矿山开采区沉降现状监测与发展趋势分析

闫利祥

(秦皇岛华勘地质工程有限公司，河北 秦皇岛 066000)

煤炭作为一种能源矿产，是工农业生产和社会经济发展必不可少的物质基础，是社会财富的重要源泉[1-5]。郓城地区属于巨野煤田覆盖范围内，境内煤炭资源丰富，随着煤炭资源的大量开采，既为经济发展提供了重要能源支撑，也必将造成严重的土地塌陷和地质生态环境破坏，致使矿区耕地数量急剧减少，人地矛盾日益突出，给当地群众生产生活以及经济社会发展带来极为不利的影响。采煤塌陷地监测事关矿区群众的安居乐业、社会稳定和经济社会可持续发展，加强采煤塌陷地的监测工作，将为采煤塌陷地复垦研究，探索采煤塌陷地治理之策提供重要的依据[6-10]。

现有文献中对矿山开采区沉降研究多基于常规水准测量，虽然精度很高，但由于人力测量时间有限，无法获得较高的分辨率；InSAR卫星测量能获得较高的分辨率，但其沉降测量精度远不及水准测量[11-15]。若能将两者结合，分别在同时段、同基准下进行测量，然后综合两种测量方法的信息综合评价，可以得到更为准确的地表沉降成果。本文以山东某矿区为例，分别使用水准测量和InSAR测量获取地表沉降数据，对矿山开采区概况进行评价分析。

1 矿山开采区概况

监测区域为郓城县境内四个煤矿矿区，监测面积约920 km2。郓城矿区是华东地区最后一块整装煤田——巨野煤田的主要组成部分，巨野煤田七对矿井之一。煤田总面积624.6 km2，探明地质储量30.81亿t，县辖区现有四个煤矿，从南到北分别为赵楼煤矿、郭屯煤矿、彭庄煤矿、郓城煤矿。总设计生产能力为年产890万t，主要煤种和煤质为肥煤、三分之一焦煤和气煤。

2 高程监测

在矿山开采区区域内，沿主要交通道路、重要城镇道路、矿区道路、开采影响区域的村镇道路，布测三等水准网；观测日期从2017年4月18日～2017年6月23日，利用GPS静态测量成果平差后的GTMK点高程作为已知点，按三等水准规范要求进行外业观测，采用后前前后方式，附合路线与单程往返路线形式构网。高程监测的监测信息如表1所示。

由表1可知，三期观测的水准路线长、观测高差段数、联测未知点、结点间最大长等信息基本一致，但第三期观测的单位权高程中误差与最弱点高程中误差明显高于前两期，出现这一情况主要有两种可能：一是第三期观测时，由于仪器问题出现系统误差，或测量人员某测段测量时出现粗差；二是第三期观测时，基准点出现较大沉降，导致中误差增大。为深入分析该情况出现的原因，将GPS测量的B级点沉降情况单独列表，如表2所示。

表1 高程监测信息表

表2 B级点沉降情况/m

如表2所示，第三期本期沉降量明显高于第二期本期沉降量，尤其在YCB点和YCMK点，本期沉降量分别达到-0.078 m和-0.091 m，接近分米级，说明2017.1～2017.8时间段该区域出现了较大规模的沉降，进而导致了表1中第三期观测中误差的提高。为直观表示该时间段内矿山开采区沉降情况，将三期水准测量数据绘图，绘制每期测量高程与原始数据(原始数据时间为2016.1)的差值，如图1所示(个别点位由于控制点破坏等原因缺失某期高程数据，绘图时仅绘制数据整全的点号高程)。

由图1可知，第一期观测数据与第二期观测数据数值比较稳定，与原始数据差值不大，稳定在-0.1 m～0 m之间，说明该矿山开采区在前两期时间段中无较大沉降发生；第三期观测数据部分点出现很大的沉降波动，说明该时段内沉降非常剧烈。第一期观测沉降平均值为-0.033 m，第二期观测沉降平均值为-0.038 m，第三期观测沉降平均值为-0.087 m，第三期沉降相较前两期提升一倍以上，说明该矿山开采区有进一步沉降的趋势。

图1 三期水准测量数据

3 基于D-InSAR的卫星监测

3.1 D-InSAR的卫星监测成果分析

采用PSInSAR算法，对Sentinel-1A卫星所获取的38景IW模式SAR影像数据集进行处理。郓城县矿区Sentinel-1数据集的覆盖情况如图2所示。Sentinel-1A卫星数据监测2015年7月～2017年6月两年间平均地面沉降速率如图3所示。

图2 郓城县矿区Sentinel-1影像覆盖范围

图3 郓城沉降分布图

郓城InSAR地面沉降图如图4所示，图中监测区内，A区域为明显的沉降漏斗群，即郓城矿和郭屯矿所在区域，彭庄矿和赵楼矿(B和C)所在区域虽然有所沉降，但未形成严重的沉降漏斗群；由于郓城矿、彭庄矿、郭屯矿和赵楼矿四处出现了较为明显的地面形变，因此选取该四处进行分析。

图4 郓城InSAR地面沉降图

郓城城区沉降明显区域董店村及王沙湾村形变信息图如图5所示。由图5可知，郓城矿区最大沉降速率接近-90 mm/a，存在不同程度的形变，其中城区中心的董店村和东部开发区王沙湾村的形变最为明显，其中最大沉降速率为-90 mm/a；郓城煤矿所在的王楼村也存在较为明显的沉降，最大沉降速率约为-50 mm/a，王楼村沉降速率图如图6所示。

图5 郓城城区沉降明显区域董店村及王沙湾村形变信息图

图6 王楼村沉降速率图

彭庄矿区沉降速率图如图7所示，彭庄矿区最大沉降速率约为-80 mm/a；彭庄煤矿所在的张营镇整体比较稳定，局部区域存在形变趋势，沉降速率在-15 mm/a～50 mm/a之间。

图7 彭庄矿区沉降速率图

郭屯矿区沉降速率图如图8所示，郭屯矿区最大沉降速率约为-90 mm/a；郭屯煤矿影响范围较大，距离郭屯矿工业场地最近的村庄单垓新村沉降明显，沉降速率达-80 mm/a。

图8 郭屯矿区沉降速率图

南赵楼镇沉降速率图如图9所示，赵楼矿区最大沉降速率接近-50 mm/a；赵楼煤矿所在的南赵楼镇有轻微形变，沉降速率在-50 mm/a，整体比较稳定。

图9 南赵楼镇沉降速率图

以上监测结果表明，2015～2017年郓城各矿区存在不同程度的形变，其中分布着四处较为明显的矿区形变，分别为郓城矿、郭屯矿、彭庄矿和赵楼矿，矿区形变范围与矿区实际的空间分布一致，其中郓城矿区形变影响范围最广，沉降中心区沉降速率达到-90 mm/a，其他三个矿区也存在不同程度的形变趋势。通过对各矿区详细分析，郓城矿区主要形变区域在郓城县城区及周边。

3.2 水准验证及沉降分析

为验证观测结果的可靠性，收集了矿区35个水准点与PS-InSAR结果进行对比验证。由于水准观测数据和PS-InSAR测量数据分属两种不同测量系统，无法进行直接对比，因此首先将两种数据进行时间、空间基准的统一，利用空间插值提取水准点对应PS-InSAR结果，然后利用线性回归将水准和PS-InSAR结果实现两种测量系统的参考基准统一，最后对PS-InSAR测量结果进行精度验证。

水准观测数据采用三等水准测量作业方式获取，作业时间为2015年7月和2017年5月，SAR影像获取时间为2015年7月30日～2017年6月13日，两种测量系统时间基本重合，时间基准统一。对于空间基准，需将InSAR和水准测量结果统一投影到精确的WGS-84坐标系，实现空间基准统一。

时间和空间基准统一后，采用空间插值提取水准点对应PS-InSAR监测结果，即将InSAR结果进行内插获取水准点相对应的值，作为InSAR地面沉降观测值。对于获取的水准值和PS-InSAR结果进行回归分析，方程如式(1)所示：

y=ax+b

(1)

式中，y为水准结果；x为InSAR观测结果；a为回归系数；b为常数。通过回归分析得到回归方程为y=1.189 5x-69.8，其中常数-69.8为两个测量系统之间的整体偏差，以水准观测值为基准调整对应的PS-InSAR监测值，对PS-InSAR值进行补偿，补偿结果如图10所示。

图10 InSAR回归分析结果

由图10可知，统一参考基准后，PS-InSAR监测结果和水准观测数据对比，两者相关性系数为0.959，吻合较好，两者中误差为18.8 mm，其中29个点符合较好，误差都在20 mm以内，表明针对该矿区的监测结果具有较高的精度。

绘制统一参考基准水准、InSAR测量结果及差值折线图如图11所示，可知水准测量成果与InSAR测量成果基本一致，折线走势差别不大，差值维持在较低水平，说明两次测量成果是准确、相符的。

图11 统一参考基准水准、InSAR测量结果及差值折线图

4 结 论

(1)水准测量成果中发现第三期测量沉降量大大增加，由于通过水准与InSAR成果验证，发现两者数据基本一致，可知非测量原因导致沉降增加，结合第三期水准观测中误差增高，可知该矿山开采区后续沉降会逐渐加剧。

(2)水准成果中，三等水准第一期观测沉降平均值为-0.033 m，第二期观测沉降平均值为-0.038 m，第三期观测沉降平均值为-0.087 m，可知该区域沉降速度逐渐增快，若不及时采取措施，沉降平均值将在第四期突破分米级；InSAR监测结果中，董店村、王沙湾村、王楼村、单垓新村和南赵楼镇附近沉降比较明显，这些地点在彭庄矿、郭屯矿、赵楼矿、郓城矿及县城区域附近，与水准测量成果符合，属于开采活动活跃区和大的影响区。

(3)地面三等水准测量及InSAR监测结果均显示：矿区及邻区、甚至县城区域地面均存在较快的地面下沉；通过一致性验证，发现InSAR监测结果和水准观测数据相关性系数为0.959，吻合较好；由InSAR监测结果可知，沉降中心区沉降速率达到-90 mm/a，因此矿区开采后将引起整个矿区地面的快速沉降，开采面上部沉降量常可达几米，形成塌陷盆地，随着开采的继续将形成湖泊，并迅速改变地面水土和生态环境。

(4)依据四个矿的开采活动情况，未来几年或几十年内，矿区地面的沉陷将继续快速发育，并影响到郓城县城地面形态的改变，长期影响城市居民生产、生活。