區域礦山地質災害監測技術研究與應用

張海龍

（北京市地質礦產勘查開發局，北京100195）

0 引言

礦山地質環境指以礦產資源開發為主導，不斷改變所在的巖石圈表層的自然環境，并與大氣圈、生物圈、水圈等進行物質和能量交換的相對獨立的環境系統。以礦山環境地質問題導致結果作為劃分的依據，礦山地質環境可劃分為生態破壞、環境污染和地質災害3種表現形式（徐友寧等，2003），其中尤以地質災害更為嚴重，威脅著資源的開采和人民的生命財產安全。礦山地質災害主要包括采空區地面沉（塌）陷、山體開裂、滑坡、崩塌、泥石流等。

我國礦產資源豐富，開發的歷史也十分悠久，同時也是礦山地質災害多發的國家，災害分布范圍廣，引起的損失嚴重，影響大（趙永久，2008）。北京山區的礦山開采已經有數百年歷史，由于之前礦山開采單位生態環境保護意識淡漠，“重開發、輕保護”，過分追求經濟效益忽略保護與治理，是造成礦山災害持續多發的根本原因。北京市地質工程設計研究院2012年至2015年的實地調查共發現了69處崩塌隱患，3處滑坡，13條泥石流隱患溝，采空塌陷形成的地面塌陷41處，地裂縫10處，主要集中在房山、門頭溝等煤礦采集區，多為突發性災害（賈三滿等，2008）。圖1展示的是在門頭溝王平鎮西馬各莊發現的采空塌陷坑及部分房屋開裂現象。

目前北京市出臺了有關環境建設的規劃和政策，強化了行政力度，關閉了大量的礦山，加大了礦山環境治理的投入，但仍有大量的礦山尚未治理。提高對礦山災害事故監測預警的效率逐漸成為亟待解決的重大技術問題之一。針對北京市礦山地質環境問題，開展應用現代形變監測技術的可行性研究，對人民生命財產和重要基礎設施產生重大影響的采空塌陷區開展監測，通過數據分析，確定采空塌陷區形變的發展趨勢，能夠為采空塌陷監測示范工程建設做好前期的勘查選址工作，為北京市礦山地質災害監測預警預報系統的建設提供可行方法和技術支撐。

圖1 門頭溝王平鎮西馬各莊采空塌陷坑及引起的房屋開裂Fig.1 The collapse pit and the house cracking of the West Ma Zhuang village, Wang Ping Town, Mentougou

1 監測技術路線

地質災害監測的主要目的是獲得在時間上連續的空間變形數據，預測災害發生的時空變化趨勢并推斷其誘發因素，最終達到災害預測預防的結果（韓子夜等，2005）。監測礦山地質災害的主要方法是變形監測，分為地表變形和深部變形監測兩類。前者包括傳統的大地測量技術、GPS測量技術以及衛星遙感技術等，后者有鉆孔傾斜法、側縫法和地下應力法等（董穎等，2002）。常用的策略是將地表監測和地下監測技術相結合，對礦區進行多方位、實時地一體化監測，技術路線見圖2。

圖2 礦山地質災害監測技術路線Fig.2 The technical route of mine geological hazard monitoring

本文著重介紹在礦山地質環境監測中有非常大應用前景的合成孔徑雷達干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar -InSAR）技術和微震監測技術。前者是近些年來新興的，基于衛星雷達影像的地表形變監測技術，與傳統水準測量相比它的優點是能節省大量成本，方便迅速（處理影像時間），覆蓋范圍大，空間分辨率高（最高優于1m），形變識別精度高（可達毫米級）（Ferretti et al，2001）。微震監測技術主要是通過觀測分析生產活動中產生的微小地震事件來監測可能發生的災害。兩種技術相結合，能形成從地上到地下，宏觀到微觀全方位的立體監測體系。

2 InSAR技術

SAR是衛星遙感中重要的對地觀測手段之一，具有成像范圍廣，成像視角可變等優點，與光學遙感相比，SAR影像不受光照和天氣的影響，能夠全天候成像。20世紀70年代，InSAR技術發展并逐漸成熟，利用兩次覆蓋同一區域的雷達回波信號生成復干涉條紋圖，基于成像時天線與地面目標的幾何關系（如衛星高度、入射角等），進一步提取地面的高程信息和形變信息（郭華東，2001）。獲取形變的技術又具體可分為傳統DInSAR（DifferentialInSAR） 和 MTInSAR（Multi-TemporalInSAR）技術，后者采用時間序列SAR影像，通過提取穩定高相干點并有效去除大氣、地形等誤差，進而能夠獲得毫米級形變信息。

2.1 SAR 數據選擇

隨著星載SAR衛星的不斷發射，各種傳感器的影像大量積累，可利用數據的選擇是InSAR處理能否成功的關鍵。目前，由于其技術參數及商業化的運作方式等差異，使得SAR衛星數據使用的效果差別較大。常用于InSAR技術的數據及其參數匯總如表 1（Wasowski et al，2014）。

目前最常用的SAR影像有C波段的RADARSAT和Sentinel-1，L波段的PALSAR，以及X波段的COSMO-SkyMED和TerraSAR。從波段特性來看，L波段能穿透植被，兩幅圖像的相干性通常較高，干涉圖像的質量也最好，而且能探測到較大的形變信息，最適合于礦山地質災害的監測；X波段的分辨率最高，對地表形變也最敏感，但受地表植被干擾較大，適合于裸露礦山精細形變的反演；C波段是介于L和X之間的選擇，即容易受植被覆蓋的干擾，又容易因為變形較大而失相干。從經濟成本來看，Sentinel和ENVISAT完全免費，可以通過開放渠道獲 得， 而PALSAR、TerraSAR和COSMO-SkyMED則非常昂貴，成本極高。

表1 InSAR技術常用數據及參數匯總Tab.1 Summary of data and parameters commonly used in InSAR technology

2.2 InSAR數據處理

常規DInSAR數據的處理流程如圖3所示，主要包括配準、干涉圖生成、去平地效應、去地形相位、濾波、相位解纏和形變反演等。MTInSAR技術的流程更為復雜，除了包括DInSAR的基本步驟外，還包括提取監測點、選擇干涉對、大氣相位去除和時間序列形變值反演等。本節著重介紹圖3中所展示的基本流程。

圖3 InSAR數據處理流程圖Fig.3 The flow chart of data processing of InSAR

（1）圖像配準與生成干涉圖

配準就是將不同時間和不同條件下（天候、照度、攝像位置和角度等）同一傳感器獲取的兩幅或多幅圖像進行匹配、疊加的過程。分為粗配準和精配準兩種，前者是利用衛星軌道參數計算影像之間在距離、方位向的偏移量，后者是要建立主輔影像各像素之間坐標映射函數，然后對輔影像進行坐標變換、插值和重采樣。InSAR要求采用精配準，精度通常要求達到0.2個像元。Sentinel因為采用特殊的成像模式，配準精度要求達到千分之一個像元。經過精確配準的兩幅單視復數影像，對應位置的像元進行復共軛相乘，即可得到復干涉圖，其對應相位即為兩幅原SAR復影像的相位之差。

（2）去平地和地形相位

此時干涉相位Δ?主要包含以下各成分：

其中?f l at是平地相位，由雷達側視成像機制和天線幾何特征引起的，隨斜距遠近而規律變化；?topo為參考地形面所對應的相位；?def為地表形變所產生的干涉相位；?noise包含大氣相位延遲和其它噪聲相位。平地相位消除辦法是先采用參考地球曲面和干涉基線模型進行模擬，然后從原始干涉圖減去該相位當量。地形相位可以用外部數字高程模型（DEM）進行模擬去除，最常用的為Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) DEM，分辨率有90m和30m兩種。用PALSAR數據生成的一個礦區干涉圖，去除平地和地形相位后如圖4所示。

圖4 礦區的纏繞干涉圖Fig.4 The entanglement interferogram of mining area

（3）相位解纏

干涉相位值的范圍是[-π，π)，俗稱纏繞相位，喪失了相位的2π整數倍信息。為了反演視線向的地表形變，必須解決2π整數倍相位的問題，這個過程稱為相位解纏。解纏方法有路徑跟蹤法和最小二乘法兩類，現在最常用的被稱為最小代價流法。MTInSAR技術中，基于最小代價流法又衍生出了時空三維解纏法。

3 微震監測技術

微震是指巖體在外界應力作用下，介質中一個或多個局域源以瞬態彈性波的形式迅速釋放其存儲的彈性應變能的過程。微震監測技術（Microseismic Monitoring Technique- MS）是在聲發射學與地震學的基礎上發展起來的一種新型技術，通過對震源特征的分析研究進而預防一些可能發生的礦山工程災害，實現對礦山實時、連續的在線監測。該技術具有遠程、動態、三維、實時監測的特點，其監測結果可實現礦山地質環境的評價及監測預警。

3.1 系統結構

微震監測系統由數據采集、信號傳輸、信號分析等部分組成，通過接收傳感器直接監測巖體結構在外荷載作用下產生破裂過程時所釋放的彈性波。數據采集主要是對傳感器采集到的信號進行放大濾波，數據可以被連續記錄采集，信號傳輸是使用數字濾波處理將經過A/D轉換后的離散信號進行降速后傳輸到PC端，并通過相應的應用軟件進行信號分析。

系統的硬件部分主要包括檢波器（傳感器）、數據采集儀、主機、通訊模塊、太陽能供電系統等，見圖5。硬件部分只需要接收檢波器和數據采集儀，不需要發射傳感器或人工產生震源。根據震源性質、巖體性質及監測點到震源的距離等條件，系統的軟件部分可實時實現微震信號的記錄、特征提取、數據分析判定及動態顯示破裂過程的三維可視化成像技術，并將微地震定位結果直接合成到開拓開采平面圖和剖面圖上，直觀地反映破裂過程與開采過程的關系。

圖5 高精度微地震監測系統結構組成Fig.5 The structure composition of high precision microseismic monitoring system

3.2 微震震源定位的研究

微地震定位監測的精度是決定監測結果能否應用于礦山地質災害區監測預警的關鍵（張飛等，2013）。影響微震震源定位精度的因素較多，目前的研究主要集中在檢波器的布設對定位精度的影響。

檢波器的布設空間、布設距離、測量分量數及與破裂區的相對位置是提高精度的4個重點因素。在實施中參考歷史資料及前期工作數據，盡可能將檢波器布置在可能包含“破裂區”的區域，在滿足測量精度要求下，結合礦山巖體的巖性特征，微震檢波器布置和安裝如圖6所示（逢煥東等，2003），檢波器分別安裝在頂板鉆孔和底板鉆孔中，用來捕捉微震事件產生的波形，能量以及感應應力場分布的變化情況。監測中采用了三分量檢波器，以減少波傳播方向與檢波器方向不一致而造成漏測、滯后激發等產生的誤差。綜合成本及檢測精度等因素，各檢波器間距可設置在在20～100m之間。為減小破裂高度的定位誤差，使用了深度不同的布置方式，檢波器布置在多個平面內。

圖6 微震監測系統安裝結構圖Fig.6 The installation structure of microseismic monitoring system

3.3 微震信號的特征識別

幾乎所有針對微震信號的研究都集中在對數據信號的分析和處理上，數據分析是指地震波處理，確認P波和S波的到達，了解和觀察頂底板的破裂情況和礦山壓力的分布特征并估計地震事件的震源參數，如位置、輻射地震能和非彈性共地震形變。

由于礦山井下的情況比較復雜,干擾信號有很多，因此，現場采集到的數據信號中包含了大量非線性的干擾信號，且這種干擾信號隨著時間、系統工況的不同而變化，它是一種典型的非平穩隨機過程，應首先對包含大量干擾信號的微震數據進行預處理，降低有效信號提取的難度。有效信號的提取及特征識別是微震數據分析的基礎工作。由于使用單一方法難以精確提取特征信號的缺點，深入研究有效信號與干擾信號在振幅、頻率、偏振等屬性方面的顯著差異及高效的特征提取方法是一個亟待解決的檢測問題。

傳統的非平穩信號的時頻分析方法基本可以分為兩類：一類是線性變換方法,也稱核函數分解方法；第二類是非線性變換方法,也稱能量分布方法。對于線譜成分較復雜或呈寬帶分布的信號，由于交叉項數量多，消除難度大，因而非線性變換方法不適用。線性變換方法，常將信號進行短時傅里葉變換、Gabor變換、小波(包)分解等。前兩者是對某時間窗內的信號進行Fourier變換，得到信號在整個頻段內每一個頻率點的分布，其分辨率受限制于不確定性定理，且不能反映非平穩信號統計量的時間特征，只適于分析平穩信號。小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化性質，已被廣泛地應用到信號特征的提取及檢測。傳統的小波包分解是將信號按頻段進行分割，得到在各頻段內信號的分解系數，但其頻帶隔離特性并不好，存在分解頻帶混疊的缺陷，造成無法對信號進行精確的時頻分析，常導致頻帶混疊。

劍橋大學Newland教授于1993年提出具有明確表達式的諧波小波，相比傳統小波，它是一種復小波，具有“盒型”頻域緊支撐性，在頻段上互不相交，可以實現無能量泄露的頻帶分解，并且有基于FFT的快速算法，時頻分析更加靈活，由于對振動信號中幅值變化非常敏感，而且有良好的濾波特性，十分適合特征信號的提取識別分析，因此諧波小波為檢測微震信號提供了新的手段。

4 結論

（1）礦山地質災害監測是個復雜的系統工程，既要充分利用傳統方法，也要充分借鑒先進新興技術，綜合各種技術的優缺點，充分滿足監測工作的需要。InSAR地表形變監測技術與微震深部應力監測技術的結合提供了新的技術手段。

（2）微震監測技術具有廣闊的發展與應用空間，通過大量的理論研究和工程實踐，可實現對微震系統現場布置方案的不斷改進與創新。另外，隨著雷達技術迅速發展，各種高時空分辨率、長波長的雷達衛星相繼發射，相信InSAR技術針對大量級的形變監測能力會進一步提高。

（3）巖體的實際形變狀況較為復雜，由于信號本身具有不確定性、多樣性、突發瞬態性、易受干擾性等特點，這對監測技術在礦山的實際應用造成了一定的限制，仍然需要進行深入研究。相關研究表明，通過對InSAR技術及微震監測軟件中的信號分析、變換、濾波、識別等處理，可提高信號的準確度和利用度。