基于PSInSAR的平南錫基坑鉛鋅礦采空區沉降監測與分析

孟凡超 吉長東

(1.遼源職業技術學院資源環境與安全工程學院,吉林 遼源 136201;2.遼寧工程技術大學測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000)

由于礦區經歷長期、大范圍的開采,開采結束后,不可避免地會引起地表沉陷,進而導致地表沉陷災害不斷突出,采空區沉降是礦山開采的主要地質災害之一[1-3]。同時,隨著我國基礎設施不斷建設與發展,有時會在廢棄采空區(塌陷區)上方及周圍進行各種交通、電力和其他設施的施工建設。為了控制和降低沉陷災害帶來的影響,有必要加強地面沉降監測,及時掌握沉降規律及地表破壞程度,進而加以利用及整治。永久散射體干涉(PS-InSAR)技術是尋找地面固定散射點,針對多幅影像進行運算,可有效獲得地表變形信息[4-6]。

近年來,不少學者對礦區采空區沉降監測與分析進行了相關研究,取得了一定的進展[7-9]。鄧喀中等[10]使用合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR),對老采空區地表沉降影像進行處理與分析,獲得了相應的地表沉降數據,進而分析了其變形規律,建立了一系列經驗關系式。袁子清等[11]以某鉛鋅礦采空區為例,建立了相關的三維模型,通過分析與模擬,得出了采空區圍巖變形與應力分布及塑性損傷特征,為礦山采空區穩定性評估提供了依據。鄒昊等[12]采用Sta-MPS軟件對峰峰礦區某礦老采空區地表進行了形變監測,獲得了該礦老空區的地表沉降信息,進而掌握了老空區地表下沉規律。王劍等[13]采用DInSAR(TSS-DInSAR)方法,獲取某煤礦部分注漿充填的地表時序下沉速率、時序累積沉降信息,分析了采區地表動態沉降規律,并利用實測水準數據進行了相關的精度驗證與回歸分析。劉澤洲等[14]基于多閾值目標提出了一種SBAS-InSAR法來監測礦區地表沉降,將該方法與原用的SBAS-InSAR一并應用到實踐中,獲取了該區地表沉降監測結果并進行了時序分析驗證。鄭野風等[15]基于目標平面方程和攝像機視場偏轉角,提出了攝像機與激光融合的監控方法,并建立了像素坐標轉換方法,實現了研究目標地表沉降的自動監測。李想等[16]利用UDEC軟件,并基于微震及地表沉降監測數據對地表沉降和采煤覆巖移動進行了數值模擬,為礦區地表沉降預測提供了有益參考。孫世國等[17]分析了不同采區地表移動變形規律,并采用有限元方法進行數值模擬研究,得出了地表沉降與水平位移值,計算出相應的變形值,進而預測了移動角及地表移動變形影響范圍。

綜上分析可知,基于PSInSAR技術對礦區沉陷的研究大多應用于煤礦,對于鉛鋅礦采空區上方地表沉降的研究涉及較少,加之傳統監測手段存在成本高、監測范圍有限等不足,難以滿足礦區的實時監測需求[18]。本研究以平南錫基坑鉛鋅礦為例,采用PSInSAR技術對采空區上方地表沉陷進行數據提取與分析,獲得地表形變場,分析地表形變規律,為地表沉陷變形評估分析提供參考。

1 PSInSAR原理與數據處理

1.1 PSInSAR技術原理

PSInSAR是根據同一地區不同時刻多幅原始圖像(一般采用10～30幅圖),針對所研究區域地表的N+1幅SAR(Synthetic Aperture Radar)圖,得到N幅干涉圖,利用DEM(Digital Elevation Model)數據對地形進行相位去除,最終得到N幅差分干涉圖[19-20]。

假設像元在圖像中的相位為

式中,Rn為地面目標的傾斜距離,m。

因此,差分處理后得到的相位為

式中,θ為入射角,(°);λ為雷達波長,m;為有效空間基線,m;δH為修正過后的高程,m;h為地表沉降量,m;φnA為大氣貢獻的相位,(°);ξn為噪聲產生的相位,(°)。

式中,φn-res為殘留相位,(°);tn為干涉相對時間,s。若對相鄰的永久散點進行差分計算,能夠減掉因天氣原因導致的誤差相位得到任意i,j兩點的相位:

對上式進行差分,能夠得到相位的差分方程:

通過上述推導可知,當已知兩個相鄰的永久散射體點位的沉降速率差值Δθ和修正后的高程差值ΔδH,并且當φn-res＜π時,可以得到相位差分值Δφn,進而得到地表變形值。

1.2 PSInSAR技術的數據處理流程

PSInSAR技術數據處理總體流程如圖1所示。具體步驟為:① 從研究區域的SAR影像中選取一幅效果較為完美的影像作為主影像,通過選取的主影像對其余SAR影像進行標準化處理,建立主-從數據對,進而獲得N幅干涉圖。② 利用外部的DEM數據進行配準和干涉圖生成。③ PS反演,從影像中識別出一定數量的PS目標點,分析可靠點的歷史相位,反演得到地表沉降速率。隨即進行二次反演,計算大氣相位的影響,得到最終變形相位。④ 將反演得到的最終變形相位、連同累積相位和每個周期的變形量投影到制圖坐標系,處理得到最終變形量。

圖1 PSInSAR技術數據處理流程Fig.1 Data process flow of PSInSAR technique

2 工程概況及數據處理

平南錫基坑鉛鋅礦位于廣西貴港市,錫基坑面積1.65 km2,礦區位于蓮花山山脈山前盆地,盆地北部為蓮花山山脈,底部為盆地內平坦開闊平原,海拔4 000 m左右,盆地東西寬10 km。礦石主要包括閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦等,具有“高低”的典型特征。礦體圍巖以白云石為主,伴有方解石、泥巖等,局部伴有少量黃鐵石。

本研究試驗數據選取15幅高分辨率影像,影像的獲取時間為2018年4月16日-2019年3月8日,影像來自于美國宇航局航空飛機測圖任務(SRTM),影像分辨率為90 m,同時進行DEM相位去除。影像相應的參數取值見表1。

表1 影像參數Table 1 Image parameters

綜合考慮圖像效果、時間和空間因素,最終決定選取2018年9月29日的影像為主影像。利用GAMMA軟件對其他14幅影像與主影像進行配準,隨即生成干涉圖,然后進行差分處理,生成差分圖像。

利用StaMPs軟件進行PSInSAR處理,處理過程中設置離差指數為0.4,通過迭代計算,設置收斂條件為迭代差值γx小于5‰,同時設置可接受的噪聲點密度為18 km2,選取PS點,利用解纏相位值反演平均變形速率,結果如圖2所示。

圖2 監測點變形速率反演結果Fig.2 Inversion results of deformation rate of monitoring points

3 PSInSAR計算結果分析

3.1 地表下沉量

每間隔24 m取礦塊地表主斷面上方的下沉量信息,在去除因地表植被影響的異常點后,給出計算結果如圖3所示,同時利用開采沉陷預計軟件(MSPS,基于概率積分法建立的地表預測軟件)對結果進行預測。由圖3可知:下沉曲線近似符合MSPS預測結果,證明了PSInSAR技術在預測地表沉降方面的可靠性。經過計算,得到下沉系數為0.01,影響正切值為1.55,影響傳播角為76°,拐點偏移距S左=3.35 m,S右=4.65 m。

圖3 SAR提取的地表下沉量與MSPS預測結果對比Fig.3 Comparison between SAR extracted surface subsidence and MSPS prediction results

3.2 地表下沉速率

繪制的地表下沉速度曲線如圖4所示,其中0時刻表示2018年4月16日。由圖4可知:礦塊采出后,各個礦塊上方地表的下沉規律基本一致,下沉速度均小于0.8 mm/d,在觀測時間段內下沉量超過了35 mm,下沉速率呈現一定的周期性變化,顯然這與礦塊采出后的上方巖體移動有關。礦塊采出后,上方巖層彎曲變形,隨著應力場的調整,逐漸達到一個平衡狀態。進一步開采下一個礦塊,應力重新調整,進一步活化,繼續下沉。從時間的周期可以看出,第一個波動周期的時間間隔為35 d左右,第二次波動時間間隔為48 d,說明隨著巖體逐漸穩定,采空區沉降逐漸達到穩定狀態。

圖4 地表下沉速度隨時間變化特征Fig.4 Variation characteristics of surface subsidence speed with time

對測點的下沉量數據進行了統計,結果見表2,根據現有研究可知,最大下沉速度一般與礦塊厚度成正比,由于礦體厚度較大,采出后向上導通的裂隙隨之增大,向采空區壓縮范圍增大,最終導致地表下沉量增大。根據表2中數據,得到地表最大下沉量與礦塊開采厚度關系的經驗公式為

表2 礦塊開采后的下沉速度與下沉周期Table 2 Subsidence speed and subsidence period of ore block after mining

式中,Vm為峰值下沉速度,mm/d;M為礦體厚度,m。

對最小波動周期進行擬合得到:

式中,Tmin為最小波動周期,d;H為礦體埋深,m;c為開采速度,m/d。

3.3 地表盆地底部下沉演化

取地表盆地底部5個觀測點位移隨時間的變化數據繪制的變形曲線如圖5所示。由圖5可知:各監測點下沉值之間略有波動,但整體規律一致,開挖后,隨著頂板彎曲、垮落,逐漸傳遞至地表,呈現起始時刻下沉緩慢,隨后下沉變快。隨著應力調整,逐漸趨于穩定,下沉逐漸放緩,最終達到穩定。

圖5 地表盆地監測點下沉演化特征Fig.5 Variation characteristics of the monitoring points in surface basin

4 結 語

基于PSInSAR技術對平南錫基坑鉛鋅礦采空區上方地表沉降進行了監測,并結合監測結果對于礦區沉降規律進行了分析,對礦區后續沉陷監測分析及災害防治有一定的參考價值。