基于INSAR与TRT的某小区地下采空区分析

多晓松

(华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000)

研究区主要靠矿业开发发展经济，早期由于较为粗放式开采，对地质环境破坏较大，形成了大小不一的采空区，由于矿区上部即为居民区，村部、小学及幼儿园均在该区域，该矿区已经根据有关要求进行了充填，采用尾砂胶结及碎石回填[1]。探测区北西340°方向1.3 km处同一地方分别于2017年8月与2019年7月发生了采空塌陷事件，距离该区南东111°方向550 m处同一地方于2019年4月与5月发生采空塌陷事件，两处发生采空塌陷事件的矿区属于其他矿区，造成巨大的经济损失，所幸未造成人员伤亡。采空塌陷事件对该矿区所在居民造成巨大的心理阴影，谈“空”色变，虽对采空区进行了回填，但居民对该区域地下是否存在遗留采空区仍持怀疑态度，严重制约当地的社会稳定和经济发展，为消除当地居民心里的疑问，我们对该区采空区充填效果进行验证。由于该地区居民居住密集，且附近学校、幼儿园、养老院等人员较多，不适合布置工程地质钻探工作，因此采用地表形变遥感监测与超前地质预报(TRT)两种方法对该区进行探测研究。这两种方法既能保证验证精度要求，又能保证当地居民不受工程干扰，不影响正常生产生活秩序，且工作方法效率有了大大提高，验证效果理想。

1 地表形变遥感监测

研究区首先利用LIDAR地面三维激光扫描设备和无人机倾斜摄影测量技术获取点云数据而构建高分辨率、高精度 DEM，并叠合无人机获取的采空区正射摄影测量数据制作采空区三维立体模型，流程见图1。然后将三维立体模型与高分辨率InSAR影像叠合进行时序差分处理，反演采空区地面沉降时空序列结果，并叠合到采空区三维立体模型中，精确、立体、直观展示采空区地表动态沉降监测结果[2-3]。

图1 INSAR地表形变遥感监测流程图Fig.1 INSAR flow chart of land surface deformation monitoring by remote sensing

为了有效地实现 PSInSAR研究区长时序形变监测，选取研究区自2018年10月至2019年7月Sentinel-1A影像和空间分辨率为30 m的SRTM DEM作为实验研究数据。Sentinel-1A卫星重访周期为11 d，其影像入射角为41.1°，空间分辨率为3 m，解算出研究区年平均形变量。

研究区附近有广场、居民住宅、学校和主要路段等人群密集处，且附近区域于近期发生垮塌，研究内InSAR结果显示平均沉降速率为3 cm/a。

无人机探测高形变结果显示，研究区内西部及广场东侧有较为明显下降，与InSAR结果趋势总体一致，此区域植被稀少，建筑分布规则，因此，区域无人机监测形变值可信度高。

研究结合多期无人机、LiDAR差分结果与InSAR形变速率结果综合分析，圈定研究区内高风险区域处，主要分布于研究区内西部区域，包含广场及周边道路区域。此外，采区外同样分布有高形变速率区域存在，主要集中在广场西侧十字路口处，见图2。

图2 研究区多结果叠合高风险异常区域图Fig.2 Multi-result superimposition of high-risk abnormal area map in study area

研究区圈定异常靶区后，需采用其他工程手段进行靶区验证，由于靶区内居民区聚集，无法进行工程地质钻探工作，采用隧道超前地质预报(TRT)手段进行验证，该方法不需要对研究区进行大范围开挖及其他扰动，对于开展验证工作比较理想[4-5]。

2 超前地质预报(TRT)

超前地质预报(TRT)是基于地震波的反射原理，当人工激发的地震波在岩体内传播时，遇到声学阻抗有差异的界面(如断层、构造带、含水层、采空区等)，一部分信号波就会在界面反射回来，通过在探测面上布置的传感器来接收这类反射回来的波；另外一部分信号波会透射穿过有声学阻抗的界面进入前方岩体[6-7]。

超前地质预报(TRT)运用层析扫描技术，形成探测区域三维探测图，能将前方岩体的具体情况，如软弱岩层、溶洞、含水体、断层、破碎带的位置及大小规模立体、直观地展示出来。

通过在遥感异常中心位置布置两条测线，将从现场记录的震源点坐标、传感器点坐标及高程利用RV-Interface软件进行分析，根据提示将剖面、中心线、震源、传感器、摘要、勘测日志等信息依次输入到相应的位置，采用线性递归法计算地震波的平均波速值，选取波的主频和频率范围，为所选区域构建地震波波速模型，并对超前探测的典型图像进行分析[8]。

根据INSAR结果，在沉降异常较大的区域(颜色较深)内采用TRT超前地质预报验证，主要对村委会、小学、幼儿园等区域进行验证。震源激发点布置在需要探测区域的前方的区域内，共布置四组，每侧两组，每组沿高程方向依次排开，相距为1 m，共布置3个，相邻两组之间在里程方向上距离为2 m，并用红色喷漆标明，各个接收点将传感器与探测面用速凝剂耦合。传感器在探测面后方成空间立体分布。一般情况下，在距离最后一组震源点10 m处布置传感器，每间隔5 m布置一个，并用红色喷漆标明将计算机、基站和触发源三个连接在一起，利用计算机来控制地震波数据的采集与处理(图3)。每个震源点锤3次，以提高预报的精度。异常区的平面位置如图4所示。

图3 震源点与传感器的平面布置Fig.3 The plane layout of focal point and sensor

图4 TRT勘探点与INSAR异常区叠加平面位置图Fig.4 Location map of superimposed TRT exploration point and INSAR anomaly area

地震波在岩体中传播遇到地质异常体时，由于异常体的密度、孔隙度变化，导致波速变化，在图谱上可以反映出异常区域[9]，图5中用椭圆标出来的部分即为探测区域典型异常体图像。

图5 超前地质预各勘探点成果图Fig.5 The result maps of each exploration point in advance of geology

T1探测区域为村委会，异常1-1主要表现为松散破碎带散体(疑似采空松散体)异常，对应为松散破碎带，深度方向(z)大概位于地下25～55 m处，长度方向(y)大概位于模型40～75 m处，宽度方向(x)大概位于模型10～40 m处。

T2探测区域为幼儿园前侧，异常2-1为松散破碎带，深度方向(z)大概位于地下50～70 m处，长度方向(y)大概位于模型5～35 m处，宽度方向(x)大概位于模型10～35 m处；异常2-2为松散破碎带，深度方向(z)大概位于地下55～80 m处，长度方向(y)大概位于模型45～75 m处，宽度方向(x)大概位于模型15～35 m处。

T3探测区域为小学前侧1，异常3-1为软弱岩层，深度方向(z)大概位于地下60～85 m处，长度方向(y)大概位于模型10～50 m处，宽度方向(x)大概位于模型15～40 m处；异常3-2为区域破碎带，深度方向(z)大概位于地下30～55 m处，长度方向(y)大概位于模型45～70 m处，宽度方向(x)大概位于模型10～30 m处。

T4探测区域为小学前侧2，异常4-1为软弱岩层，深度方向(z)大概位于地下55～75 m处，长度方向(y)大概位于模型5～50 m处，宽度方向(x)大概位于模型10～35 m处；异常4-2为松散破碎带，深度方向(z)大概位于地下30～55 m处，长度方向(y)大概位于模型50～80 m处，宽度方向(x)大概位于模型10～30 m处。

T5探测区域为小学后侧，异常5-1为松散破碎带，深度方向(z)大概位于地下25～50 m处，长度方向(y)大概位于模型0～30 m处，宽度方向(x)大概位于模型0～35 m处；异常5-2为松散破碎带(疑似采空松散体)，深度方向(z)大概位于地下35～65 m处，长度方向(y)大概位于模型45～80 m处，宽度方向(x)大概位于模型5～30 m处。

T6探测区域为幼儿园后侧，异常6-1为松散破碎带(疑似采空松散体)，深度方向(z)大概位于地下20～45 m处，长度方向(y)大概位于模型5～30 m处，宽度方向(x)大概位于模型5～35 m处；异常6-2为松散破碎带(疑似采空松散体)，深度方向(z)大概位于地下25～45 m处，长度方向(y)大概位于模型40～65 m处，宽度方向(x)大概位于模型5～30 m处。

通过探测分析，所有在INSAR沉降相对较大区域(颜色较深的区域)进行6个点位TRT探测，所探测异常体均为松散破碎带或者软弱岩层，说明该地区早期采矿活动已经进行了处理，碎石充填或者顶板崩落，经走访老矿工，印证了该分析结论。

3 房屋下部存在采空区可能性分析

采空区形成后都会产生不均匀沉降，根据遥感监测发现，居民区内确实存在沉降异常区，且异常区范围较大，跨越整个小区，同时在小学、幼儿园、村委会等人员较为密集的地方沉降异常范围较大，为保证该区域内正常的生产生活活动不受影响，采取较为先进的TRT超前地质预报技术对房屋地基70 m深度范围内进行探查，同样发现异常区，根据多年经验及现场调查，异常解译为松散破碎带(体)，未发现采空区异常的存在，TRT超前地质预报技术在地下空洞探查方面准确率较高、可信度大，因此根据INSAR遥感及TRT超前地质预报技术结合探查，该小区下部存在采空区的可能性小，即便是存在采空区，也进行了回填或者顶板崩落。当前小区内存在异常为正常沉降范围内，处于平衡状态，只要不打破该平衡，不受震动、水文地质等外力影响，平衡状态不发生偏移，该小区地基发生采空塌陷的可能性小。

与本探测区东550 m处探测结果对比发现，采空区异常与松散堆积体异常呈现的地震波波速异常分布明显的不同，超前地质预报可对采空区位置、深度进行定位，可用于采空区充填布孔，经工程充填孔验证，均得到较好的验证。与瞬变电磁相比，比较形象、立体地呈现异常范围，易于观察分析。因此采用地表形变遥感监测确定形变靶区，超前地质预报在靶区内精确定位，用于探测老采空区、盲硐及空区充填效果等方面，指导矿山安全生产。