沛县矿地融合示范区位于沛县北部, 为沛县工业和煤炭资源主要集聚区。全区包括5个镇和4个街道, 分别为龙固镇、杨屯镇、安国镇、鹿楼镇、朱寨镇和大屯街道、沛城街道、汉源街道、汉兴街道, 总面积为744.35 km², 占全县总面积的42.70%(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 沛县矿地融合示范区位置及区域地质简图 1.侏罗系— 白垩系; 2.侏罗系; 3.石炭系— 二叠系; 4.奥陶系; 5.地层假整合; 6.地层不整合; 7.正断层; 8.矿界; 9.县级点; 10.行政界线; 11.湖泊Fig.1 Location and geologic sketch of the Mining and Land Integration Demonstration Zone in Pei County

沛县地处黄淮平原中部, 采煤沉陷区属于黄泛冲积平原地貌, 地势平坦, 由西向东北略倾斜。大地构造位置处于中朝准地台— 淮河台坳— 淮北台陷褶带— 丰沛断坳。地表均被第四系松散层覆盖, 下伏基岩地层主要有奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系(图1), 岩性主要为石灰岩、砂岩、页岩和泥岩, 基岩埋深一般为80~270 m, 其中石炭系— 二叠系为本区含煤地层。

石炭系由中石炭统本溪组(C₂b)和上石炭统太原组(C₃t)组成。岩性为砂岩、页岩、灰岩、泥岩夹煤、铝土矿、菱铁矿等, 总厚度为190 m, 与奥陶系呈假整合接触。其中, 太原组含煤14层, 可采煤层为17煤和21煤。

二叠系由下二叠统山西组(P₁s)和下石盒子组(P₁x), 及上二叠统上石盒子组(P₂s)组成。下二叠统为本区主要煤系地层和富钾岩石矿层位, 局部夹菱铁矿高岭土、耐火黏土; 上二叠统由杂色砂岩和砂页岩组成。二叠系总厚度为850 m左右。其中, 下二叠统山西组含煤2~4层, 可采煤层为7、8、9煤, 下二叠统下石盒子组煤层不可采。

沛县共有8个煤矿矿井(表1), 均分布在沛县北部, 采矿权范围面积共302.232 5 km², 已探明煤炭储量24亿t, 年产优质原煤1 400万t以上, 占全省煤炭产量的90%以上。

表1

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表1 沛县煤矿基本情况表 Tab.1 List of basic conditions of the coal mines in Pei County 煤矿名称 开采煤层 开采水平/m 开采标高/m 矿区面积/km2 开采现状 徐州矿务集团有限公司 三河尖煤矿 山西组7、9煤 -700、-835、-980 -1 000~-350 43.500 9 停采闭坑 张双楼煤矿 山西组7、9煤 -500、-750、-1 000 -1 200~-200 37.862 3 在采 华润天能徐州煤电有限公司 龙固煤矿 山西组7、8 太原组21煤 -440、-570 -800~0 14.992 3 停采闭坑 沛城煤矿 山西组7、8煤 -390、-600、-800 -1 200~-140 34.591 0 停采闭坑 上海大屯能源股份有限公司 龙东煤矿 山西组7煤 -285 -1 300~-154 24.950 4 停采 姚桥煤矿 山西组7、8煤层 -600 -1 300~-135 63.758 1 在采 徐庄煤矿 山西组7、8煤 -400、-750和-1 000 -1 300~-60 38.442 0 在采 孔庄煤矿 山西组7、8煤层 -375、-620、-785、-1 000 -1 300~-160 44.135 5 在采 合计 302.232 5

表1 沛县煤矿基本情况表 Tab.1 List of basic conditions of the coal mines in Pei County

目前, 沛县塌陷频率不断加快, 规模不断扩大, 造成矿井报废、土地损毁等严重后果, 对矿区人民的生命及财产安全威胁较大。

地下煤层采出后, 在岩体内部形成一定空间, 其周围原有的应力平衡状态受到破坏, 引起应力的重新分布, 直至达到新的平衡, 这一应力重新分布并达到新的平衡的过程即是由矿层顶底板岩土层变形破坏来完成的。对于采用长壁式开采和自然垮落法管理顶板的已进行充分开采的煤矿采空区, 顶板岩层的变形破坏一般自下而上出现“ 冒落(垮落)、裂缝和整体移动(弯曲)” 3个破坏带, 当这3个破坏带达到地表时, 使地表产生移动和变形, 形成采煤沉陷区。随着采煤工作面推进, 采动影响范围不断扩大, 形成下沉盆地^[17]。

地表移动计算理论和方法主要有典型曲线法、负指数函数法和概率积分法, 本次采用概率积分法建立预测模型。具体参数值见表2和表3。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 徐州地区不同时期采煤工作面下沉系数 Tab.2 Subsidence coefficient of the coal mining surface in Xuzhou for different periods 开采结束时间/a 1 2 5 10 15 20 下沉系数(q) 0.75 0.825 0.90 0.938 0.975 0.99

表2 徐州地区不同时期采煤工作面下沉系数 Tab.2 Subsidence coefficient of the coal mining surface in Xuzhou for different periods

表3

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表3(Tab.3)

表3 徐州地区地表移动变形预计参数值[18] Tab.3 Predicted parameter values for the surface movement and deformation in Xuzhou[18] 开采深度H/m 主要影响 角正切(tanβ ) 水平移动 系数(b) 开采影响传播 角(θ )/(° ) H≤ 400 1.6 0.33 90° -0.4α H> 400 1.7 0.27 90° -0.5α 注: α 为煤层倾角, (° )。

表3 徐州地区地表移动变形预计参数值[18] Tab.3 Predicted parameter values for the surface movement and deformation in Xuzhou[18]

根据《GB 51044— 2014煤矿采空区岩土工程勘察规范》^[17], 结合开采沉陷的一般规律, 当工作面终采时间大于地表移动持续时间时, 地表变形进入稳沉状态。地表变形移动期一般为3~5 a。地表移动的延续时间(T)可根据公式计算

T=2.5H₀(H₀≦ 400 m), T=1 000× exp(1-400/H₀)(H₀> 400 m) 。 (1)

式中: H₀为工作面平均采深, m; T为地表移动的延续时间, d; exp为以自然常数e为底的指数函数。

本次评价根据采煤沉陷区地表沉陷的一般规律, 结合InSAR数据地表沉降量、沉降速率及野外调查的实际情况综合确定。

基于多主影像相干目标InSAR技术, 利用采煤沉陷区2018— 2022年Sentinel-1A极轨卫星C 波段合成孔径雷达影像, 开展矿区地面沉降变形监测。由于煤矿开采沉陷具有变形大、缓变形的特征, 且研究区潜水位较高, 发生沉陷后地表积水坑出现, 故采用的InSAR数据监测点需是采煤沉陷区内相干性良好地区。各期数据基本情况见表4。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 各期数据基本情况 Tab.4 List of basic data for each period 影像期次 数据类型 斜距分辨率 (距离向)/m 斜距分辨率 (方位向)/m 获取期 数/期 2018.12.19 Sentinel-1A 2.33 13.96 5 2022.06.23 Sentinel-1A 2.33 13.96 5 2022.08.22 Sentinel-1A 2.33 13.96 5 2022.10.21 Sentinel-1A 2.33 13.96 5 2022.12.20 Sentinel-1A 2.33 13.96 5

表4 各期数据基本情况 Tab.4 List of basic data for each period

地表沉降数据处理步骤(图2)主要包括: ①数据对准备, 对一系列SAR数据, 根据基线估算结果, 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差分相位数据处理, 对差分相位图进行自适应滤波、相位解缠、相位转高程(形变)和地理编码处理, 得出时段沉降量和沉降速率^{[19, 20]}。

图2

Fig.2

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	图2 InSAR数据预处理及地表形变反演过程Fig.2 InSAR data preprocessing and surface deformation inversion process

SAR影像经过处理后, 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2018年以前沉降数据等基础地理信息数据, 得出2018— 2022年以及2022年6— 8月、8— 10月、10— 12月的沉降速率和累计沉降量(表5)。

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 不同期次影像对累计沉降量与沉降速率处理结果 Tab.5 Analysis results of accumulated settlement amount and settlement amount rate for different image periods 主辅影像期次 累计沉降量/m 沉降速率/(mm· d-1) 2018.12.19— 2022.12.20 [0.139, 0.558] — 2022.06.23— 2022.08.22 [0.000, 0.171] [0.503, 2.159] 2022.08.22— 2022.10.21 [0.000, 0.054] [0.000, 0.140] 2022.10.21— 2022.12.20 [0.000, 0.073] [0.000, 0.789]

表5 不同期次影像对累计沉降量与沉降速率处理结果 Tab.5 Analysis results of accumulated settlement amount and settlement amount rate for different image periods

经过对采煤沉陷区2018— 2022年InSAR监测数据进行分析, 结合采煤沉陷区开采条件、地表沉陷特征调查等, 可以看出两者具有高度一致性。

2018— 2022年, 沛县各煤矿采煤沉陷区地表沉降量为0.139~0.558 m, 沉降量较大的区域主要分布在龙东煤矿、姚桥煤矿、徐庄煤矿和张双楼煤矿的近年开采区(图3)。从图3可以看出, 2018— 2022年孔庄煤矿和沛城煤矿采煤沉陷区沉降量较大, 但2022年6— 12月孔庄煤矿和沛城煤矿沉降量均较小, 主要因为沛城煤矿于2016年闭坑后沉陷趋于稳定。

图3

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	图3 沛县采煤沉陷区2018— 2022年累计沉降量Fig.3 Accumulated settlement of coal mining subsidence area in Pei County from 2018 to 2022

2022年6— 12月采煤沉陷区地表沉降速率为0~2.159 mm/d, 沉降速率较大的区域主要分布在龙东煤矿、姚桥煤矿、徐庄煤矿和张双楼煤矿等近年开采的采煤沉陷区未稳沉区(图4)。其中: 6— 8月, 地表沉降速率较大的区域主要分布在沛县的张双楼煤矿、三河尖煤矿、龙东煤矿和姚桥煤矿, 部分新开采区域地表沉降速率为1~2 mm/d; 8— 10月和10— 12月, 研究区地表沉降速率均小于1 mm/d。

图4

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	图4 沛县采煤沉陷区2022年6— 12月分段沉降速率Fig.4 Sectional settlement rate of coal mining subsidence area in Pei County from June to December in 2022

通过煤矿开采条件(时间、深度、方式)分析、野外调查及InSAR监测数据分析(沉降量、沉降速率)可以看出: 已稳沉采煤沉陷区主要为5 a以上老采空区塌陷影响区域, 地表沉降量已接近最大值, 沉降速率逐渐减小并趋于0; 未稳沉采煤沉陷区主要为5 a以下新采空区塌陷影响区域, 沉降量和沉降速率从0开始并逐渐增大。

至2022年底, 沛县尚有未稳沉采煤沉陷区约18.45 km², 主要分布在张双楼煤矿在采矿山和三河尖煤矿、龙东煤矿近年闭坑的矿山近5 a来开采区域(表6), 这些新开采区域造成了新的塌陷积水区和建筑开裂变形(图5, 图6)。2022年采煤沉陷区稳定性分区及部分新的塌陷积水区、建筑开裂变形分布位置见图7。

表6

Tab.6

表6(Tab.6)

表6 各矿区未稳沉采煤沉陷区面积统计 Tab.6 Unstable sedimentation area for each mining area 煤矿名称 未稳沉采煤沉陷区面积/km2 备注 三河尖煤矿 2.85 新近关闭 张双楼煤矿 12.20 在采 龙东煤矿 3.40 在采 总计 18.45

表6 各矿区未稳沉采煤沉陷区面积统计 Tab.6 Unstable sedimentation area for each mining area

图5

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	图5 龙东煤矿近年开采造成新塌陷区Fig.5 New collapse area caused by recent mining in Longdong coal mine

图6

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	图6 龙东煤矿近年开采造成建筑开裂Fig.6 Construction cracking caused by recent mining in Longdong coal mine

图7

Fig.7

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	图7 2022年底采煤沉陷区稳沉分区Fig.7 Stability zoning of coal mining subsidence in the end of 2022

由图7可以看出: 龙固镇、杨屯镇、鹿楼镇、和大屯街道、沛城街道、汉源街道、汉兴街道内大部分采煤沉陷区已趋于稳定, 地表沉降量不再增加, 沉降速率极小, 可在已稳沉沉陷区内可以开展土地复垦、工程建设或生态修复工程; 朱寨镇、安国镇和龙固镇区域内位于张双楼煤矿等近5 a开采区域的采煤沉陷区仍未稳定, 地表沉降量仍会增加, 沉降速率较大, 不宜开展新的建设利用工程, 以防受到采煤沉陷区地表变形影响。