基于時序InSAR 的小龍?zhí)兜V區(qū)地表形變監(jiān)測預(yù)警

陶 勇，趙建康，楊 溢，袁利偉

（1.云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，云南 開遠(yuǎn) 661699；2.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093）

露天礦山存在工作面滑坡、排土場邊坡滑坡、礦區(qū)地表沉陷等重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確定空間分布，明確其發(fā)展動態(tài)，掌握礦山邊坡風(fēng)險(xiǎn)總體情況，并進(jìn)行監(jiān)測、分析、預(yù)警及預(yù)報(bào)，對礦山安全監(jiān)管有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。小龍?zhí)兜V區(qū)有小龍?zhí)堵短斓V和布沼壩露天礦2 個露天煤礦，從20 世紀(jì)90 年代初期開始，礦務(wù)局投入巨資建立了由地下巖移自動監(jiān)測系統(tǒng)、地面GPS 自動監(jiān)測系統(tǒng)、人工全站儀監(jiān)測系統(tǒng)等構(gòu)成的邊坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)雖然精度較高，但都是預(yù)設(shè)“點(diǎn)”式的、“點(diǎn)”的集合體和接觸式的，且只能做到局部區(qū)域監(jiān)測，不能全面反映整個采場或排土場邊坡變形情況，且在已出現(xiàn)災(zāi)害隱患的區(qū)域以及極端天氣情況下，人員無法進(jìn)入現(xiàn)場測量。因此如何以安全的方式獲取全覆蓋、高密度、高精度的礦區(qū)空間連續(xù)地表位移場數(shù)據(jù)，分析研判邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行預(yù)報(bào)，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前提前撤離人員和設(shè)備設(shè)施，是礦務(wù)局亟需解決的問題。

近年來，時序星載合成孔徑干涉雷達(dá)（MT-In－SAR）因可以獲得滿足上述要求的礦區(qū)沉降分布、沉降量及速率等情況，為礦區(qū)的合理開采和可持續(xù)發(fā)展提供了較好的技術(shù)支持和理論借鑒[2-7]。采用SBASInSAR（小基線集）對小龍?zhí)兜V區(qū)的SAR 影像進(jìn)行處理，提取礦區(qū)地表沉降形變場，實(shí)現(xiàn)對整個礦區(qū)露天采場、排土場等地表形變監(jiān)測，對形變?yōu)暮^(qū)空間分布進(jìn)行探測，對礦區(qū)地表形變?yōu)暮袇^(qū)進(jìn)行發(fā)現(xiàn)與識別。通過對形變異常區(qū)域進(jìn)行長時間序列的監(jiān)測與深入分析，對形變速率、形變加速度以及形變趨勢等分析研究，判斷形變向?yàn)?zāi)害演化的情況與規(guī)律，提供災(zāi)害預(yù)警，預(yù)防重大事故發(fā)生。

1 研究區(qū)概況

小龍?zhí)兜V區(qū)位于開遠(yuǎn)市西北方約20 km，礦區(qū)有2 個采場和3 個排土場。礦區(qū)不穩(wěn)定邊坡主要集中在布沼壩露天采場和龍橋排土場人工堆積邊坡、小龍?zhí)堵短斓V采場和北平壩排土場人工堆積邊坡。布沼壩露天采場不穩(wěn)定邊坡主要分布在西幫、西北幫、北幫，小龍?zhí)堵短斓V采場不穩(wěn)定邊坡主要分布在東幫，多年來用于邊坡監(jiān)測與變形邊坡工程治理投入了數(shù)億元。掌握邊坡動態(tài)，對礦區(qū)開采推進(jìn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)組織計(jì)劃意義重大。小龍?zhí)兜V區(qū)遙感影像圖如圖1。

圖1 小龍?zhí)兜V區(qū)遙感影像圖

龍橋排土場（A 區(qū)）和布沼壩露天采場（B 區(qū)）下游毗鄰小龍?zhí)舵?zhèn)和平壩村，小龍?zhí)舵?zhèn)常駐人口1.5萬人。小龍?zhí)堵短觳蓤觯– 區(qū)）和北平壩排土場（D區(qū)）下游分布的村鎮(zhèn)分別為魯那坡、小龍?zhí)洞澹渲信磐翀鯠 的地勢高于魯那坡村。南盤江從露天采場B 區(qū)和C 區(qū)之間穿過。

2 礦區(qū)時序InSAR 監(jiān)測結(jié)果及沉降特征分析

2.1 礦區(qū)整體監(jiān)測概況

利用Sentinel-1A 數(shù)據(jù)采用SBAS-InSAR 技術(shù)獲取了2 個時間段小龍?zhí)兜V區(qū)地表形變場，分別為：前期（2017-08-30—2019-11-24）和近期（2019-11-24—2020-06-03）。2017-08-30—2019-11-24 小龍?zhí)兜V區(qū)地表形變圖如圖2。

圖2 2017-08-30—2019-11-24 小龍?zhí)兜V區(qū)地表形變圖

由圖2 可以看出，A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)邊坡存在不同的形變。A 區(qū)整體發(fā)生沉降，形變嚴(yán)重區(qū)域位于排土場中部，最大形變量達(dá)-400 mm，最小形變量為-185 mm。B 區(qū)形變不均勻，采場東北部及東南部發(fā)生沉降，形變最嚴(yán)重的區(qū)域位置于東南角，形變量達(dá)-400 mm。露天采場西部及中部形變?yōu)樘畲筇颠_(dá)到+168 mm。C 區(qū)形變主要集中于北部、東北部、東南部，相比于B 區(qū)，C 區(qū)的形變量相對較小，最大形變量達(dá)-221 mm。D 區(qū)面積較小，該區(qū)域形變區(qū)位于排土場頂部，其中形變較大的區(qū)域?yàn)轫敳恐虚g區(qū)域，最大形變量達(dá)-293 mm。小龍?zhí)兜V區(qū)排土場及露天采場邊坡形變量較大，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析對比，以沉降形變?yōu)橹鳎搮^(qū)域地表為正常沉降變形。重點(diǎn)對形變比較大的A 區(qū)、B 區(qū)形變規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2 A 區(qū)形變分析

A 區(qū)面積較大，堆積高度相對較高。2017-08-03—2019-11-24 A 區(qū)（龍橋排土場）形變圖如圖3，A 區(qū)（龍橋排土場）形變時序圖如圖4。

圖3 2017-08-03—2019-11-24 A 區(qū)（龍橋排土場）形變圖

圖4 A 區(qū)（龍橋排土場）形變時序圖

從圖3 可以看出2017 年8 月3 日至2019 年11月24 日間，A 區(qū)整體發(fā)生沉降變形，有3 個位置沉降形變較為大，其中西南方A2 位置形變量達(dá)-380 mm，位于東北方位有2 個位置A4 與A5 形變較大，形變量分別為-360 mm 和-380 mm。

2019 年11 月24 日至2020 年6 月3 日監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，A 區(qū)依舊整體存在沉降形變，沉降區(qū)域由西南方向至東北方向延伸的趨勢，但沉降位移量呈下降發(fā)展趨勢。圖4 中A2、A4、A5 附近3 個位置形變依舊存在，A2 位置附近形變量最大達(dá)-75 mm，A4、A5 2 個位置附近形變較大，分別為-105 mm 和-97 mm，但與2017 年8 月3 日至2019 年11 月24 日間相比，形變量已減小。所以，在A4、A5 的近增加2 個監(jiān)測A4s1、A5s1，A 區(qū)（龍橋排土場）A4s1、A5s1 形變時序圖如圖5。

圖5 A 區(qū)（龍橋排土場）A4s1、A5s1 形變時序圖

A 區(qū)4s1、A5s1 位置6 個月以來勻速沉降，最大沉降量達(dá)-97 mm，沉降速率達(dá)-184 mm/a，這2 處區(qū)域沉降形變相對較大，A4s1 位置自2020 年7 月出現(xiàn)的自然沉降裂縫，與InSAR 監(jiān)測結(jié)果完全一致。A區(qū)（龍橋排土場）形變時序圖如圖4，A 區(qū)（龍橋排土場）A4s1、A5s1 形變時序圖如圖5。

2.3 B 區(qū)形變分析

2017-08-03—2019-11-24 B 區(qū)（布沼壩露天采場）形變圖如圖6。

圖6 2017-08-03—2019-11-24 B 區(qū)（布沼壩露天采場）形變圖

從圖6 可以看出，B 區(qū)形變不均勻，整體呈現(xiàn)出西部及中部抬升較大，東部沉降。采場沉降最大區(qū)域位于東南角，形變達(dá)-320 mm。采場東南方形變剖面圖如圖7。

圖7 采場東南方形變剖面圖

采場東南方B7 為一個大型沉降漏斗，漏斗中心位于Ⅷ-Ⅷ′方向的中下部區(qū)域。在Ⅶ-Ⅶ′方向上采場形變?yōu)槌两担冖?Ⅶ′線段中部形變量達(dá)到最大值，沉降量為-310 mm。在Ⅷ-Ⅷ′方向上，采場沉降量勻速遞增，在靠近Ⅷ′位置區(qū)域形變量達(dá)到最大，約為-298 mm。2019 年3 月份該位置附近出現(xiàn)明顯的地裂縫現(xiàn)象。

2019 年11 月24 日至2020 年6 月3 日，布沼壩露天礦礦坑（B）形變不均勻，整體呈現(xiàn)出西北幫及南幫中部抬升，最大累計(jì)抬升量達(dá)+40 mm，東南幫及南幫頂部和礦坑底部沉降，東北幫并未發(fā)生明顯沉降。采場沉降最大區(qū)域位于東南角，最大形變累積量達(dá)-46 mm。2019-11-24—2020-06-03 B 區(qū)（布沼壩露天采場）東南幫采樣點(diǎn)形變時序圖如圖8。

圖8 2019-11-24—2020-06-03 B 區(qū)東南幫采樣點(diǎn)形變時序圖

由圖8 可以看出，B6、B7 還未發(fā)生明顯形變，而B10 及B10s1 發(fā)生明顯持續(xù)性沉降，最大累計(jì)沉降量分別為-42 mm 和-46 mm，沉降速率分別為-88 mm/a 和-96 mm/a，且周邊靠近南洞溝，應(yīng)對該區(qū)域加強(qiáng)監(jiān)測力度。

3 沉降災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級分析

安全風(fēng)險(xiǎn)分析是保證正常作業(yè)安全的前提。只有進(jìn)行了安全風(fēng)險(xiǎn)的分析，才有可能制定對應(yīng)的防范措施以及應(yīng)急預(yù)案，保證正常作業(yè)的安全。

根據(jù)本次MT-InSAR 監(jiān)測結(jié)果可知：①排土場A整體發(fā)生下沉，中部區(qū)域形變量較大，并在2018 年7 月出現(xiàn)加速；②B 區(qū)西北部、中部及南部區(qū)域抬升嚴(yán)重，東南部、東北部為沉降區(qū)，東南部沉降較為嚴(yán)重；③C 區(qū)沉降明顯不均勻，東部沉降過大；D 區(qū)整體發(fā)生沉降，排土場頂端中部沉降形變較大。

通過對小龍?zhí)兜V區(qū)整體形變情況進(jìn)行長時間序列的監(jiān)測，對形變速率、形變加速度、形變趨勢等分析研究，對形變異常區(qū)域的深入分析，對項(xiàng)目區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行了劃分，風(fēng)險(xiǎn)等級劃分見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級劃分

4 結(jié)語

通過對礦區(qū)地表的時間序列形變量、形變速率、形變加速度、形變趨勢等分析研究，對形變異常區(qū)域進(jìn)行深入分析，獲得了形變向?yàn)?zāi)害演化的情況與規(guī)律，及時向礦區(qū)提供了災(zāi)害預(yù)警，并為礦區(qū)工藝調(diào)整提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。結(jié)合MT-InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場勘驗(yàn)，找出了沉降的具體原因，對于露天開采區(qū)域的沉降主要是由于臺階并段，且短時期內(nèi)開采強(qiáng)度過大引起；對于排土場區(qū)域的沉降主要是排棄土為軟土層、自然沉降相對較大等因素引起。目前根據(jù)排土場排土實(shí)際情況改進(jìn)了排土工藝，露天開采區(qū)域?qū)﹂_采工藝和參數(shù)進(jìn)行了合理的調(diào)整，并增強(qiáng)了削坡減載、疏干排水等防護(hù)工程。