜村、玉灣村等,南側(cè)有多條省道和縣道穿過(guò),兼有紅會(huì)鐵路直達(dá)礦山,交通便利。

圖1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處西格拉灘盆地的西部,地形相對(duì)平坦,附近的地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造如圖2示。該區(qū)域?qū)儆趯毞e山向斜的北翼部分,北西向分布的壓性逆斷層發(fā)育(劉歡等,2010)。整個(gè)研究區(qū)內(nèi)出露的巖性主要有第四系全新統(tǒng)洪積層(Qhpl)的砂、礫及砂土; 中侏羅統(tǒng)龍鳳山組(J2l)的含礫砂巖、細(xì)礫巖; 上三疊統(tǒng)西大溝組(T3x)的砂巖夾粉砂巖、頁(yè)巖; 志留紀(jì)花崗閃長(zhǎng)巖(Sγδ)等。由于坐落在祁連山斷裂帶和西海固斷裂帶的交會(huì)處,研究區(qū)地震活動(dòng)頻繁,根據(jù)中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等,2015),區(qū)內(nèi)地震烈度為Ⅷ 度,地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45s,地震動(dòng)峰值加速度為0.3g。

圖2 紅會(huì)礦區(qū)周邊地質(zhì)圖

礦區(qū)地表僅有數(shù)條因溝谷匯聚而形成的沙河,在暴雨時(shí)可形成洪流并最終匯入黃河。礦區(qū)地下水主要為賦存于白堊系、侏羅系砂礫巖中的碎屑巖類孔隙裂隙水和賦存于山前沖洪積物中的松散巖類孔隙水。研究區(qū)內(nèi)主要人類活動(dòng)是礦產(chǎn)資源開采,農(nóng)耕等。受地形條件限制,區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害不發(fā)育。但由于大規(guī)模高強(qiáng)度的采煤活動(dòng),地面塌陷和地裂縫極其發(fā)育。

2 災(zāi)害發(fā)育特征分析

紅會(huì)礦區(qū)歷史開采形勢(shì)復(fù)雜,尤其是20世紀(jì)中后期有近百家地方及私營(yíng)企業(yè)同時(shí)進(jìn)行近地表煤炭開采,不僅破壞了煤炭賦存的整體性,造成大量資源的浪費(fèi),而且使用落后無(wú)序的開采方式采煤后在井下形成了大范圍不規(guī)則采空區(qū),誘發(fā)了地面沉降、塌陷坑和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。盡管進(jìn)入21世紀(jì)后,開采技術(shù)大幅提升,規(guī)模化、機(jī)械化開采迅速推廣,但能源需求的增加迫使煤礦開采強(qiáng)度不斷加大,使得礦山地面地質(zhì)災(zāi)害加劇。

結(jié)合遙感影像,解譯和統(tǒng)計(jì)了截至2019年紅會(huì)礦區(qū)地面塌陷坑和地裂縫的空間分布,尺寸和數(shù)量,如圖3和圖4所示。在紅會(huì)礦區(qū)地表共發(fā)現(xiàn)地裂縫735條,塌陷坑559個(gè),地裂縫平均長(zhǎng)度約200m,塌陷坑平均面積約360m2。其中:地裂縫長(zhǎng)度主要分布在100～300m范圍內(nèi),塌陷坑面積主要分布在<400m2的范圍內(nèi)。從圖3a中還可以看出,地裂縫和塌陷坑密集分布在各個(gè)煤礦周圍,呈現(xiàn)出明顯的方向性,大致沿北東向分布,與該區(qū)域煤層的分布基本一致。

圖3 紅會(huì)礦區(qū)塌陷坑和地裂縫空間分布

圖4 紅會(huì)礦區(qū)塌陷坑和地裂縫數(shù)量及尺寸分布特征

此外,由于紅會(huì)一礦長(zhǎng)年運(yùn)用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法進(jìn)行地下采煤活動(dòng),較薄的碳酸巖頂板大面積垮落,致使平川區(qū)黃嶠鄉(xiāng)牛拜村附近成為受地面塌陷影響最為嚴(yán)重的區(qū)域。調(diào)查發(fā)現(xiàn),牛拜村地面沉陷區(qū)長(zhǎng)約2.6km,寬約1.5km,影響面積約3.9km2,且隨著該區(qū)域地下開采的推進(jìn),礦山地面災(zāi)害數(shù)量呈逐年遞增的趨勢(shì)。沉陷區(qū)內(nèi)的部分塌陷坑深4m,半徑約15m,面積可達(dá)700m2; 地裂縫縱橫交錯(cuò),并穿過(guò)塌陷坑(圖5)。整個(gè)牛拜村周圍地面沉降大、塌陷群分布廣,造成周圍村鎮(zhèn)的房屋、耕地、道路破壞嚴(yán)重,牛拜村村民的生命和財(cái)產(chǎn)安全無(wú)法得到保障(圖6)。

圖5 牛拜村地面沉陷區(qū)內(nèi)的塌陷坑與地裂縫照片

圖6 牛拜村地面塌陷產(chǎn)生的主要危害

針對(duì)紅會(huì)礦區(qū)一系列的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題,白銀市常年開展環(huán)境恢復(fù)治理工程,其中:2012年和2013年開展的兩期重點(diǎn)治理工程(圖3b),主要包括紅會(huì)一礦周圍區(qū)域煤矸石堆、廢煤堆平整,挖土填方,土地復(fù)墾,種植果樹等,并且對(duì)周圍房屋損害嚴(yán)重的部分居民進(jìn)行搬遷。通過(guò)對(duì)比治理工程前后的遙感影像并統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)紅會(huì)礦區(qū)內(nèi)的地裂縫減少183個(gè),塌陷坑減少108個(gè),工程效果顯著(圖3b、圖3c和圖4)。然而,治理工程的范圍很小,約為整個(gè)沉陷區(qū)的十分之一。盡管平川區(qū)人民政府在2019年的《白銀市平川區(qū)采煤沉陷區(qū)綜合治理行動(dòng)實(shí)施方案》中指出,計(jì)劃在未來(lái)5年實(shí)施兄弟村、中和村、西合村群眾1017戶4058人和牛拜村群眾95戶528人的搬遷安置任務(wù),并繼續(xù)推進(jìn)采煤沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)和重大地質(zhì)災(zāi)害隱患治理(平川區(qū)人民政府,2019); 但隨著采礦活動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行,礦山地面地質(zhì)災(zāi)害仍有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì),因此,十分有必要對(duì)該區(qū)域的地表形變進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),以支撐災(zāi)害的預(yù)警和治理。

3 小基線集(SBAS)技術(shù)

3.1 基本原理

在SBAS技術(shù)中通過(guò)使用每次D-InSAR計(jì)算的形變結(jié)果即可獲取高精度的形變時(shí)間序列(Berardino et al.,2002; 李凌婧等,2014)。首先,選取N+1景覆蓋同一區(qū)域、時(shí)間分布為t0,t1,…,tN的SAR數(shù)據(jù)影像圖,進(jìn)行基線估算后,選取其中1景作為超級(jí)主影像,其余N景為輔影像,將時(shí)空基線均小于某一閾值的影像進(jìn)行配對(duì),共形成M對(duì)干涉像對(duì),其中M滿足:

(1)

將M對(duì)干涉像對(duì)采用雙通道D-InSAR進(jìn)行差分干涉處理,去除平地相位和地形相位后,假設(shè)在tA和tB時(shí)刻獲取的兩景SAR影像生成第i幅解纏的多視差分干涉圖,那么SAR坐標(biāo)系下任意坐標(biāo)(x,r)處相干點(diǎn)的相位值可以表示為(Guo et al.,2017):

Δφi(x,r)=φ(tB,x,r)-φ(tA,x,r)

≈Δφi,def(x,r)+Δφi,topo(x,r)+

Δφi,atm(x,r)+Δφi,θ(x,r)+

Δφi,nosie(x,r)

datm(tA,x,r)]+Δn

(2)

式中:λ為雷達(dá)波長(zhǎng); Δφi,def(x,r)是累積形變引起的相位; d(tA,x,r)和d(tB,x,r)分別是tA和tB時(shí)刻相對(duì)于參考時(shí)間t0時(shí)刻在雷達(dá)視線方向(LOS)上的累積形變相位量; Δφi,topo(x,r)是由地形誤差所導(dǎo)致的相位,與垂直基線B⊥和高程誤差Δz成正比,與入射角θ的正弦成反比; Δφi,atm(x,r)是兩幅影像中大氣延遲引起的相位datm(tA,x,r)和datm(tB,x,r)所造成的相位誤差;Δφi,noise(x,r)為噪聲殘余相位; Δn表示失相關(guān)引起的噪聲相位。其中:大氣相位誤差和噪聲誤差可以通過(guò)時(shí)域高通濾波和空域低通濾波與干涉相位分離。

在去除上述各種相位誤差分量后,由式(2)可以得到M個(gè)方程,方程中含有N個(gè)未知量,用矩陣表示為:

Aφ=Δφ

(3)

式中:A對(duì)應(yīng)一個(gè)M×N的系數(shù)矩陣,每一行和每一列分別對(duì)應(yīng)一個(gè)干涉圖和一景SAR影像,因此M和N分別為干涉圖和SAR影像的數(shù)量。

直接求解相位將違反形變的物理規(guī)律,故將兩景SAR影像獲取時(shí)間之間的平均相位速度作為未知量來(lái)進(jìn)行求解(李珊珊等,2013),

(4)

式中:φ(t0,x,r)=0。

結(jié)合式(3),(4),可以得到一個(gè)新的矩陣方程:

Bv=Δφ

(5)

式中:B為M×N的系數(shù)矩陣。采用奇異值分解法(SVD)和最小二乘法進(jìn)行求解方程(4),即可得到形變速率,進(jìn)一步在時(shí)間域上積分得到整個(gè)時(shí)間序列的形變相位值。

3.2 數(shù)據(jù)介紹

本文地表形變監(jiān)測(cè)選用由歐洲空間局(ESA)發(fā)射的Sentinel-1A衛(wèi)星獲取的覆蓋研究區(qū)域的32景單視復(fù)數(shù)影像(SLC)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)范圍如圖1。表1顯示的是所用SAR影像的基本參數(shù)情況,其中時(shí)間跨度為2017年3月27日到2019年10月19日,影像數(shù)據(jù)的極化方式為VV,軌道方向?yàn)樯?分辨率為5m×20m。為了提高影像的軌道數(shù)據(jù)精度,本研究還采用了歐洲空間局發(fā)布的AUX＿POEORB精密軌道參數(shù)文件進(jìn)行軌道校準(zhǔn)。此外,所用數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)為美國(guó)宇航局(NASA)公開的SRTM數(shù)據(jù)(圖7),分辨率為30m×30m,用于消除地形相位的影響。

表1 Sentinel-1A 影像技術(shù)參數(shù)

3.3 數(shù)據(jù)處理流程

利用SBAS-InSAR技術(shù)進(jìn)行紅會(huì)礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。32景數(shù)據(jù)裁剪后依次以每一景數(shù)據(jù)作為超級(jí)主影像,進(jìn)行基線估算,其中最大的絕對(duì)空間基線為254.409m,最小的絕對(duì)空間基線為1.665m,最大的絕對(duì)時(shí)間間隔為936d,最小的絕對(duì)時(shí)間間隔為24d。設(shè)置最大空間基線為臨界基線的45%,最大時(shí)間基線為550d,計(jì)算各組像對(duì)的空間基線和時(shí)間基線如圖9。

圖8 SBAS-InSAR數(shù)據(jù)處理流程

圖9 時(shí)空基線分布圖

根據(jù)時(shí)空基線圖設(shè)置2018-05-21的影像為超級(jí)主影像,其他影像與其配準(zhǔn),經(jīng)差分干涉生成、軌道精煉和重去平、形變速率和殘余地形估算、地形殘余相位和大氣相位去除、形變序列估算、地理編碼等多項(xiàng)處理步驟后獲得最終的形變結(jié)果。

4 紅會(huì)礦區(qū)地表形變分析

紅會(huì)礦區(qū)各時(shí)間段地表變形的累積量及變形速率如圖10a。從圖中可以看出,計(jì)算區(qū)域內(nèi)累積沉降量較大的位置集中在劃定的研究區(qū)內(nèi),2017年3月27日～2019年10月19日近兩年半的時(shí)間里,研究區(qū)內(nèi)累積最大沉降量可達(dá)177mm,最大平均年沉降速度達(dá)70mm·a-1。快速沉降區(qū)主要集中在紅會(huì)一礦、紅會(huì)二礦和紅會(huì)四礦周圍,沉降量從沉降中心向周圍遞減,共和鎮(zhèn)、牛拜村、西合村和玉灣村均受地面沉降災(zāi)害影響。將計(jì)算范圍的結(jié)果圖進(jìn)行裁剪得到研究區(qū)內(nèi)的結(jié)果圖(圖10b),并與遙感解譯的地裂縫和塌陷坑分布圖相疊加,可見,紅會(huì)礦區(qū)現(xiàn)有的地裂縫幾乎全部分布在快速沉降區(qū),隨著煤礦采空區(qū)的進(jìn)一步增大,極有可能繼續(xù)擴(kuò)展。多數(shù)塌陷坑則分布在緩慢沉降區(qū),變形相對(duì)穩(wěn)定,進(jìn)一步災(zāi)變的可能性很小。盡管環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)沒有新的地裂縫和塌陷坑產(chǎn)生,但依舊在遭受采礦活動(dòng)的劇烈擾動(dòng),沉降較為明顯。

圖10 SBAS-InSAR時(shí)序分析獲取的2017/03/27～2019/10/19期間的累積沉降量和沉降速度(雷達(dá)視線方向)

以2個(gè)月為時(shí)差展示地面沉降過(guò)程,圖11所示的研究區(qū)形變時(shí)間序列。以2017年3月27日為起點(diǎn),假設(shè)此時(shí)地面沉降為0,則從圖中可以看出,隨著礦山開采活動(dòng)的進(jìn)行,地面沉降逐漸嚴(yán)重,最先呈現(xiàn)紅色的即為沉降中心,并隨著時(shí)間開始向周圍發(fā)展。沉降最為嚴(yán)重的為紅會(huì)一礦和紅會(huì)二礦周圍,這也符合礦山生產(chǎn)的實(shí)際情況。

圖11 研究區(qū)形變時(shí)間序列圖

為了進(jìn)一步研究地面沉降速度及其對(duì)周圍村鎮(zhèn)、公路的影響,如圖3a所示,選取典型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P1～P22),給出其整個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的沉降曲線和距離研究區(qū)約30km的靖遠(yuǎn)縣雨量站日降雨量數(shù)據(jù)(圖12)。其中:P1和P2位于2012～2013年的環(huán)境恢復(fù)治理區(qū),解譯結(jié)果表明,該區(qū)域仍以每年40～50mm的速度沉降,治理效果難以維持。P3和P9代表紅會(huì)一礦和二礦礦區(qū)內(nèi)沉降比較嚴(yán)重的位置點(diǎn),在兩年半的時(shí)間內(nèi),幾乎以線性速度沉降,最終累積沉降量分別達(dá)130mm和120mm。P4～P7所在區(qū)域?yàn)闅v史塌陷嚴(yán)重區(qū),該區(qū)域還在不斷沉降,累積沉降量達(dá)80mm,但是其不是目前沉降的中心區(qū)域,沉降速度呈降低趨勢(shì)。P8位于快速沉降區(qū)的邊緣地帶,沉降速度大幅降低,年均沉降速度小于10mm。結(jié)合P10～P12空間位置和時(shí)序變形數(shù)據(jù),表明了距離開采中心越遠(yuǎn),地面形變強(qiáng)度逐漸減小。P1～P12所在區(qū)域原本為農(nóng)田,由于地裂縫和塌陷坑導(dǎo)致無(wú)法灌溉,已基本荒廢。

圖12 紅會(huì)礦區(qū)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序變形(雷達(dá)視線方向)

P13為紅會(huì)三礦周圍的位置點(diǎn),沉降量很小,不到10mm。P14點(diǎn)位于紅會(huì)四礦礦區(qū),累積沉降量達(dá)70mm,但在2018年7月之前沉降速度較大,之后沉降緩慢,這主要因?yàn)樗牡V資源枯竭,生產(chǎn)減慢,即將面臨關(guān)停。P15神峰煤礦沉降量約20mm,P16西合村距離紅會(huì)四礦較近,近兩年沉降量很小,不到10mm。P17、P18和P19分別為牛拜村、玉灣村和共和鎮(zhèn)位置點(diǎn),累積沉降量分別為30mm、15mm和25mm。P20、P21和P22為省道308上面的3個(gè)位置點(diǎn),沉降量相差不大,為20～25mm,調(diào)查時(shí)路面未見明顯裂縫,但已立警示牌告知注意路面塌陷。

觀察P17～P22監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)序變形曲線,可見6條曲線的形態(tài)大致相同,幾乎都在每年7月累積沉降量達(dá)到峰值,之后沉降變形減弱,地面甚至開始抬升。考慮到降雨主要集中在每年的6、7、8月份,這說(shuō)明這些人口聚集區(qū)的地面沉降變形,一定程度上還與地下水過(guò)量開采有關(guān),雨季時(shí)雨水補(bǔ)給地下水,使得原本沉降的地面又有所回升。但從整體沉降趨勢(shì)來(lái)看,這些區(qū)域仍處于緩慢下沉階段。值得注意的是,本文所使用的SAR影像數(shù)據(jù)僅包含了近兩年半的地表變形信息,結(jié)合遙感歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),牛拜村、西合村、兄弟村等村莊及農(nóng)田區(qū)域地面沉降嚴(yán)重,伴有大量的塌陷坑和地裂縫,這是煤礦數(shù)十年高強(qiáng)度地下開采導(dǎo)致的結(jié)果。因此,十分有必要盡快推進(jìn)沉陷區(qū)群眾搬遷安置以及生態(tài)修復(fù)、環(huán)境整治和重大地質(zhì)災(zāi)害隱患治理等工作。

圖A1 SBAS-InSAR時(shí)序分析獲取的2017/03/15～2019/11/12期間的累積沉降量和沉降速度(雷達(dá)視線方向)

5 結(jié) 論

(1)依托遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,獲取了甘肅省紅會(huì)礦區(qū)地面塌陷坑和地裂縫的空間分布,尺寸和數(shù)量,結(jié)果表明,紅會(huì)礦區(qū)數(shù)十年高強(qiáng)度的地下開采導(dǎo)致至少700條地裂縫和500個(gè)塌陷坑沿北東向密集分布于礦區(qū)地表,造成牛拜村、西合村、兄弟村等村莊的房屋嚴(yán)重受損,農(nóng)田無(wú)法灌溉。

(2)基于2017年3月至2019年10月期間的32景Sentinel-1A數(shù)據(jù),利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了紅會(huì)礦區(qū)的地面平均形變速率與累積沉降量,并針對(duì)典型位置點(diǎn)進(jìn)行了時(shí)序變形分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),快速沉降區(qū)集中在紅會(huì)一、二、四礦周圍,與地裂縫空間分布位置相吻合,累積最大沉降量達(dá)170mm; 環(huán)境恢復(fù)治理區(qū)仍受采煤活動(dòng)的劇烈擾動(dòng),以年均40～50mm的速度沉降。

(3)牛拜村、西合村、兄弟村等人類聚集區(qū)的地表變形整體呈緩慢下沉趨勢(shì),累積沉降量約15～30mm; 這些區(qū)域的地面沉降除受地下采煤影響之外,還可能與地下水過(guò)量開采有關(guān),雨季時(shí)原本沉降的地面有明顯回升。

(4)整個(gè)紅會(huì)礦區(qū)地面變形災(zāi)害嚴(yán)重且處于發(fā)展態(tài)勢(shì),應(yīng)規(guī)范礦業(yè)行為,采用合理的采礦技術(shù)方法,進(jìn)一步控制災(zāi)害的惡性發(fā)生,同時(shí)盡快推進(jìn)沉陷區(qū)群眾搬遷安置、生態(tài)修復(fù)和地質(zhì)災(zāi)害隱患治理等工作。

附 錄A

在未能獲取同時(shí)間階段內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表形變數(shù)據(jù)的條件下,使用SBAS-InSAR技術(shù)和位于不同軌道時(shí)的數(shù)據(jù)再次提取了研究區(qū)域內(nèi)的地表變形信息,以對(duì)前文所述的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證。其中:所采用的數(shù)據(jù)為2017年3月15日到2019年11月12日期間33景降軌的Sentinel-1A數(shù)據(jù),影像數(shù)據(jù)的極化方式為VV,其他參數(shù)與3.2節(jié)中所述的一致。最終,獲得的紅會(huì)礦區(qū)各時(shí)間段地表變形的累積量及變形速率如圖A1所示。

對(duì)比圖A1和圖10a,在兩種不同類型觀測(cè)數(shù)據(jù)模式下,兩者的累積最大沉降量和年均沉降速度有小幅差距,這可能是因?yàn)樽罱K獲取結(jié)果為雷達(dá)視線方向形變而不是真實(shí)三維形變,故而在一定程度上受雷達(dá)觀測(cè)方向的影響。但整體上,研究區(qū)域內(nèi)兩者的地表形變基本吻合,快速沉降區(qū)的空間分布保持一致,集中在紅會(huì)一、二、四礦周圍,證明了監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性較高。