InSAR技術(shù)在礦山地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

陳善剛，陳 昱，范德強，張 弛，劉士龍

（中國五礦集團公司，北京100010）

InSAR技術(shù)在礦山地表沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

陳善剛，陳 昱，范德強，張 弛，劉士龍

（中國五礦集團公司，北京100010）

在礦體開采過程及礦體被采出后，采空區(qū)頂?shù)装搴蛢蓭托纬勺杂煽臻g，圍巖中應(yīng)力重新分布，可能引發(fā)地表沉陷的發(fā)生，進而給地表建筑及周邊村莊和環(huán)境帶來不同程度的危害。這種過程極其復(fù)雜，受眾多條件影響，因此具有很強的特殊性和隨機性。以萊新鐵礦為例，利用InSAR技術(shù)對地表沉降進行監(jiān)測，通過分析表明利用該方法進行大面積地表沉陷監(jiān)測具有明顯優(yōu)勢，從而為礦山企業(yè)全面監(jiān)測地表沉陷和及時處理安全隱患提供有效的手段。

地表沉陷；地表沉降監(jiān)測技術(shù)；INSAR

1 工程背景

萊新鐵礦位于萊蕪市西南方向的牛泉鎮(zhèn)西尚莊礦區(qū)。其中西部礦體，對厚大礦體（大于20m）選用分段空場法；中厚（8～15m）緩傾斜礦體選用中深孔房柱法；薄礦體（＜6m，占比例較少）選用淺孔房柱法。中部及東部礦體，采用分段空場法和上向進路充填法，優(yōu)先回采中部礦體，東部治水問題解決后，再回采東部礦體。采用充填法采礦時一期進路采用膠結(jié)充填，二期進路采用非膠結(jié)充填，各分層上部采用膠結(jié)充填。

在有用礦物采出后，采空區(qū)周圍巖體失去原來的平衡狀態(tài)而發(fā)生移動。采空區(qū)頂?shù)装搴蛢蓭托纬勺杂煽臻g，圍巖中應(yīng)力應(yīng)變重新分布，由于具體的地質(zhì)條件及采礦方法的不同所表現(xiàn)出的地表移動不同，容易出現(xiàn)塌陷、破裂、連續(xù)變形等問題，可能引發(fā)礦房頂板灰?guī)r含水層因空區(qū)塌落而溝通下漏發(fā)生水患，地面因開采引起的塌陷還會影響環(huán)境和地面村莊的安全。

2 采空區(qū)地表沉降監(jiān)測方法

2.1 地表沉降監(jiān)測方法簡介

1）水準(zhǔn)儀：水準(zhǔn)儀是根據(jù)水準(zhǔn)測量原理測量地面點間高差的儀器。水準(zhǔn)儀是在17-18世紀(jì)發(fā)明了望遠鏡和水準(zhǔn)器后出現(xiàn)的。20世紀(jì)初，在內(nèi)調(diào)焦望遠鏡和符合水準(zhǔn)器的基礎(chǔ)上生產(chǎn)出微傾水準(zhǔn)儀，60年代研制出激光水準(zhǔn)儀，90年代出現(xiàn)電子水準(zhǔn)儀或數(shù)字水準(zhǔn)儀。利用水準(zhǔn)儀進行礦區(qū)地表沉降發(fā)展過程監(jiān)測，主要是通過布設(shè)水準(zhǔn)測網(wǎng)，定期進行高精度水準(zhǔn)測量，監(jiān)測地面高程變化情況。

2）全站儀：即全站型電子速測儀，是一種集光、機、電為一體的高技術(shù)測量儀器，是集水平角、垂直角、距離（斜距、平距）、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，廣泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程測量或變形監(jiān)測領(lǐng)域?；緫?yīng)用方法同利用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進行地表沉降監(jiān)測的方法。

3）GPS：GPS起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用，通過4顆以上的衛(wèi)星實現(xiàn)定位功能?；贕PS的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測是利用空間位置服務(wù)的，通過采用GPS定位技術(shù)建立的測量控制網(wǎng)，組成GPS網(wǎng)的GPS點既可以用于測量控制，又可以用于形變監(jiān)測。

4）InSAR：合成孔徑雷達（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一種高分辨率的二維成像雷達。它作為一種全新的對地觀測技術(shù)，近20年來獲得了巨大的發(fā)展，現(xiàn)已逐漸成為一種不可缺少的遙感手段［1-3］。與傳統(tǒng)的可見光、紅外遙感技術(shù)相比，InSAR具有許多優(yōu)越性，它屬于微波遙感的范疇，可以穿透云層，甚至在一定程度上穿透雨區(qū)，而且具有不依賴于太陽作為照射源的特點，使其具有全天候、全天時的觀測能力，這是其它任何遙感手段所不能比擬的；微波遙感還能在一定程度上穿透植被，可以提供可見光、紅外遙感所得不到的某些新信息。隨著InSAR遙感技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，它已經(jīng)被成功應(yīng)用于地質(zhì)、水文、海洋、測繪、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、氣象、軍事等領(lǐng)域［4-5］。Biegert［6］、Marcovander［7］等分別利用該技術(shù)對加州的Lost和Biegert山油田進行了地表沉降的監(jiān)測研究。王超［8］、趙超英［9］等利用InSAR技術(shù)對城市地表沉降進行了有益的探索研究，此外吳立新［10］、董玉森［11］等人在礦區(qū)地表沉降方面也都進行了相關(guān)試驗研究。

2.2 地表沉降監(jiān)測方法比較

地表沉降監(jiān)測手段的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：

1）第一階段為人為因素影響很大的基于水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)測量。這種常規(guī)的觀察方法效率低，而且精度也很難達到應(yīng)用要求，同時，這種測量方法人為因素的影響在誤差中占有很大的比例，不能滿足礦山監(jiān)測地表沉降的目的。

2）第二階段就是現(xiàn)在廣泛采用的使用全站儀進行地表沉降的監(jiān)測，利用全站儀可以一次性完成水平角、垂直角、距離（斜距、平距）和高差測量，同時數(shù)據(jù)的讀取和計算自動完成，減少了人眼讀取數(shù)據(jù)的誤差，還可以同時測定空間的瞬時點三維坐標(biāo)，克服第一階段中經(jīng)常出現(xiàn)的高程觀測數(shù)據(jù)不是同時觀察到的缺陷。但是，全站儀監(jiān)測仍然沒有跳出人為布點、點成線監(jiān)測的圈子，這種方法和第一階段利用水準(zhǔn)儀進行監(jiān)測并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是從工作量及人為因素的影響有所改進，但對于監(jiān)測地表沉降的原理來說，并沒有實質(zhì)性區(qū)別。

3）第三階段也就是將來礦區(qū)地表沉降監(jiān)測的發(fā)展趨勢，即利用雷達技術(shù)進行地表沉降的監(jiān)測，這種監(jiān)測方法具有以下實質(zhì)性的優(yōu)勢：（1）不再是傳統(tǒng)的靠人為進行布點監(jiān)測，而是依靠衛(wèi)星的雷達波進行干涉，后期只需人為對信號數(shù)據(jù)進行處理，從而計算出地表的位移信息；（2）所得到的地表形變信息不再是傳統(tǒng)的點或者線信息，而是面信息；（3）傳統(tǒng)監(jiān)測手段在遇到阻擋物體時，無法再進行測量，而衛(wèi)星遙感監(jiān)測則不用考慮這個問題，相比傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測手段有了實質(zhì)性的進展。

2.3 InSAR技術(shù)在礦山地表沉降監(jiān)測中的優(yōu)勢

InSAR技術(shù)在礦山應(yīng)用具有其自身獨有的優(yōu)勢［12］：1）可以做到大面積區(qū)域的監(jiān)測，這種大面積的監(jiān)測相比傳統(tǒng)方法的監(jiān)測不僅可以節(jié)省人力物力，而且將傳統(tǒng)的點監(jiān)測、線監(jiān)測拓展成高密度的面監(jiān)測；2）可以對礦區(qū)外部進行監(jiān)測，這種礦區(qū)外監(jiān)測利用傳統(tǒng)監(jiān)測手段要取得相關(guān)許可才可以進行實地監(jiān)測；3）利用這種大范圍監(jiān)測手段可以覆蓋尾礦庫的監(jiān)測，利用GPS等進行監(jiān)測在儀器放置以及人員進入等方面都有很大的不便，而利用InSAR技術(shù)可以同時兼顧到尾礦庫的穩(wěn)定性監(jiān)測；4）具有近實時監(jiān)測的優(yōu)點［13］，對于需要隨時關(guān)注的如雨季排土場等可以實時監(jiān)測。

表1 地表沉降監(jiān)測方法比較Table 1 Comparison of surface subsidence monitoring method

3 InSAR監(jiān)測萊新鐵礦實測數(shù)據(jù)分析研究

3.1 數(shù)據(jù)的選取及處理方法

選取萊新鐵礦（東經(jīng)117°31’46”至117°33’55”，北緯36°10’09”至36°11’46”）2008-2012年間一定數(shù)量的雷達數(shù)據(jù)，利用合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（InSAR），對礦區(qū)內(nèi)地表形變進行監(jiān)測。根據(jù)萊蕪地區(qū)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋情況，結(jié)合可行性、合理性、經(jīng)濟性最終選定采用PALSAR及RADARSAT-2兩種雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)。

1）ALOS PALSAR數(shù)據(jù)

獲取12景PALSAR數(shù)據(jù)。其中，F(xiàn)BD（精細模式雙極化）模式10景，F(xiàn)BS（精細模式單極化）模式2景。

2）RADARSAT-2數(shù)據(jù)

獲取6景RADARSAT-2Wide（寬）模式數(shù)據(jù)。

采用Gamma軟件進行干涉處理，同時結(jié)合MATLAB利用傅里葉變換將軌道殘余相位去除，從而得到較為干凈的差分相位。

3.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

將PALSAR結(jié)果與RADARSAT-2結(jié)果進行綜合分析，得到了萊新鐵礦2008-2012年間總沉降結(jié)果，可以看出萊新鐵礦沒有明顯的沉降漏斗。對沉降結(jié)果進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 沉降統(tǒng)計結(jié)果Fig.1 The statistical results

通過萊新鐵礦總沉降圖及頻率統(tǒng)計結(jié)果圖分析，萊新鐵礦整體范圍基本上沒有大的沉降發(fā)生，礦區(qū)范圍內(nèi)的沉降值基本服從方差很小的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，說明萊新鐵礦礦區(qū)范圍內(nèi)基本上地表沒有大的變形，在頻率圖中出現(xiàn)部分數(shù)量的隆起（正值），是由于地表的點信息的變化，如工廠的建立，部分民用建筑及道路的修建，部分小面積的地表整平等原因。

4 結(jié)論與建議

以地表沉陷問題為出發(fā)點，對由于地下開采引起的地表沉陷的基本模式，可能造成的災(zāi)害進行了研究。并對地表沉陷監(jiān)測方法進行了對比分析，提出了使用InSAR技術(shù)作為新手段來大面積監(jiān)測地表沉陷趨勢及沉降量。為了驗證使用InSAR技術(shù)在金屬礦山地表沉降監(jiān)測中能起到有效的作用，通過項目研究得到以下結(jié)論和建議：

1）地下開采破壞原巖應(yīng)力，圍巖會發(fā)生破壞，從而對地表產(chǎn)生影響，會造成地表塌陷、破裂、連續(xù)變形。

2）InSAR技術(shù)作為新手段對地表沉降監(jiān)測，和傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比，具有顯著的優(yōu)勢，首先InSAR監(jiān)測為大范圍面監(jiān)測，能準(zhǔn)確反映面的變形信息，而全站儀、GPS等目前比較先進的監(jiān)測手段只能監(jiān)測點信息；另一方面，InSAR技術(shù)無需占用土地，特別是對于沒有授權(quán)或無法進入的地區(qū)，而傳統(tǒng)監(jiān)測手段在這一方面受到很大的限制，同時，利用InSAR技術(shù)可以兼顧到尾礦庫等區(qū)域，是傳統(tǒng)監(jiān)測手段所無法比擬的。

3）對萊新鐵礦的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，整體范圍內(nèi)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)基本服從正態(tài)分布，對實測外業(yè)數(shù)據(jù)對比分析，去除小于監(jiān)測分辨率的變形點，表明除了個別離散的垂直形變點（如個別工民建，小范圍的土石方工程）外，萊新鐵礦整體沒有沉降漏斗出現(xiàn)，垂直方向位移基本為零。

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Study on InSAR technology for land subsidence monitoring of mine

CHEN Shangang，CHEN Yu，F(xiàn)AN Deqiang，ZHANG Chi，LIU Shilong
（China Minmetals Corporation，Beijing 100010，China）

In the process of mining or after orebody be mined out，a free space formed by goaf roof and floor and two flanks，and then the stress in surrounding rock is redistributed.Stress redistributed may cause the land subsidence occurred，and imperiled the surrounding villages and environment.This process is complex，and effected by numerous conditions，so that the process is special and random.This paper takes Laixin Iron Mine as an example by using InSAR technology on the land subsidence monitoring.The result shows that the method has obvious advantages used for large area monitoring of land subsidence.This technology can provide an effective mean of comprehensive monitoring of land subsidence，and also is helpful to handle the risks timely.

land subsidence；land subsidence monitoring technology；InSAR

TD76

Α

1671-4172（2015）03-0082-03

陳善剛（1986-），男，工程師，碩士，采礦工程專業(yè)，主要從事安全管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.018