InSAR技术在矿山地表沉降监测中的应用研究

陈善刚，陈 昱，范德强，张 弛，刘士龙

（中国五矿集团公司，北京100010）

InSAR技术在矿山地表沉降监测中的应用研究

陈善刚，陈 昱，范德强，张 弛，刘士龙

（中国五矿集团公司，北京100010）

在矿体开采过程及矿体被采出后，采空区顶底板和两帮形成自由空间，围岩中应力重新分布，可能引发地表沉陷的发生，进而给地表建筑及周边村庄和环境带来不同程度的危害。这种过程极其复杂，受众多条件影响，因此具有很强的特殊性和随机性。以莱新铁矿为例，利用InSAR技术对地表沉降进行监测，通过分析表明利用该方法进行大面积地表沉陷监测具有明显优势，从而为矿山企业全面监测地表沉陷和及时处理安全隐患提供有效的手段。

地表沉陷；地表沉降监测技术；INSAR

1 工程背景

莱新铁矿位于莱芜市西南方向的牛泉镇西尚庄矿区。其中西部矿体，对厚大矿体（大于20m）选用分段空场法；中厚（8～15m）缓倾斜矿体选用中深孔房柱法；薄矿体（＜6m，占比例较少）选用浅孔房柱法。中部及东部矿体，采用分段空场法和上向进路充填法，优先回采中部矿体，东部治水问题解决后，再回采东部矿体。采用充填法采矿时一期进路采用胶结充填，二期进路采用非胶结充填，各分层上部采用胶结充填。

在有用矿物采出后，采空区周围岩体失去原来的平衡状态而发生移动。采空区顶底板和两帮形成自由空间，围岩中应力应变重新分布，由于具体的地质条件及采矿方法的不同所表现出的地表移动不同，容易出现塌陷、破裂、连续变形等问题，可能引发矿房顶板灰岩含水层因空区塌落而沟通下漏发生水患，地面因开采引起的塌陷还会影响环境和地面村庄的安全。

2 采空区地表沉降监测方法

2.1 地表沉降监测方法简介

1）水准仪：水准仪是根据水准测量原理测量地面点间高差的仪器。水准仪是在17-18世纪发明了望远镜和水准器后出现的。20世纪初，在内调焦望远镜和符合水准器的基础上生产出微倾水准仪，60年代研制出激光水准仪，90年代出现电子水准仪或数字水准仪。利用水准仪进行矿区地表沉降发展过程监测，主要是通过布设水准测网，定期进行高精度水准测量，监测地面高程变化情况。

2）全站仪：即全站型电子速测仪，是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统，广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。基本应用方法同利用水准仪和经纬仪进行地表沉降监测的方法。

3）GPS：GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用，通过4颗以上的卫星实现定位功能。基于GPS的矿区地表沉降监测是利用空间位置服务的，通过采用GPS定位技术建立的测量控制网，组成GPS网的GPS点既可以用于测量控制，又可以用于形变监测。

4）InSAR：合成孔径雷达（Interferometric Synthetic Aperture Radar）是一种高分辨率的二维成像雷达。它作为一种全新的对地观测技术，近20年来获得了巨大的发展，现已逐渐成为一种不可缺少的遥感手段［1-3］。与传统的可见光、红外遥感技术相比，InSAR具有许多优越性，它属于微波遥感的范畴，可以穿透云层，甚至在一定程度上穿透雨区，而且具有不依赖于太阳作为照射源的特点，使其具有全天候、全天时的观测能力，这是其它任何遥感手段所不能比拟的；微波遥感还能在一定程度上穿透植被，可以提供可见光、红外遥感所得不到的某些新信息。随着InSAR遥感技术的不断发展与完善，它已经被成功应用于地质、水文、海洋、测绘、环境监测、农业、林业、气象、军事等领域［4-5］。Biegert［6］、Marcovander［7］等分别利用该技术对加州的Lost和Biegert山油田进行了地表沉降的监测研究。王超［8］、赵超英［9］等利用InSAR技术对城市地表沉降进行了有益的探索研究，此外吴立新［10］、董玉森［11］等人在矿区地表沉降方面也都进行了相关试验研究。

2.2 地表沉降监测方法比较

地表沉降监测手段的发展经历了三个阶段：

1）第一阶段为人为因素影响很大的基于水准仪的水准测量。这种常规的观察方法效率低，而且精度也很难达到应用要求，同时，这种测量方法人为因素的影响在误差中占有很大的比例，不能满足矿山监测地表沉降的目的。

2）第二阶段就是现在广泛采用的使用全站仪进行地表沉降的监测，利用全站仪可以一次性完成水平角、垂直角、距离（斜距、平距）和高差测量，同时数据的读取和计算自动完成，减少了人眼读取数据的误差，还可以同时测定空间的瞬时点三维坐标，克服第一阶段中经常出现的高程观测数据不是同时观察到的缺陷。但是，全站仪监测仍然没有跳出人为布点、点成线监测的圈子，这种方法和第一阶段利用水准仪进行监测并没有本质上的区别，只是从工作量及人为因素的影响有所改进，但对于监测地表沉降的原理来说，并没有实质性区别。

3）第三阶段也就是将来矿区地表沉降监测的发展趋势，即利用雷达技术进行地表沉降的监测，这种监测方法具有以下实质性的优势：（1）不再是传统的靠人为进行布点监测，而是依靠卫星的雷达波进行干涉，后期只需人为对信号数据进行处理，从而计算出地表的位移信息；（2）所得到的地表形变信息不再是传统的点或者线信息，而是面信息；（3）传统监测手段在遇到阻挡物体时，无法再进行测量，而卫星遥感监测则不用考虑这个问题，相比传统的地表沉降监测手段有了实质性的进展。

2.3 InSAR技术在矿山地表沉降监测中的优势

InSAR技术在矿山应用具有其自身独有的优势［12］：1）可以做到大面积区域的监测，这种大面积的监测相比传统方法的监测不仅可以节省人力物力，而且将传统的点监测、线监测拓展成高密度的面监测；2）可以对矿区外部进行监测，这种矿区外监测利用传统监测手段要取得相关许可才可以进行实地监测；3）利用这种大范围监测手段可以覆盖尾矿库的监测，利用GPS等进行监测在仪器放置以及人员进入等方面都有很大的不便，而利用InSAR技术可以同时兼顾到尾矿库的稳定性监测；4）具有近实时监测的优点［13］，对于需要随时关注的如雨季排土场等可以实时监测。

表1 地表沉降监测方法比较Table 1 Comparison of surface subsidence monitoring method

3 InSAR监测莱新铁矿实测数据分析研究

3.1 数据的选取及处理方法

选取莱新铁矿（东经117°31’46”至117°33’55”，北纬36°10’09”至36°11’46”）2008-2012年间一定数量的雷达数据，利用合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR），对矿区内地表形变进行监测。根据莱芜地区的卫星数据覆盖情况，结合可行性、合理性、经济性最终选定采用PALSAR及RADARSAT-2两种雷达卫星数据。

1）ALOS PALSAR数据

获取12景PALSAR数据。其中，FBD（精细模式双极化）模式10景，FBS（精细模式单极化）模式2景。

2）RADARSAT-2数据

获取6景RADARSAT-2Wide（宽）模式数据。

采用Gamma软件进行干涉处理，同时结合MATLAB利用傅里叶变换将轨道残余相位去除，从而得到较为干净的差分相位。

3.2 数据处理及结果分析

将PALSAR结果与RADARSAT-2结果进行综合分析，得到了莱新铁矿2008-2012年间总沉降结果，可以看出莱新铁矿没有明显的沉降漏斗。对沉降结果进行统计分析，其结果如图1所示。

图1 沉降统计结果Fig.1 The statistical results

通过莱新铁矿总沉降图及频率统计结果图分析，莱新铁矿整体范围基本上没有大的沉降发生，矿区范围内的沉降值基本服从方差很小的标准正态分布，说明莱新铁矿矿区范围内基本上地表没有大的变形，在频率图中出现部分数量的隆起（正值），是由于地表的点信息的变化，如工厂的建立，部分民用建筑及道路的修建，部分小面积的地表整平等原因。

4 结论与建议

以地表沉陷问题为出发点，对由于地下开采引起的地表沉陷的基本模式，可能造成的灾害进行了研究。并对地表沉陷监测方法进行了对比分析，提出了使用InSAR技术作为新手段来大面积监测地表沉陷趋势及沉降量。为了验证使用InSAR技术在金属矿山地表沉降监测中能起到有效的作用，通过项目研究得到以下结论和建议：

1）地下开采破坏原岩应力，围岩会发生破坏，从而对地表产生影响，会造成地表塌陷、破裂、连续变形。

2）InSAR技术作为新手段对地表沉降监测，和传统监测手段相比，具有显著的优势，首先InSAR监测为大范围面监测，能准确反映面的变形信息，而全站仪、GPS等目前比较先进的监测手段只能监测点信息；另一方面，InSAR技术无需占用土地，特别是对于没有授权或无法进入的地区，而传统监测手段在这一方面受到很大的限制，同时，利用InSAR技术可以兼顾到尾矿库等区域，是传统监测手段所无法比拟的。

3）对莱新铁矿的监测数据表明，整体范围内，统计数据基本服从正态分布，对实测外业数据对比分析，去除小于监测分辨率的变形点，表明除了个别离散的垂直形变点（如个别工民建，小范围的土石方工程）外，莱新铁矿整体没有沉降漏斗出现，垂直方向位移基本为零。

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Study on InSAR technology for land subsidence monitoring of mine

CHEN Shangang，CHEN Yu，FAN 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

陈善刚（1986-），男，工程师，硕士，采矿工程专业，主要从事安全管理工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.03.018