礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析

張寶通

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250000）

礦山開采對地質(zhì)環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的影響較大，為了合理地開采礦山，應(yīng)對礦山開采區(qū)周圍的地質(zhì)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。通過了解礦山地質(zhì)周圍的環(huán)境問題，監(jiān)測地質(zhì)環(huán)境的變化，對礦山開采區(qū)進(jìn)行合理地評估與預(yù)測，最終達(dá)到合理化開采，維護(hù)礦山周圍的生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)展[1]。

礦山開采區(qū)的活動受多種因素的影響，例如巖石、土壤、地質(zhì)作用等，與生物圈之間密切聯(lián)系。開采礦山時，周圍巖體受到外力作用導(dǎo)致平衡狀態(tài)出現(xiàn)失衡現(xiàn)象。在巖體調(diào)整平衡過程中，巖土層在一定時間內(nèi)會出現(xiàn)位移、變形的情況，從而形成不均勻沉降、塌陷坑等斷裂，長時間地斷裂，在開采區(qū)上部會形成較多裂縫，容易導(dǎo)致山體崩塌，形成地質(zhì)災(zāi)害[2]。礦山開采對水源也存在一定的影響，開采區(qū)上部斷裂破壞了水資源的平衡，使地下水滲透，水位下降，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)水資源干枯[3]。礦山開采區(qū)在開采中形成的礦坑水、工業(yè)廢水等自然排放到河流中，致使開采區(qū)附近的水體與土壤污染嚴(yán)重。礦山開采產(chǎn)生的廢水中化學(xué)物質(zhì)較多，流入河流土壤中，造成該區(qū)域的地方病源，存在嚴(yán)重的安全隱患。基于此，提出了礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法，對礦山開采區(qū)的地質(zhì)變化進(jìn)行監(jiān)測，減少因開采礦區(qū)導(dǎo)致的一系列問題。

1 礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法設(shè)計

針對礦山開采區(qū)地表沉降速度大和非線性變化的特征，設(shè)計了礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法。通過構(gòu)建短基線礦山地表沉降監(jiān)測模型、對不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析監(jiān)測地表移動變形規(guī)律，最終實現(xiàn)對礦區(qū)地質(zhì)變化的監(jiān)測，具體步驟如下。

1.1 構(gòu)建短基線礦山地表沉降監(jiān)測模型

短基線礦山地表沉降監(jiān)測模型的構(gòu)建依據(jù)是在短時間基線與短空間基線原則上，選擇沉降干涉數(shù)據(jù)，根據(jù)空間失相原理所構(gòu)建而成。由于大氣波動變化較大，礦山開采區(qū)周圍的地形相位與形變相位之間的相位精度變化較明顯，應(yīng)當(dāng)對兩個相位進(jìn)行干涉圖處理。使用D-InSAR干涉處理獲取短基線內(nèi)地表沉降的時空變化，在礦山開采區(qū)選定好相應(yīng)的位置后，獲取相差分干涉數(shù)據(jù)。由于SAR礦區(qū)影響受到失相干的影響，在選擇區(qū)域時，兼顧相干性與相位梯度，建立地表相差干涉像對組合結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 短基線礦山地表沉降監(jiān)測結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1可知，確定礦山開采實驗區(qū)，當(dāng)?shù)乇沓两禎M足短基線原則時，對數(shù)據(jù)對進(jìn)行配準(zhǔn)操作，有DEM數(shù)據(jù)生成干涉圖，為差分失相處理提供基礎(chǔ)。

1.2 不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于上述構(gòu)建的短基線礦山地表沉降監(jiān)測模型，對礦山開采區(qū)的不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)礦區(qū)的開采方式不同，礦區(qū)地表的坑口沉降也不同。

各級斷裂受地質(zhì)構(gòu)造分割影響，開采過程中的連續(xù)性較差。受長期的地表擾動狀態(tài)影響，地表沉降與變形的持續(xù)時間較長，導(dǎo)致某些斷層出現(xiàn)活化現(xiàn)象，加劇了礦區(qū)地表沉陷災(zāi)害。根據(jù)礦區(qū)地表的面積，對獲取的波段變化數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到4＊4弧秒的DEM數(shù)據(jù)，在空間分辨率為110m時，每隔4.5弧秒采集一次礦區(qū)地表變化數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)水平參考系使用WAG65，垂直參考系選擇BMN74水平面。在礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境相對平坦時，DEM數(shù)據(jù)對于監(jiān)測礦區(qū)地表的不均勻沉降結(jié)果更加精準(zhǔn)。

為了提高基線數(shù)據(jù)的精度，精密的軌道數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況，將DEM模擬干涉相位進(jìn)行轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為接近SAR圖像數(shù)據(jù)的分辨率，得到UTM坐標(biāo)下的SAR圖像數(shù)據(jù)。在DEM數(shù)據(jù)干涉相位中，會產(chǎn)生因DEM數(shù)據(jù)精度的地形變化誤差，通過計算可知，地形誤差對干涉相位的影響為：

其中，B表示地表沉降垂直基線；Δh表示沉降高程誤差；R表示地面點到地表沉降的距離；λ表示信號變動波長；θ表示地表沉降入射角。其他因素對相位影響忽略不計時，沉降高程誤差引起的地表形變誤差較大，應(yīng)當(dāng)采取有效的方法減小地表沉降的高程誤差。

1.3 分析監(jiān)測地表移動變形規(guī)律

根據(jù)監(jiān)測的礦山開采區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)果，沿礦山開采區(qū)的任意方向做剖面動態(tài)下沉分析。利用地表變化奇異值分解能夠得到礦區(qū)的平均沉降速率，對各時間段的速度進(jìn)行記錄，獲取速度變化規(guī)律，根據(jù)時間的變化求得基于時間序列的沉降結(jié)果。距離礦山開采區(qū)域較近的區(qū)域，其不均勻沉降的速率較快；遠(yuǎn)離礦山開采區(qū)的位置，不均勻沉降的速率較慢。并且對于監(jiān)測到的礦山地表的變形規(guī)律中，不僅存在不均勻沉降的形式，地表還存在抬升形變的可能，出現(xiàn)抬升現(xiàn)象的區(qū)域大多集中分布在30～40mm/a范圍內(nèi)，稱為礦區(qū)中的漏斗位置。

礦山開采區(qū)周圍的不均勻沉降還受到降雨量的影響，一般在夏季，降水量較大時，地表會出現(xiàn)大面積的沉降形變，據(jù)分析，最大的沉降值可達(dá)345mm。通過監(jiān)測礦山開采區(qū)地表變化的數(shù)據(jù)，最終得到地表移動變形規(guī)律。

2 對比實驗

選擇唐山市某礦山開采區(qū)作為研究對象，采用DORMT軌道測量數(shù)據(jù)，以單視影像數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)。根據(jù)短基線時序SAR方法，處理覆蓋唐山市礦區(qū)地面沉降的SAR數(shù)據(jù)。依據(jù)實驗區(qū)失相相位的散射特點，為了將監(jiān)測過程操作簡便，采用閾值法確定礦山開采區(qū)位置。地表沉降離差指數(shù)為相干目標(biāo)，對干涉圖的失相不均勻沉降基于高程不同進(jìn)行分析。在分解干涉對組合時，采用短基線方式，設(shè)置空間基線為350m，時間基線閾值取值范圍介于200～250d，根據(jù)地表沉降的入射角與垂直基線，計算出相應(yīng)的不均勻沉降高程差。將本文提出的礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法與傳統(tǒng)的雷達(dá)測量地面點分析方法的沉降高程誤差結(jié)果進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 兩種分析方法的地表沉降高程誤差對比

根據(jù)表1可知，本文提出的礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法監(jiān)測的沉降高程差較傳統(tǒng)方法相比誤差較小，更接近實際結(jié)果。

因此，本文提出的分析方法更適用于礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測，較精確的地表沉降高程誤差有利于礦山的合理開采，保證礦山周圍地質(zhì)環(huán)境的平衡。

3 結(jié)束語

本文研究了礦山開采區(qū)周圍不均勻沉降監(jiān)測分析方法，通過構(gòu)建短基線礦山地表沉降監(jiān)測模型、不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析監(jiān)測地表移動變形規(guī)律，最終完成監(jiān)測。此分析方法能夠降低模擬監(jiān)測結(jié)果的誤差，使監(jiān)測值更加接近于實際值。

但由于SAR數(shù)據(jù)獲取有限，故監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確率還有待提高。在未來的研究中，可以根據(jù)礦山開采區(qū)的點位時序數(shù)據(jù)分析，對這一問題進(jìn)行改善。