鐘星海，王凱賓，溫軍軍，杜文磊

（湖南省地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查監(jiān)測(cè)所，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

金屬礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，但是資源的開發(fā)與利用不可避免的對(duì)礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境造成一定的損傷，導(dǎo)致礦山區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重的威脅著礦山的安全生產(chǎn)。采空區(qū)塌陷是礦山地質(zhì)災(zāi)害中常見的一種類型，是由于資源的不合理開發(fā)導(dǎo)致采空區(qū)受力而出現(xiàn)變形、甚至破碎，進(jìn)而引起地面塌陷[1]。因此，如何預(yù)測(cè)礦山采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害及有效治理是當(dāng)前亟待解決的問題。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量技術(shù)（D-InSAR技術(shù)）為主的監(jiān)測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用于礦山地面塌陷形變監(jiān)測(cè)中，并取得了良好的應(yīng)用效果。基于此，本文以某金屬礦山采空區(qū)地面塌陷監(jiān)測(cè)為例，分析該技術(shù)在地面塌陷預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用，并為治理方案的編制提供依據(jù)。

1 D-InSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)概況

采礦活動(dòng)導(dǎo)致地球淺表層的某個(gè)區(qū)域被挖孔，使得采空區(qū)周邊的受力狀態(tài)發(fā)生明顯的變化，即上覆巖體的靜壓力及采空區(qū)周邊的側(cè)向壓力均使得上覆巖體及周邊巖體向采空區(qū)運(yùn)移，當(dāng)巖體的抗壓強(qiáng)度小于上覆巖體的靜壓力及側(cè)向巖體的擠壓力時(shí)，使得采空區(qū)頂板巖體逐漸彎曲變形，甚至使得巖體破裂，進(jìn)而引起地表塌陷。因此，地面塌陷是地殼淺表層高程變化的一種形式，所以可以利用高分辨率影像數(shù)據(jù)生成的干涉相位圖區(qū)分地表的微小沉降形變信息，進(jìn)而達(dá)到地面塌陷預(yù)測(cè)的目的[2]。D-InSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)在影像數(shù)據(jù)處理中最為常用的是二軌法，該方法是以一對(duì)變形前和變形后的SAR影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，經(jīng)過干涉處理后獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域包含了形變信息和地形信息的干涉相位圖，進(jìn)而利用高精度的DEM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行反演，提出地形相位等干擾信息后，最后獲得某一監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表形變信息。因此，可以借助D-InSAR技術(shù)對(duì)礦山采空區(qū)地面塌陷形變進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 采空區(qū)地面塌陷形變預(yù)測(cè)

2.1 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)地形地貌變化較大，屬于高山峽谷地貌。開采礦床為矽卡巖型銅鉛鋅多金屬礦床，開采方式以硐采為主，其中礦區(qū)北西側(cè)礦體埋深較淺，以露天開采為主；礦區(qū)中部區(qū)域以及東部區(qū)域礦體埋深較深，以硐采為主。由于近些年的采礦活動(dòng)，在礦區(qū)中東部區(qū)域形成了大量的采空區(qū)，為防止地面塌陷問題，使用D-InSAR技術(shù)對(duì)礦區(qū)地表形變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，使用影像數(shù)據(jù)為礦山開采前的ASAR影像數(shù)據(jù)及現(xiàn)階段的ASAR數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理及相位濾波

本文對(duì)影像數(shù)據(jù)的處理采用常見的二軌法，以精密星歷數(shù)據(jù)以及相干系數(shù)配準(zhǔn)，對(duì)礦區(qū)地形相對(duì)較為平坦的區(qū)域以條文率進(jìn)行精估計(jì)。完成影像數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)后結(jié)合礦區(qū)高精度的DEM數(shù)據(jù)模型進(jìn)行相位模型。將轉(zhuǎn)換后的相位干涉圖剔除地形信息等獲得去地形的干涉相位，進(jìn)一步進(jìn)行差分處理，處理后的影像數(shù)據(jù)包含了監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表沉降信息，且包含了大量的噪聲相位[3]。因此，在研究礦區(qū)地表形變規(guī)律之前，需要將冗余的噪聲相位剔除，即進(jìn)行差分干涉相位的相位濾波處理。

2.3 相位解纏及地理編碼

相位解纏是礦山采空區(qū)形變量分析的基礎(chǔ)，因此，本文對(duì)進(jìn)行差分干涉相位的相位濾波處理后的相位進(jìn)行解纏，解纏方式采用最小費(fèi)用流法。最小費(fèi)用流法可以有效地降低影像中的模糊問題。解纏后的相位進(jìn)一步借助GAMMA軟件中數(shù)據(jù)配準(zhǔn)換算關(guān)系等解算出不同解纏點(diǎn)的形變量信息，再對(duì)礦區(qū)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行地理編碼信息的采集，就可獲得礦區(qū)的地表形變規(guī)律分布圖（圖1）。

圖1 某礦山采空區(qū)地面沉降形變分布圖

3 地面塌陷預(yù)測(cè)及防治方案

3.1 沉降形變監(jiān)測(cè)結(jié)果

將解纏后的礦區(qū)沉降形變信息導(dǎo)入至MAPGIS制圖軟件中，增加相應(yīng)的圖框以及地理信息等，對(duì)圖件進(jìn)行整飾處理，就可獲得礦區(qū)的地面沉降形變分布圖（圖1），進(jìn)而在該圖中獲取礦區(qū)的沉降范圍、沉降面積以及沉降量等信息。由圖1可知：礦山地面塌陷沉降范圍與礦區(qū)深部的采空區(qū)分布范圍高度吻合，主要分布在礦區(qū)中東部的采空區(qū)范圍內(nèi)，在垂向上與采空區(qū)一一對(duì)應(yīng)；礦區(qū)西部區(qū)域以露天開采區(qū)域的地面未見明顯的沉降信息。

根據(jù)礦山采空區(qū)地面沉降形變分布圖可知：礦山最大沉降量位于礦區(qū)東部區(qū)域，沉降量可達(dá)-98mm，礦區(qū)總沉降形變面積可達(dá)2.4km2；其中，形變量大于-50mm的區(qū)域可達(dá)0.42km2，形變量介于-50mm～-25mm之間的面積為0.83km2；形變量小于-25mm的面積約為1.15km2。為了進(jìn)一步研究礦山采空區(qū)地面塌陷沉降形變特征，垂直沉降長(zhǎng)軸方向進(jìn)行了沉降剖面研究（圖2）。由圖2可知：在垂向上，礦山采空區(qū)地面塌陷沉降形變具有“U”型分布規(guī)律，其最大沉降范圍與礦山的采空區(qū)中心高度吻合，且沉降量從中心向兩側(cè)逐漸減小，并具有對(duì)稱變化的關(guān)系。

圖2 研究區(qū)沿走向方向沉降剖面圖

3.2 形變監(jiān)測(cè)精度對(duì)比

為了對(duì)比形變監(jiān)測(cè)精度，本文收集了礦區(qū)的5個(gè)全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)形變量，數(shù)據(jù)見表1。由表1可知：使用D-InSAR技術(shù)所獲的礦山沉降量與全站儀累計(jì)形變量的誤差百分比小于5%，說明本文所選的監(jiān)測(cè)方法是合理。

表1 D-InSAR監(jiān)測(cè)結(jié)果與全站儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

3.3 防治方案

根據(jù)礦山采空區(qū)地面塌陷分布規(guī)律以及深部資源開采狀況，對(duì)采空區(qū)的治理提出如下治理方案：

（1）支護(hù)。支護(hù)主要有兩個(gè)方面：一是礦柱的重新規(guī)劃，結(jié)合礦體頂板巖層的物理力學(xué)性質(zhì)及上覆巖體厚度等，增加礦柱的直徑以及密度；二是采用支護(hù)方式，對(duì)采空區(qū)范圍較大的區(qū)域進(jìn)行加固支護(hù)，增加礦體頂板巖體的抗壓力。

（2）回填。對(duì)采空區(qū)及時(shí)進(jìn)行回采處理，采用“邊回填邊回采”的方式進(jìn)行，能夠有效地增加采空區(qū)的抗壓力，進(jìn)而減緩上覆巖層的形變速率。

4 結(jié)語

綜上所述，礦山采空區(qū)地面塌陷災(zāi)害是礦山資源開發(fā)利用過程中的負(fù)面影響，如何消除或者控制地面沉降塌陷問題是礦山安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此，加強(qiáng)礦山采空區(qū)地面塌陷形變監(jiān)測(cè)是有效降低安全事故以及提前預(yù)防塌陷災(zāi)害的基礎(chǔ)。本文利用D-InSAR技術(shù)對(duì)某金屬礦山進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在礦山地面塌陷沉降監(jiān)測(cè)方面取得了良好的應(yīng)用成效。