基于INSAR與TRT的某小區地下采空區分析

多曉松

(華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000)

研究區主要靠礦業開發發展經濟，早期由于較為粗放式開采，對地質環境破壞較大，形成了大小不一的采空區，由于礦區上部即為居民區，村部、小學及幼兒園均在該區域，該礦區已經根據有關要求進行了充填，采用尾砂膠結及碎石回填[1]。探測區北西340°方向1.3 km處同一地方分別于2017年8月與2019年7月發生了采空塌陷事件，距離該區南東111°方向550 m處同一地方于2019年4月與5月發生采空塌陷事件，兩處發生采空塌陷事件的礦區屬于其他礦區，造成巨大的經濟損失，所幸未造成人員傷亡。采空塌陷事件對該礦區所在居民造成巨大的心理陰影，談“空”色變，雖對采空區進行了回填，但居民對該區域地下是否存在遺留采空區仍持懷疑態度，嚴重制約當地的社會穩定和經濟發展，為消除當地居民心里的疑問，我們對該區采空區充填效果進行驗證。由于該地區居民居住密集，且附近學校、幼兒園、養老院等人員較多，不適合布置工程地質鉆探工作，因此采用地表形變遙感監測與超前地質預報(TRT)兩種方法對該區進行探測研究。這兩種方法既能保證驗證精度要求，又能保證當地居民不受工程干擾，不影響正常生產生活秩序，且工作方法效率有了大大提高，驗證效果理想。

1 地表形變遙感監測

研究區首先利用LIDAR地面三維激光掃描設備和無人機傾斜攝影測量技術獲取點云數據而構建高分辨率、高精度 DEM，并疊合無人機獲取的采空區正射攝影測量數據制作采空區三維立體模型，流程見圖1。然后將三維立體模型與高分辨率InSAR影像疊合進行時序差分處理，反演采空區地面沉降時空序列結果，并疊合到采空區三維立體模型中，精確、立體、直觀展示采空區地表動態沉降監測結果[2-3]。

圖1 INSAR地表形變遙感監測流程圖Fig.1 INSAR flow chart of land surface deformation monitoring by remote sensing

為了有效地實現 PSInSAR研究區長時序形變監測，選取研究區自2018年10月至2019年7月Sentinel-1A影像和空間分辨率為30 m的SRTM DEM作為實驗研究數據。Sentinel-1A衛星重訪周期為11 d，其影像入射角為41.1°，空間分辨率為3 m，解算出研究區年平均形變量。

研究區附近有廣場、居民住宅、學校和主要路段等人群密集處，且附近區域于近期發生垮塌，研究內InSAR結果顯示平均沉降速率為3 cm/a。

無人機探測高形變結果顯示，研究區內西部及廣場東側有較為明顯下降，與InSAR結果趨勢總體一致，此區域植被稀少，建筑分布規則，因此，區域無人機監測形變值可信度高。

研究結合多期無人機、LiDAR差分結果與InSAR形變速率結果綜合分析，圈定研究區內高風險區域處，主要分布于研究區內西部區域，包含廣場及周邊道路區域。此外，采區外同樣分布有高形變速率區域存在，主要集中在廣場西側十字路口處，見圖2。

圖2 研究區多結果疊合高風險異常區域圖Fig.2 Multi-result superimposition of high-risk abnormal area map in study area

研究區圈定異常靶區后，需采用其他工程手段進行靶區驗證，由于靶區內居民區聚集，無法進行工程地質鉆探工作，采用隧道超前地質預報(TRT)手段進行驗證，該方法不需要對研究區進行大范圍開挖及其他擾動，對于開展驗證工作比較理想[4-5]。

2 超前地質預報(TRT)

超前地質預報(TRT)是基于地震波的反射原理，當人工激發的地震波在巖體內傳播時，遇到聲學阻抗有差異的界面(如斷層、構造帶、含水層、采空區等)，一部分信號波就會在界面反射回來，通過在探測面上布置的傳感器來接收這類反射回來的波；另外一部分信號波會透射穿過有聲學阻抗的界面進入前方巖體[6-7]。

超前地質預報(TRT)運用層析掃描技術，形成探測區域三維探測圖，能將前方巖體的具體情況，如軟弱巖層、溶洞、含水體、斷層、破碎帶的位置及大小規模立體、直觀地展示出來。

通過在遙感異常中心位置布置兩條測線，將從現場記錄的震源點坐標、傳感器點坐標及高程利用RV-Interface軟件進行分析，根據提示將剖面、中心線、震源、傳感器、摘要、勘測日志等信息依次輸入到相應的位置，采用線性遞歸法計算地震波的平均波速值，選取波的主頻和頻率范圍，為所選區域構建地震波波速模型，并對超前探測的典型圖像進行分析[8]。

根據INSAR結果，在沉降異常較大的區域(顏色較深)內采用TRT超前地質預報驗證，主要對村委會、小學、幼兒園等區域進行驗證。震源激發點布置在需要探測區域的前方的區域內，共布置四組，每側兩組，每組沿高程方向依次排開，相距為1 m，共布置3個，相鄰兩組之間在里程方向上距離為2 m，并用紅色噴漆標明，各個接收點將傳感器與探測面用速凝劑耦合。傳感器在探測面后方成空間立體分布。一般情況下，在距離最后一組震源點10 m處布置傳感器，每間隔5 m布置一個，并用紅色噴漆標明將計算機、基站和觸發源三個連接在一起，利用計算機來控制地震波數據的采集與處理(圖3)。每個震源點錘3次，以提高預報的精度。異常區的平面位置如圖4所示。

圖3 震源點與傳感器的平面布置Fig.3 The plane layout of focal point and sensor

圖4 TRT勘探點與INSAR異常區疊加平面位置圖Fig.4 Location map of superimposed TRT exploration point and INSAR anomaly area

地震波在巖體中傳播遇到地質異常體時，由于異常體的密度、孔隙度變化，導致波速變化，在圖譜上可以反映出異常區域[9]，圖5中用橢圓標出來的部分即為探測區域典型異常體圖像。

圖5 超前地質預各勘探點成果圖Fig.5 The result maps of each exploration point in advance of geology

T1探測區域為村委會，異常1-1主要表現為松散破碎帶散體(疑似采空松散體)異常，對應為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下25～55 m處，長度方向(y)大概位于模型40～75 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～40 m處。

T2探測區域為幼兒園前側，異常2-1為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下50～70 m處，長度方向(y)大概位于模型5～35 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～35 m處；異常2-2為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下55～80 m處，長度方向(y)大概位于模型45～75 m處，寬度方向(x)大概位于模型15～35 m處。

T3探測區域為小學前側1，異常3-1為軟弱巖層，深度方向(z)大概位于地下60～85 m處，長度方向(y)大概位于模型10～50 m處，寬度方向(x)大概位于模型15～40 m處；異常3-2為區域破碎帶，深度方向(z)大概位于地下30～55 m處，長度方向(y)大概位于模型45～70 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～30 m處。

T4探測區域為小學前側2，異常4-1為軟弱巖層，深度方向(z)大概位于地下55～75 m處，長度方向(y)大概位于模型5～50 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～35 m處；異常4-2為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下30～55 m處，長度方向(y)大概位于模型50～80 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～30 m處。

T5探測區域為小學后側，異常5-1為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下25～50 m處，長度方向(y)大概位于模型0～30 m處，寬度方向(x)大概位于模型0～35 m處；異常5-2為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下35～65 m處，長度方向(y)大概位于模型45～80 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～30 m處。

T6探測區域為幼兒園后側，異常6-1為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下20～45 m處，長度方向(y)大概位于模型5～30 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～35 m處；異常6-2為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下25～45 m處，長度方向(y)大概位于模型40～65 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～30 m處。

通過探測分析，所有在INSAR沉降相對較大區域(顏色較深的區域)進行6個點位TRT探測，所探測異常體均為松散破碎帶或者軟弱巖層，說明該地區早期采礦活動已經進行了處理，碎石充填或者頂板崩落，經走訪老礦工，印證了該分析結論。

3 房屋下部存在采空區可能性分析

采空區形成后都會產生不均勻沉降，根據遙感監測發現，居民區內確實存在沉降異常區，且異常區范圍較大，跨越整個小區，同時在小學、幼兒園、村委會等人員較為密集的地方沉降異常范圍較大，為保證該區域內正常的生產生活活動不受影響，采取較為先進的TRT超前地質預報技術對房屋地基70 m深度范圍內進行探查，同樣發現異常區，根據多年經驗及現場調查，異常解譯為松散破碎帶(體)，未發現采空區異常的存在，TRT超前地質預報技術在地下空洞探查方面準確率較高、可信度大，因此根據INSAR遙感及TRT超前地質預報技術結合探查，該小區下部存在采空區的可能性小，即便是存在采空區，也進行了回填或者頂板崩落。當前小區內存在異常為正常沉降范圍內，處于平衡狀態，只要不打破該平衡，不受震動、水文地質等外力影響，平衡狀態不發生偏移，該小區地基發生采空塌陷的可能性小。

與本探測區東550 m處探測結果對比發現，采空區異常與松散堆積體異常呈現的地震波波速異常分布明顯的不同，超前地質預報可對采空區位置、深度進行定位，可用于采空區充填布孔，經工程充填孔驗證，均得到較好的驗證。與瞬變電磁相比，比較形象、立體地呈現異常范圍，易于觀察分析。因此采用地表形變遙感監測確定形變靶區，超前地質預報在靶區內精確定位，用于探測老采空區、盲硐及空區充填效果等方面，指導礦山安全生產。