礦山采空區地面塌陷地質災害預測及其防治方案研究

鐘星海，王凱賓，溫軍軍，杜文磊

（湖南省地質災害調查監測所，湖南 長沙 410000）

金屬礦產資源的開發與利用是社會經濟和科學技術發展的基礎，但是資源的開發與利用不可避免的對礦區周邊的生態環境造成一定的損傷，導致礦山區域地質災害頻發，嚴重的威脅著礦山的安全生產。采空區塌陷是礦山地質災害中常見的一種類型，是由于資源的不合理開發導致采空區受力而出現變形、甚至破碎，進而引起地面塌陷[1]。因此，如何預測礦山采空區地面塌陷災害及有效治理是當前亟待解決的問題。隨著監測技術的不斷進步，以合成孔徑雷達差分干涉測量技術（D-InSAR技術）為主的監測技術逐漸應用于礦山地面塌陷形變監測中，并取得了良好的應用效果。基于此，本文以某金屬礦山采空區地面塌陷監測為例，分析該技術在地面塌陷預測方面的應用，并為治理方案的編制提供依據。

1 D-InSAR形變監測技術概況

采礦活動導致地球淺表層的某個區域被挖孔，使得采空區周邊的受力狀態發生明顯的變化，即上覆巖體的靜壓力及采空區周邊的側向壓力均使得上覆巖體及周邊巖體向采空區運移，當巖體的抗壓強度小于上覆巖體的靜壓力及側向巖體的擠壓力時，使得采空區頂板巖體逐漸彎曲變形，甚至使得巖體破裂，進而引起地表塌陷。因此，地面塌陷是地殼淺表層高程變化的一種形式，所以可以利用高分辨率影像數據生成的干涉相位圖區分地表的微小沉降形變信息，進而達到地面塌陷預測的目的[2]。D-InSAR形變監測技術在影像數據處理中最為常用的是二軌法，該方法是以一對變形前和變形后的SAR影像數據為基礎，經過干涉處理后獲得監測區域包含了形變信息和地形信息的干涉相位圖，進而利用高精度的DEM數據模型進行反演，提出地形相位等干擾信息后，最后獲得某一監測區域的地表形變信息。因此，可以借助D-InSAR技術對礦山采空區地面塌陷形變進行預測。

2 采空區地面塌陷形變預測

2.1 研究區基本概況

研究區地形地貌變化較大，屬于高山峽谷地貌。開采礦床為矽卡巖型銅鉛鋅多金屬礦床，開采方式以硐采為主，其中礦區北西側礦體埋深較淺，以露天開采為主；礦區中部區域以及東部區域礦體埋深較深，以硐采為主。由于近些年的采礦活動，在礦區中東部區域形成了大量的采空區，為防止地面塌陷問題，使用D-InSAR技術對礦區地表形變進行了監測，使用影像數據為礦山開采前的ASAR影像數據及現階段的ASAR數據。

2.2 數據處理及相位濾波

本文對影像數據的處理采用常見的二軌法，以精密星歷數據以及相干系數配準，對礦區地形相對較為平坦的區域以條文率進行精估計。完成影像數據的配準后結合礦區高精度的DEM數據模型進行相位模型。將轉換后的相位干涉圖剔除地形信息等獲得去地形的干涉相位，進一步進行差分處理，處理后的影像數據包含了監測區域的地表沉降信息，且包含了大量的噪聲相位[3]。因此，在研究礦區地表形變規律之前，需要將冗余的噪聲相位剔除，即進行差分干涉相位的相位濾波處理。

2.3 相位解纏及地理編碼

相位解纏是礦山采空區形變量分析的基礎，因此，本文對進行差分干涉相位的相位濾波處理后的相位進行解纏，解纏方式采用最小費用流法。最小費用流法可以有效地降低影像中的模糊問題。解纏后的相位進一步借助GAMMA軟件中數據配準換算關系等解算出不同解纏點的形變量信息，再對礦區監測區域進行地理編碼信息的采集，就可獲得礦區的地表形變規律分布圖（圖1）。

圖1 某礦山采空區地面沉降形變分布圖

3 地面塌陷預測及防治方案

3.1 沉降形變監測結果

將解纏后的礦區沉降形變信息導入至MAPGIS制圖軟件中，增加相應的圖框以及地理信息等，對圖件進行整飾處理，就可獲得礦區的地面沉降形變分布圖（圖1），進而在該圖中獲取礦區的沉降范圍、沉降面積以及沉降量等信息。由圖1可知：礦山地面塌陷沉降范圍與礦區深部的采空區分布范圍高度吻合，主要分布在礦區中東部的采空區范圍內，在垂向上與采空區一一對應；礦區西部區域以露天開采區域的地面未見明顯的沉降信息。

根據礦山采空區地面沉降形變分布圖可知：礦山最大沉降量位于礦區東部區域，沉降量可達-98mm，礦區總沉降形變面積可達2.4km2；其中，形變量大于-50mm的區域可達0.42km2，形變量介于-50mm～-25mm之間的面積為0.83km2；形變量小于-25mm的面積約為1.15km2。為了進一步研究礦山采空區地面塌陷沉降形變特征，垂直沉降長軸方向進行了沉降剖面研究（圖2）。由圖2可知：在垂向上，礦山采空區地面塌陷沉降形變具有“U”型分布規律，其最大沉降范圍與礦山的采空區中心高度吻合，且沉降量從中心向兩側逐漸減小，并具有對稱變化的關系。

圖2 研究區沿走向方向沉降剖面圖

3.2 形變監測精度對比

為了對比形變監測精度，本文收集了礦區的5個全站儀監測點的累計形變量，數據見表1。由表1可知：使用D-InSAR技術所獲的礦山沉降量與全站儀累計形變量的誤差百分比小于5%，說明本文所選的監測方法是合理。

表1 D-InSAR監測結果與全站儀監測結果對比表

3.3 防治方案

根據礦山采空區地面塌陷分布規律以及深部資源開采狀況，對采空區的治理提出如下治理方案：

（1）支護。支護主要有兩個方面：一是礦柱的重新規劃，結合礦體頂板巖層的物理力學性質及上覆巖體厚度等，增加礦柱的直徑以及密度；二是采用支護方式，對采空區范圍較大的區域進行加固支護，增加礦體頂板巖體的抗壓力。

（2）回填。對采空區及時進行回采處理，采用“邊回填邊回采”的方式進行，能夠有效地增加采空區的抗壓力，進而減緩上覆巖層的形變速率。

4 結語

綜上所述，礦山采空區地面塌陷災害是礦山資源開發利用過程中的負面影響，如何消除或者控制地面沉降塌陷問題是礦山安全生產的基礎。因此，加強礦山采空區地面塌陷形變監測是有效降低安全事故以及提前預防塌陷災害的基礎。本文利用D-InSAR技術對某金屬礦山進行監測，在礦山地面塌陷沉降監測方面取得了良好的應用成效。