SBAS 技術(shù)下的金屬礦山沉陷規(guī)律分析

李建國(guó)

（四川省阿壩州盛屯礦業(yè)集團(tuán)金川奧伊諾礦業(yè)有限公司，四川 金川 624107）

我國(guó)資源開(kāi)采利用的經(jīng)驗(yàn)較多，在礦區(qū)沉陷規(guī)律上也取得較多成果，但以往的觀測(cè)數(shù)據(jù)多使用傳統(tǒng)測(cè)量方法獲取，且研究結(jié)果也多圍繞煤礦開(kāi)采展開(kāi)，對(duì)金屬礦區(qū)的應(yīng)用研究較少。由于金屬礦山地質(zhì)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，InSAR技術(shù)在礦山監(jiān)測(cè)中有適用的先例，能夠?qū)ΦV區(qū)時(shí)空形變數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度分析，因此，本文探討SBAS技術(shù)在金屬礦山沉陷規(guī)律中的應(yīng)用。

1 SBAS技術(shù)簡(jiǎn)介

D-InSAR技術(shù)適用于時(shí)空基線較短的情況，可以獲得兩幅影像間地表形變數(shù)據(jù)。而一般金屬礦山的采礦作業(yè)活動(dòng)周期會(huì)比較長(zhǎng)，由于作業(yè)活動(dòng)持續(xù)不斷，不同時(shí)點(diǎn)觀測(cè)的數(shù)據(jù)才能反映該區(qū)域一段時(shí)間內(nèi)的地表沉陷變形過(guò)程，而D-InSAR技術(shù)不同同時(shí)處理時(shí)間序列圖像，存在干涉圖不相關(guān)情況。SBAS通過(guò)將對(duì)特定區(qū)域內(nèi)基于時(shí)空基線的若干組合，使單位內(nèi)部基線差異盡量縮小，并使用最小二乘法獲得礦山地表形變時(shí)間序列，而各集合之間存在較大差異。SBAS方法是對(duì)所有SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行的合理組合，組合內(nèi)使用D-lnSAR技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，干涉解纏后恢復(fù)真實(shí)相位，并形成時(shí)間序列，通過(guò)點(diǎn)技術(shù)，將相關(guān)性較高的點(diǎn)重合，獲取關(guān)鍵點(diǎn)的沉降速度和形變數(shù)據(jù)。小基線集技術(shù)對(duì)同一圖像進(jìn)行分析，同名點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)由于不同時(shí)點(diǎn)的觀測(cè)具有差異，進(jìn)而分析一段時(shí)間內(nèi)的累積形變實(shí)施分析，從中找出沉陷規(guī)律，生成對(duì)應(yīng)的相干圖。選擇一副主圖像以此為參考對(duì)所有圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，使所有圖像處于同一坐標(biāo)下。去地形相位，得差分干涉圖，并進(jìn)行相位解纏。并分析同名點(diǎn)的穩(wěn)定性、空間相關(guān)性等根據(jù)數(shù)據(jù)大小做出判定，并選出相位穩(wěn)定的具有較強(qiáng)相關(guān)性的點(diǎn)[1]。然后在選擇的高相干性點(diǎn)上可以建立觀測(cè)目標(biāo)方程，并借助奇異值分析法得到觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的形變速率，最后通過(guò)殘差分離，可以求出對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的積分，獲得累積形變數(shù)據(jù)。

2 工程概述

香格里拉縣地處云南橫斷山脈中部，在地殼上升背景下受外力切割形成，屬于高山峽谷地貌。礦區(qū)與2008年5月開(kāi)工，格咱斯各銻礦廠采礦區(qū)位于南側(cè)，整體為斜坡發(fā)育，邊坡坡向約為214°區(qū)域構(gòu)造為松潘-甘孜褶皺帶，礦床位置位于納通牛場(chǎng)向斜的東部一級(jí)背斜軸部。礦區(qū)向斜軸由北向西長(zhǎng)約5米，核部為上上三疊統(tǒng)拉納山組一段，兩翼位于三疊統(tǒng)拉納山組二段，核部為上三疊統(tǒng)喇嘛啞組，兩翼地層產(chǎn)狀為230°-260°∠68°-70°，東翼產(chǎn)狀為55°-70°∠50°-52°。礦區(qū)中間發(fā)現(xiàn)橫切斷層，斷層產(chǎn)狀15°∠62°-75°長(zhǎng)度約為500m且破碎帶為1m～20m，銻礦體位于斷層破碎帶內(nèi)。區(qū)中地質(zhì)結(jié)構(gòu)為中等復(fù)雜類型。下圖1為礦區(qū)位置。

圖1 銻礦區(qū)位置

3 基于SBAS技術(shù)的銻礦山地陷監(jiān)測(cè)分析

基于小基線技術(shù)獲得時(shí)序地表沉降影像，本文主要對(duì)銻礦區(qū)東南的斷層周邊礦區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)，并獲取選擇開(kāi)礦以來(lái)的地表變化過(guò)程。

（1）礦區(qū)影像數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)主要為ALOS衛(wèi)星和美國(guó)NASA提供衛(wèi)星影像12張，衛(wèi)星獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間2008-5-14,2008-10-03,2009-7-152010-3-21,2010-8-12,2011-1-23,2011-9-17,2012-5-21,2013-4-22,2013-10-13，2014-5-16，2015-1-28.SRTM數(shù)據(jù)在網(wǎng)上公開(kāi)發(fā)布，具有較高的分辨率。其中覆蓋礦區(qū)東南部有8幅 分 別 為N25E99，N26E100，N26E101，N27E101，N27E101，N27E103，N28E100，N28E101。

（2）監(jiān)測(cè)的銻礦山。使用瑞士伽馬軟件對(duì)獲取的12張衛(wèi)星圖像進(jìn)行小基線技術(shù)處理，這里選取2008年6月14日的的影像為主影像，主影像的變形假設(shè)為零，觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)獲取的其他影像與主影像進(jìn)行參照，并獲得該時(shí)間段內(nèi)的11張形變圖，構(gòu)成基于時(shí)間的形變序列，具體如下圖2。

圖2 地理編碼后變形序列圖

從監(jiān)測(cè)影像可以看出，監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)中間部位存在較大變形，根據(jù)資料分析得知是該地區(qū)開(kāi)采銻礦導(dǎo)致的沉降，三段采取基本開(kāi)采完畢，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)發(fā)生形變最大為22m，位于陰影部分的左下方，主要分析該礦區(qū)的地表沉降數(shù)據(jù)。

從中選取2014年5月16日的形變進(jìn)行分析，如圖3左所示，為該區(qū)域銻礦床地表沉降情況，在2014年之前，該區(qū)域最大形變?yōu)?2m，且沉降走向?yàn)槲髌?0°左右。圖3右為截止到2014年5月的累積沉降等值線。

圖3 銻礦床地表沉降情況以及累積沉降低等值線

圖4 東北走向地表沉陷曲線

（3）礦區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律分析。礦床地表沉降規(guī)律的分析需要結(jié)合不同時(shí)點(diǎn)獲得的沉降影像進(jìn)行觀測(cè)，因此，通過(guò)繪制沉降序列曲線，更加精準(zhǔn)的描繪和探究沉降規(guī)律。礦床整體呈東北走向且和地表沉降走勢(shì)一致，因此，選取礦體走向和傾向方向兩個(gè)斷面分析沉降序列。

圖5 傾向走向地表沉陷曲線

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，礦床地表沉陷和高斯曲線具有相似性，也就說(shuō)明在一定范圍內(nèi)地表沉降符合概率統(tǒng)計(jì)學(xué)原理。經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，沉降較大的區(qū)域位于第二中段附近三四中段也不同程度的影響了覆地面。

通過(guò)擬合礦體走向和傾向走向的曲線，清楚的看到曲線數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合效果，盡管局部擬合效果存在一定偏差，也可能是SBAS技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)精確度存在問(wèn)題導(dǎo)致的，或者由于地表斷裂產(chǎn)生的不連續(xù)導(dǎo)致擬合度不高。

（4）金屬礦山和地表沉陷的關(guān)系。礦山開(kāi)采形成地表沉降會(huì)對(duì)礦區(qū)周圍的建筑物、居民點(diǎn)、公路等基礎(chǔ)設(shè)施造成影響。而且地表巖層受到破壞會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸通道等發(fā)生安全隱患，無(wú)法保證安全生產(chǎn)[2]。工程概況中介紹納通銻金屬礦區(qū)的主要受背斜和斷層的影響，已經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)的一號(hào)礦體為主要開(kāi)礦體，從2014年觀測(cè)的累積形變圖可以發(fā)現(xiàn)，12次監(jiān)測(cè)中A區(qū)沒(méi)有發(fā)生明顯形變，B區(qū)發(fā)生較為明顯的形變。為了準(zhǔn)確分析A,B兩區(qū)地表形變?cè)?，?duì)該區(qū)域內(nèi)的采礦活動(dòng)進(jìn)行分析。該礦區(qū)2015年對(duì)A區(qū)所在的第四中段進(jìn)行開(kāi)采，根據(jù)礦銻儲(chǔ)量和驗(yàn)收?qǐng)?bào)告發(fā)現(xiàn)，四中段礦藏深度平均為163m左右，該區(qū)域之前的主要采礦活動(dòng)圍繞作業(yè)區(qū)域內(nèi)的礦體進(jìn)行開(kāi)采，并且采礦作業(yè)后進(jìn)行礦井充填，綜合考慮A區(qū)域沒(méi)有明顯地表沉降的原因?yàn)殚_(kāi)采區(qū)距離地面相對(duì)較遠(yuǎn)，并在開(kāi)采后實(shí)施管理且之后該地區(qū)沒(méi)有發(fā)生大范圍的地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致地表形變。B區(qū)域銻礦體埋藏深度范圍為90m～138m，主要集中在二、三中段，由于開(kāi)發(fā)年限較長(zhǎng)，且沒(méi)有對(duì)開(kāi)發(fā)后的采空區(qū)進(jìn)行處理，對(duì)該區(qū)域一直存在殘采情況，采空區(qū)遺留的礦柱、邊角被開(kāi)發(fā)之后，沒(méi)有及時(shí)處理，且礦區(qū)距離地面較近,容易導(dǎo)致地表沉降。所以直接導(dǎo)致了地表產(chǎn)生了下沉。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著能源需求的增加，金屬礦區(qū)采礦作業(yè)會(huì)越加頻繁，不合理的礦區(qū)作業(yè)和后期管理會(huì)對(duì)原有應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，需要通過(guò)大量觀察資料和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)探索礦山沉陷規(guī)律?；赟BAS技術(shù)的應(yīng)用可以提高分析精度，對(duì)于金屬礦山等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行較為精確的控制。

參考文獻(xiàn)

[1]雷廣淵,周輝.基于SBAS技術(shù)的金屬礦山沉陷規(guī)律研究[J].測(cè)繪工程,2015,(3)：40-46.

[2]張偉佳.基于SBAS-InSAR技術(shù)的礦區(qū)形變監(jiān)測(cè)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2013.