研究区大地构造位置处于中朝准地台— 淮河台坳— 淮北台陷褶带— 徐州(宿县)弧形断褶带中的四户凹陷。区域地层岩性主要为太古宇泰山群片麻岩, 新元古界青白口系土门群— 震旦系石英砂岩、石英岩及页岩, 新元古界震旦系赵圩组— 张渠组碳酸盐岩, 古生界寒武系— 奥陶系碳酸盐岩与碎屑岩, 中生界白垩系青山组— 王氏组碎屑岩及火山碎屑岩和新生界古近系官庄组— 大汶口组含盐碎屑岩。另外, 第四系分布广泛, 厚度为40~45 m。

全新统(0~4 m)岩性以灰黄、褐黄色亚黏土和粉质黏土为主, 底部为灰黑色黏土; 中、上更新统(4~27 m)岩性主要为棕黄、褐黄色含钙质结核黏土, 局部含较多的铁锰结核, 中下部夹中— 细砂层; 下更新统(27~40 m)岩性为棕褐色黏土、粗砂和砾石层。

石膏矿赋存于古近系大汶口组下段地层中, 根据石膏矿层分布特征, 可分为3个含膏岩带(层), 编号分别为Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ , 其中Ⅲ 膏带是整个研究区的开采矿层。研究区内顶板埋深46~152 m, 膏层厚12.15~14.05 m。矿层顶板岩性主要为泥岩、砂质泥岩和含膏泥岩, 局部地段有粉砂岩、细砂岩及含砾砂岩; 矿层底板岩性主要为泥岩。邳州石膏矿区岩土层力学性质指标见表1。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 邳州石膏矿区岩土层力学性质指标 Tab.1 Physical properties index of rock and soil in Pizhou gypsum mining area 时代 岩性 密度/(g· cm-3) 孔隙比 内摩擦角/(° ) 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa Q 粉质黏土 2.09~2.12 0.46~0.55 28 含钙质结核黏土 2.01~2.02 0.67~0.68 17~29 中砂 1.94 0.58 40 粗砂 2.13 0.37 44 E 泥岩、含膏泥岩 2.38~2.42 34~36 4.40~13.00 0.44~0.64 含砾砂岩 2.46~2.70 37~44 3.26~10.60 0.30~0.87 膏岩 2.26~2.48 38~39 19.76~36.87 0.44~1.76

表1 邳州石膏矿区岩土层力学性质指标 Tab.1 Physical properties index of rock and soil in Pizhou gypsum mining area

邳州平台矿和希州矿地质环境条件见图1。矿区及周边地下水主要为松散岩类孔隙水, 赋存于全新统、上更新统和中更新统砂层和砾石层中, 局部具承压性质。第四系孔隙含水层上部为全新统棕黄色粉质黏土, 中夹砂层, 富水性相对较弱, 单井涌水量< 40 m³/d; 中部为中更新统粉质黏土, 中夹砂层或含砾砂层, 富水性中等; 底部局部地段为厚1~5 m的中更新统粗砂和砾石层, 富水性较好。部分矿段钻孔抽水试验结果为: 降深2.86~6.84 m, 涌水量556.8~749.95 m³/d, 单位涌水量1.17~2.597 L/(s· m), 渗透系数2.73~13.0 m/d。

图1

Fig.1

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	图1 邳州平台矿和希州矿地质环境条件图Fig.1 Geological conditions of Pingtai and Xizhou mine in Pizhou

据前期资料得知, 邳州石膏矿区共发生过地面塌陷23次, 其中平台矿和希州矿共发生过地面塌陷7次, 占整个矿区的30%, 发育面状地面塌陷和点状地面塌陷(图2, 表2)。其中TX2、TX3、TX4塌陷发生时, 处于矿房开采时期, 塌陷前先出现顶板冒落, 随后有泥水渗入矿房, 封堵无效后进行封堵矿房处理, 塌陷坑平面近圆形, 塌陷稳定后至今未继续塌陷。其余塌陷皆发生于停采后, 其中TX1、TX7塌陷发生后, 周边先后发生多次塌陷且范围逐渐扩大, 目前已连为一体。

图2

Fig.2

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	图2 研究区地面塌陷现状Fig.2 Ground collapse situation in the study area

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 研究区采空塌陷基本特征 Tab.2 Characteristics of gob collapse in the study area 编号 名称 基本特征 塌陷时间 TX1 平台矿主井塌陷 初期表现为大面积地面沉降变形, 出现地裂缝, 地表无积水, 随时间推移在盆地内出现点状地面塌陷, 后出现积水, 总面积约300亩。目前塌陷区呈盆地状, 低洼处有5个积水区 2012-04-15 TX2 运女河东岸塌陷 近圆形, 初始直径5 m, 深4 m, 面积75 m2; 最终直径15 m, 面积160 m2 2006-01-31 TX3 希州矿二号副井地面塌陷 近圆形, 初始直径6.4 m, 深5 m, 面积130 m2; 最终直径34 m, 面积572 m2 2007 TX4 希州矿副井地面塌陷 近圆形, 初始直径3~5 m, 深5~6 m, 面积约50 m2; 最终直径68 m, 面积2 842 m2。周边见地裂缝 2011-08-25 TX5 希州石膏矿塌陷 近圆形, 直径约39 m, 深约5 m, 面积1 108 m2。未见地裂缝, 有积水 2015-03-16 TX6 希州石膏矿2#副井东南塌陷 长轴近东西走向, 长约15 m, 短轴长约12 m。地面下约6 m有积水, 积水浑浊, 推测塌陷坑深约8~10 m, 不能清晰看见坑底, 坑壁近直立 2017-05-17 TX7 希州石膏矿主井北塌陷 近似椭圆的塌陷盆地, 面积约15 300 m2, 塌陷盆地东西向长轴长约150 m, 短轴长约120 m, 最大深度6 m左右, 局部积水, 塌陷盆地四周地面出现多条环状裂缝, 裂缝宽度约0.5~20 cm, 塌陷盆地内为农田 2016-11-27 2017-07-03

表2 研究区采空塌陷基本特征 Tab.2 Characteristics of gob collapse in the study area

石膏矿被开采以后, 采空区域周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏, 应力重新分布。在应力达到新的平衡过程中, 采空区上覆岩层由下至地表产生连续的移动、变形和非连续的破坏(开裂、冒落等), 这种现象称为“ 开采沉陷” ^[15]。因此, 开采沉陷是有关岩层移动造成的。

邳州石膏矿区各矿山均采用房柱式开采, 采场的稳定性依靠留设的连续矿柱和预留的石膏护顶层及护底层来维持。采空区失稳的模式有2种: 一是矿柱失稳, 顶板岩石破坏; 二是矿柱稳定, 顶板岩石破坏。

房柱式开采的石膏矿开采沉陷变形不同于长壁式开采的煤矿沉陷变形特征, 一般表现为3个阶段: 护顶层的弯曲下沉、矿柱底板失稳变形和后期压密变形阶段。根据地表变形速率可以将3个阶段相应划分为早期缓慢变形阶段、快速变形阶段和后期稳沉阶段。

当矿柱稳定, 顶板岩石破坏时, 顶板岩石冒落, 最终变形反映至地表, 形成点状塌陷。此类塌陷早期变形范围及变形值均较小。

当矿柱失稳, 顶板岩石破坏时, 顶板岩石冒落, 最终变形反映至地表, 形成面状塌陷。此类塌陷变形范围及变形值较点状塌陷更大。

基于多主影像相干目标小基线InSAR技术, 利用矿区2007— 2018年中等分辨率SAR影像, 开展研究区地面沉降变形监测。由于石膏矿开采沉陷具有大变形的特征, 且研究区潜水位较高, 发生沉陷后地表易出现集水坑, 故采用的InSAR数据监测点属于矿区内相干性良好地区。各期数据基本情况见表3。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 各期数据基本情况 Tab.3 List of basic data for each period 期次 数据类型 分辨率/m 获取期数 2007— 2011 ALOS PALSAR 15 15~21 2012— 2015 Radarsat-2 25 25 2016— 2018 Sentinel-1A 20 73

表3 各期数据基本情况 Tab.3 List of basic data for each period

地表沉降信息提取方法主要包括以下步骤。

(1)数据预处理。对SAR数据, 根据小基线组合原则, 形成若干个主辅干涉像对, 依次进行粗配准、精配准、生成干涉图、去平地相位、去地形相位等处理, 生成差分相位图。

(2)时间序列InSAR地表形变反演处理。利用预处理后的时间序列SAR影像开展地表沉降反演监测分析, 采用InSAR形变监测软件系统GDEMSI完成。依次进行稳定点目标提取、Delaunay三角网建立、线性形变估计、非线性形变和大气相位的分离与估计、总形变量估计等处理^[16]。数据预处理和时间序列InSAR地表形变反演处理过程如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 InSAR数据预处理及地表形变反演处理过程Fig.3 Preprocessing and surface deformation inversion process of InSAR data

SAR影像经过预处理、线性形变反演、非线性估计、累计形变量计算等处理步骤后^[17], 通过对InSAR沉降监测结果进行科学验证、分析、评价, 同时利用GIS分析技术, 结合基础地理信息数据和2007— 2018年历史沉降数据, 得出各阶段的沉降速率和累计沉降量。

2007— 2018年平台矿和希州矿InSAR监测数据处理结果见图4, 其中, 570996、574021监测点2012— 2015年累计沉降量曲线见图5。

图4

Fig.4

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	图4 平台矿和希州矿2007— 2018年累计沉降等值线Fig.4 Contour map of accumulated settlement of Pingtai and Xizhou mine from 2007 to 2018

图5

Fig.5

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	图5 监测点2012— 2015年累计沉降量曲线Fig.5 Cumulative settlement curve of monitoring points from 2012 to 2015

通过数据分析, 570996、574021监测点2012— 2015年累计沉降量分别达到-36.98 mm和-60.18 mm。监测点南侧区域2016— 2018年累计沉降量分别达到-38.53 mm和-77.16 mm。

对研究区2007— 2018年InSAR监测数据进行分析, 结合研究区数次塌陷基本特征, 认为面状地面塌陷和点状地面塌陷具有高度一致性(表4)。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 研究区InSAR数据地表变形分析 Tab.4 Surface deformation analysis table of InSAR data in the study area 编号 塌陷时间 数据时间 顶板埋深/m 与塌陷点 距离/m 沉降速率/ (mm· a-1) 累计沉降量/ mm 塌陷类型 TX1 2012-04-15 2007— 2011 70~140 塌陷范围 -7.05~2.86 -35.26~4.19 面状 2012— 2015 120 -14.88 -52.22 2016— 2018 230 -9.47 -38.53 TX2 2006-01-31 60 点状 TX3 2007 53 TX4 2011-08-25 80 TX5 2015-03-16 80 TX6 2017-05-17 70 TX7 2016-11-27 2017-07-03 2012— 2015 100~140 30 -9.71 -31.21 面状 2016— 2018 55 -25.05 -77.16

表4 研究区InSAR数据地表变形分析 Tab.4 Surface deformation analysis table of InSAR data in the study area

根据TX1和TX7塌陷变形过程, 结合2007— 2018年InSAR监测数据可以看出: TX1点发生地面塌陷前, 2007— 2011年InSAR监测数据反映出地表存在早期缓慢变形, 最大变形量约-35.26 mm; TX7点发生地面塌陷前, 2012— 2015年InSAR监测数据亦反映出地表存在早期缓慢变形, 最大变形量约-31.21 mm。

2012年后TX1点塌陷范围随着地表变形范围和累计沉降变形量的增大而逐渐增大, 2016年后TX7点塌陷范围亦随着地表变形范围和累计沉降变形量的增大而逐渐增大, 最终TX1点和TX7点合并为一个大的塌陷区域。根据2016— 2018年InSAR监测数据可以看出, TX1和TX7点南侧仍有较大的缓慢变形量, 可能引发新的塌陷, 原地面塌陷范围可能会进一步扩大。

从2007— 2018年InSAR监测数据还可以看出: 点状塌陷时, 地表早期缓慢变形范围主要集中于塌陷范围, 对塌陷范围外围影响甚微; 面状塌陷时, 地表早期缓慢变形范围略大于塌陷范围, 存在一定的塌陷影响区, 随着地表变形范围和累计沉降变形量的增大, 塌陷范围也会逐渐增大至地表早期缓慢变形范围, 直至塌陷稳定。

由此可见, 根据地表早期缓慢变形量及范围可以判断地面塌陷类型及范围。