基于D-InSAR技术的金矿老采空区下沉监测与位置反演_王远坚.pdf

基于D-InSAR技术的金矿老采空区下沉监测 与位置反演 王远坚 1 齐麟 1 姜岳 2 袁鑫 1 李鹏宇 3 徐永梅 11 （1. 山东科技大学测绘科学与工程学院， 山东 青岛 266590； 2. 中国矿业大学环境与测绘学院， 江苏 徐州 221116； 3. 中国矿业大学 （北京） 地球科学与测绘工程学院， 北京 100083） 摘要为合理回收黄金资源， 山东某黄金矿山对部分浅部老采空区残留的矿体进行了再次开采， 重复采动 破坏了地层的应力平衡状态， 引起了老采空区 “活化” ， 导致地表发生移动变形， 对地面建 （筑） 物带来了损害影响。 为控制地表下沉危害， 需要对 “活化” 的老采空区进行注浆处理， 从而有必要准确确定 “活化” 采空区的位置。利用 地表下沉信息反演 “活化” 采空区位置， 结合合成孔径雷达差分干涉测量技术 （Differential Interferometry Synthetic Aperture Radar， D-InSAR） ， 运用ALOS-1卫星和哨兵1A卫星数据提取了该矿区部分时间段的下沉量分布信息， 并 将D-InSAR监测结果与前期水准实测数据相结合， 分析了矿区下沉的变化规律， 确定了岩层移动参数， 反演出了 “活化” 采空区的位置。研究表明 该矿区下沉活动仍在发生， 但下沉速率明显放缓， 2007年以后采取的充填治理 方案效果显著； 尽管金矿开采地表下沉量较小， 应用D-InSAR技术仍然能够快速获取下沉信息， 可进一步根据地表 下沉信息反演 “活化” 采空区的具体位置。研究结果可为矿区采用D-InSAR技术监测地表沉陷以及反演矿井地下 开采空间的动态发展过程提供有益参考。 关键词开采沉陷老采空区D-InSAR监测采空区位置反演 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-068-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910011 Subsidence Monitoring and Position Inversion of Old Goaf in Gold Mine Based on D-InSAR Technique Wang Yuanjian1Qi Lin1Jiang Yue2Yuan Xin1Li Pengyu3Xu Yongmei12 （1. College of Geomatic and Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， China； 2. School of Environment Science and Spatial Inatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 3. College of Geoscience and Surveying Engineering， China University of Mining Technology（Beijing） ， Beijing 100083， China） AbstractIn order to recover the gold resources reasonably， some residual orebodies in the old goaf in the shallow part of a gold mine in Shandong Province have been mined repeatedly.The repeated mining has destroyed the stress balance state of the strata， “activated“ the old goaf and resulted in the moving deation of the surface， which brings large damage to the buildings and structures on the surface.In order to control the surface subsidence damage， the “activated“ old goaf needs to be treated by grouting， so it is essential to determine the position of the “activated“ goaf.By using the surface subsidence ina- tion， the location of the “activated“ goad can be reversely deduced.The D-InSAR（differential interferometry synthetic aperture radar）technique， combining with the data of ALOS-1 and Sentinel-1A satellites， is adopted to extract the mining subsidence distribution at part of time.With integration of D-InSAR monitoring results and the previous measured data， the change law of mining subsidence are analyzed to determine rock movement parameters and deduce the location of “activated“ goad.The study results illustrate that the subsidence is still happening in this gold mine， but the subsidence rate is obviously slowed down， the filling treatment scheme adopted after 2007 has a significant effect； although the mining surface subsidence of gold mines is rel- atively small， D-InSAR can quickly obtain the subsidence ination， and accurately deduce the specific location of “activat- ed“ goaf based on the surface subsidence ination.The above study results can provide reliable reference for monitoring min- ing subsidence and inversely deducing the dynamic development process of underground mining based on D-InSAR technique. 收稿日期2019-09-05 作者简介王远坚 （1995） ， 男， 硕士研究生。通讯作者徐永梅 （1964） ， 女， 高级实验师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 68 ChaoXing KeywordsMining subsidence， Old goaf， D-InSAR， Inversion of goaf location 矿山开采易导致地面下沉， 使地面形成下沉盆 地， 位于下沉区的人工建 （构） 物会被破坏， 不仅会危 害人民生命安全， 而且会造成大量经济损失。随着 国民经济发展， 黄金矿山开采范围与强度不断增大， 开采影响在地表显现， 使得地表产生了连续或非连 续的移动变形现象 ［1-2］。为确保矿区安全开采， 须对 开采沉陷进行监测， 研究地表移动变形规律， 为控制 地表沉陷变形提供可靠依据 ［3-6］。传统监测方法主要 采用经纬仪、 全站仪等设备进行监测， 获取的是离散 点数据， 不仅大量消耗人力、 物力， 而且工作效率较 低。相对于传统监测手段， D-InSAR技术具有全天 时、 全天候、 高精度等特点， 被大量应用于冰川运动、 滑坡、 地面下沉等监测中， 该技术能对目标区域进行 连续空间覆盖观测， 获取雷达视线向变形量 ［7-9］。在 矿区监测应用中， D-InSAR技术因其监测范围大、 空 间分辨率高等特点在煤矿下沉监测应用中取得了巨 大成功。与煤矿开采相比， 大部分金属矿开采方式 不同、 开采范围小、 下沉量小， 导致D-InSAR技术在 金属矿开采监测中应用较少。近年来， 越来越多的 研究者将该技术引入到金属矿开采监测中 ［10-11］。本 研究采用ALOS-1卫星和哨兵1A数据， 应用D-InSAR 技术对某金矿进行地表下沉监测， 结合水准测量数据 分析矿区下沉的变化规律， 进而反演采空区位置， 为 金属矿山地表下沉控制与治理提供可靠依据。 1研究区概况 山东某黄金矿山于1975年建矿， 采用边采边探 的开采方式， 残留了大量采空区和部分未采贫矿体。 由于对部分浅部老采空区进行不充填多中段同时回 采， 主要回釆老采空区残留的顶、 底、 间柱及下盘残余 矿体 ［12］， 引起了老采空区 “活化” ， 导致地表发生了移 动变形。浅部老采空区平均采深60 m， 在浅部开采影 响区的竖井、 井口房、 井壁都出现了不同程度的裂痕， 山体出现较大的塌陷坑， 且塌陷坑与老采空区连通， 地表出现了较大裂缝 （图1、 图2） 。为探测老采空区 的赋存情况， 矿山采用多种技术手段进行了探测， 同 时在地面布设了地表移动观测站， 如图3所示。 该矿区属丘陵地貌单元。矿体以含黄铁矿化蚀 变岩型矿石为主， 其次为含金黄铁矿化石英脉型， 一 般较坚硬、 稳固 ［13］。矿体顶底板岩石主要由绢英岩 化花岗岩、 硅化花岗岩和绢云母化红化花岗岩组 成。矿井蚀变带产状稳定， 倾向NW， 倾角约55。蚀 变岩主要为黄铁绢英岩、 绢英岩、 黄铁绢英岩化花岗 岩， 硅化花岗岩较少， 蚀变带宽度一般为5～15 m ［12］。 20012007年， 矿区共进行了35次水准观测。 2D-InSAR技术测量原理及数据来源 2. 1D-InSAR技术测量原理 D-InSAR技术是通过对同一地区的两幅干涉图 像 （一幅是通过变形事件前的两景SAR影像获取的 干涉图， 另一幅是通过变形事件前后两景SAR影像 获取的干涉图） 进行差分处理， 来获取地表微量变形 的测量技术 ［14-16］。根据重复轨道影像数目的不同， D- InSAR技术可分为二轨法、 三轨法和四轨法。本研究 2019年第10期王远坚等 基于D-InSAR技术的金矿老采空区下沉监测与位置反演 69 ChaoXing 以二轨法为例分析D-InSAR技术测量原理。 二轨法是利用两景分别于变形前后获取的SAR 影像组成干涉对生成干涉图， 再根据研究区的不含 变形相位的外部数字高程模型 （DEM） 模拟地形相位 的条纹图， 通过从干涉图中去除利用已知DEM反演 的地形相位信息， 从而计算出地表变形信息。在重 复轨道情况下， 干涉图相位φ可表示为 ［17-19］ φφflatφtopoφdefφorbitφatmφnoise， （1） 式中，φflat为平地效应相位， 可通过对基线长度进行 精确解算去除；φtopo为地形相位， 可通过外部DEM模 拟去除；φorbit为轨道误差形成的相位， 可以利用两次 观测影像的精密轨道数据消除；φatm、φnoise分别为大 气延迟相位和噪声引起的相位， 可以通过滤波方法 在一定程度上去除， 分离出所需的变形相位φdef， 再 经过相位解缠、 相位高程转换、 地理编码等过程得到 变形量。 2. 2试验数据来源 本研究试验选取的数据分别为ALOS-1卫星搭 载的PALSAR传感器获取的SAR影像和哨兵1A卫星 获取的SAR影像。SAR影像数据参数如表1所示。 试验采用的覆盖研究区的外部参考 DEM 数据是 SRTM DEM分辨率为30 m的地形数据。 3D-InSAR数据处理及结果分析 3. 1D-InSAR数据处理 D-InSAR技术二轨法数据处理时采用两景SAR 影像作为主辅影像， 进行差分干涉处理， 利用外部 DEM消除地形相位。二轨法数据处理流程如图4所 示 ［20］。数据处理过程中共有3个干涉对， 干涉对参数 如表2所示。 试验借助SARscape软件对影像数据进行差分干 涉处理， 得到研究区的雷达视线向下沉变形如图5、 图6所示。 由图5可知 矿区下沉区域分布广泛， 在这一监 测时段内下沉量较大， 最大下沉量达103 mm， 矿区正 处于一个下沉活动活跃的时期。 由图6可知 与2007年相比， 2017年该矿区下沉 仍在持续， 但下沉区域更加集中， 下沉盆地明显， 下 沉量减小， 下沉速率正在放缓。 3. 2结果分析 根据前期3条水准观测线的实测数据， 在ArcGIS 软件中提取了观测点对应像元的D-InSAR监测变形 值， 并将D-InSAR监测结果与水准结果相比较， 结果 见图7～图10。 由图7～图9可知 D-InSAR监测与水准测量所体 现的地表变形趋势总体一致， 表明D-InSAR技术在 下沉区域范围定位方面有较高的可靠性。由图10可 知 4、 5、 12、 13、 20、 21、 227个点误差较大， 也是 金属矿山2019年第10期总第520期 70 ChaoXing 下沉量最大的7个点； D-InSAR监测与水准监测误差 最小为 1 mm， 误差最大为 80 mm， 中误差为 20.08 mm。对图10进一步分析可知 下沉量较小的15个点 的D-InSAR监测值与水准值吻合较好， 误差最小为 1 mm， 最大为8 mm， 中误差为3.69 mm， 说明本研究 将D-InSAR技术应用于该矿区下沉监测时， 下沉量 较大的区域误差较大， 在下沉量较小的区域具有较 高的可靠性。 4采空区位置反演 上述试验反映出D-InSAR技术在下沉区域范围 定位方面具有较高的可靠性， 本研究进一步利用该 技术定位下沉盆地边界， 进而结合前期实测资料获 得的边界角信息反演开采边界位置及采空区体积。 在地表移动盆地内， 通过地表最大下沉点所作的沿 矿层走向或倾向的垂直断面即为地表移动盆地的主 断面 ［21-22］。如图11所示， 根据地表移动参数， 可计算 出采空区面积S ■ ■ ■ ■ ■ S ab cosα alAB-2h0cotφ-2h3cotδ0 blCD-2h0cotφ-h1cotγ0-h2cotβ0 ， （2） 式中，a为矿体沿走向长度， m；b为矿体沿倾向长 度， m；α为矿体倾角，（） ；lAB、lCD分别为下沉区域 沿走向和倾向的长度， m；h0为松散层厚度， m；h1、 h2、h3为松散层到采空区边界的最短距离， m；φ为 松散层移动角，（） ；δ0为走向边界角，（） ；γ0为上山 边界角，（） ；β0为下山边界角，（） 。 根下式可计算出采空区中心偏离盆地中心的距 离d d[ ] h0h1h22 cotθ，（3） 式中，θ为最大下沉角，（） 。 如图12所示， 在干涉对3的下沉场中分别沿a、 b两条线提取了该区域的下沉剖面 （图13） ， 其中，a 线为沿倾向方向，b线为沿走向方向。 根据该区域地质开采条件， 相关参数取值为 矿 体 倾 角 α 55 ， 平 均 采 深 H60 m， 走 向 边 界 角 δ061， 上山边界角γ046， 下山边界角β068， 松散层移动角φ45， 最大下沉角θ80。 根据相关实测资料，h0、h1、h2、h3分别为10、 20、 80、 50 m，a、b两条剖面线横轴反映的下沉区域 2019年第10期王远坚等 基于D-InSAR技术的金矿老采空区下沉监测与位置反演 71 ChaoXing 沿走向长度lAB为 120 m， 沿倾向长度lCD为 110 m。 结合综合边界角值、 采深可以估算出沿矿体走向和 倾向的开采长度为44.57 m和38.36 m， 采空区面积为 2 980.78 m2， 采空区中心偏离盆地中心的距离d 10.58 m， 为确定老采空区 “活化” 位置提供了可靠依 据。 该矿区于 20012007 年进行了 35 次水准测 量。通过前期实测数据计算出的下沉盆地每月体积 变化量如表3和图14所示。 由图14可知 该采空区上部的下沉盆地在2003 年及以前下沉体积变化较小， 相对稳定； 2004年以后 下沉体积变化速度增大， 说明从这一时期开始对部 分浅部老采空区进行不充填多中段同时回采， 引起 了老采空区 “活化” ， 加剧了地表移动变形程度， 导致 地表发生了移动变形； 2007年回采结束， 2007年以后 对采空区进行了充填治理， 20082017年期间由于 卫星数据覆盖等因素导致可用于该矿区监测的数据 缺失； 2017年8月11月该区域下沉盆地体积变化 约13 m3/月， 远小于20012007年的下沉盆地体积变 化速率， 2007年以后矿山采取了全尾砂充填采空区 的治理措施， 地表下沉量显著减少， 地表下沉得到了 有效控制。 5结论 （1） 采用D-InSAR技术， 运用ALOS-1卫星和哨 兵 1A 数据提取了山东某黄金矿区 2007-01-07 2017-11-02的下沉场， 并将D-InSAR监测结果与实 测水准数据进行了对比分析， 认为应用D-InSAR技 术监测金矿地表下沉的动态演化趋势具有可行性。 （2） 利用哨兵1A数据对2017年811月某金矿 区的地表下沉情况进行了监测， 通过提取的下沉场 反演了工作面开采边界、 采空区中心位置及采空区 体积， 通过与前期实测数据估算的采空区体积变化 情况进行比较， 发现2017年811月采空区体积向 上传递的速度明显放缓， 验证了矿区在2007年以后 采取的治理方案效果较好。 （3） D-InSAR技术相对于传统的监测手段具有 全天时、 全天候、 成本低等优势， 为监测矿区开采下 沉和反演矿井地下开采空间的动态发展过程提供了 技术方法。 参 考 文 献 何国清， 杨伦， 凌赓娣， 等.矿山开采沉陷学 ［M］ .徐州 中国矿 业大学出版社， 1991. 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