矿井关闭后,由于受到岩体之间应力和地下水等诸多因素的影响,导致矿区地下岩层和土层的结构发生变化,从而在采空区的地表上造成了二次形态的改变。为探寻矿井关闭后地表形变的规律,采用SBAS-InSAR(Small Baselines Subset InSAR)技术,对影像数据处理后,得到了淮北市海孜矿区关闭矿井5.5a的地表形变信息。 

通过影像结果分析,该矿区有2处较为明显的下沉区域,分别分布于矿区东部和西南部,最大下沉速率为25mm/a,最大下沉量为124mm,根据以往学 者对关闭矿井地区残余下沉的研究,推测其下沉原因可能与煤层采深、地下水汇集破坏煤岩柱以及地表积水等因素有关,同时矿区中部区域发生明显抬升,多集中于祁集镇及周边范围,最大抬升速率为18mm/a,最大抬升量为133 mm,推测抬升原因可能与地下水回升和建筑物的重力加载有关, 推测地下水涌入居民区地下,造成裂隙岩体反弹,而建筑物重力加速了这一过程,则建筑物集中地区抬升越明显。矿区下沉区域约4a后地表沉降趋于稳定,居民区地表经历先下沉后抬升逐渐趋于稳定。笔者从地表形变最显著区域选取特征点,结合煤层深度、地下水和建筑物重力等因素进行更加详细地分析,根据形变特征将地表形变随时间变化分为3个阶段:残余下沉阶段、相对稳定阶段和抬升阶段;再根据矿区内地表的年形变面积变化得出:监测时间内,矿区大体上抬升面积逐年增加,下沉面积的比重逐渐减小,从而推测矿区抬升区域已达到最大抬升量,但抬升范围将会进一步扩大。

煤炭在我国社会发展和经济建设中扮演着不可或缺的角色,为响应碳中和政策,预计至2030年,我国将关闭超15000个煤矿。矿井关闭后,地表形变并未停止,煤岩体受应力、地下水等多因素影响,其内部结构发生变化,导致采空区地表发生二次形变。这种形变的持久性和残余效应可能潜在地威胁到矿区建筑物的稳定性,从而对人民生命财产安全构成潜在风险。‍‍‍

近年来,合成孔径雷达干涉测量技术(InSAR)迅速发展,并在各个领域取得广泛应用。该技术的运用不仅提高了对地质变化监测的敏感度,也确保了 矿区的安全稳定。关闭矿井地表沉陷具有隐蔽性和长期性,利用InSAR技术监测地表残余变形的可行性较高。因SAR影像可以根据历史时间进行追溯,不少学者基于InSAR影像数据开展了相关研究。张严等利用InSAR技术获得了研究期间的地表时空沉降速率数据,结合相关地质资料后推测出塌陷产 生的原因。柴华彬等运用SBAS-InSAR技术融合实测数据获得了矿区地表完整且连续的沉陷信息。地质灾害监测成为InSAR技术的主要应用方向,而 对于InSAR技术运用于矿区地表监测问题,刘晓帅等分别使用D-InSAR和 SBAS-InSAR技术获取研究区的地表沉降时序信息并将其与矿区地表水准 监测数据对比,分析2种技术的监测能力和精度。

结果表明:D-InSAR技术对大梯度沉降监测更可靠, 而SBAS-InSAR技术对于矿区微小变形的监测精度更高。郑美楠等基于S1A数据,运用PSI和 SBAS-InSAR技术详细记录了淮南矿区关闭矿井后地表的沉陷情况,研究了不同时间段的沉陷变化规律,阐述了矿井关闭后地表沉陷的复杂规律。 由此可见SBAS-InSAR技术用来进行关闭矿井地表残余变形监测具有广泛的实际意义。受此启发,结合研究区的关闭矿井地表形变特征分析,使用SBAS-InSAR 技术进行监测更为合适。现阶段,多数研究人员主要集中于煤层开采中的矿区地表形变课题,但是对矿区关闭后由岩石应力不平衡、地下水影响等诸多因素造成的地表沉陷研究较少。为探寻矿井关闭后的地 表形变规律,笔者选用2017年6月—2023年1月159景S1A影像,采用SBAS-InSAR技术对淮北市海 孜矿关闭矿井地区进行地表形变监测。 通过监测所获得的时间序列地表形变信息,分别从沉降量、特征点形变特征和沉降面积3个方面进行分析,结果表明:矿区存在2处明显的下沉区域,矿区中部居民区地表呈现抬升趋势,结合以往学者对关闭矿井沉降的 规律,推测地表先下沉后抬升的原因。 研究结果不仅阐述了矿井关闭后地表沉降特征,还为关闭矿井后的土地利用、土地复垦以及建筑物沉降变形提供了决策依据。