面向采礦工程的開采沉陷監測與治理技術綜合研究

摘要：采用合成孔徑雷達干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）測量技術，通過時間序列影像監測研究采礦工程的開采沉陷趨勢。研究結果表明，地質沉陷速率隨觀測距離增加呈現先降低后升高的趨勢，在橫縱距離約為1 200 m時，均達到沉陷峰值，分別為-190 mm/a和-180 mm/a。研究對保障采礦工程生產安全，促進采礦行業的綠色可持續發展具有重要意義。

關鍵詞：沉陷監測；礦山地質環境；治理恢復；沉陷速率；采礦工程

中圖分類號：TD327 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0313

Comprehensive Research on Mining Subsidence Monitoring and Treatment Technology for Mining Engineering

LIU Hu， ZHANG Dexian， SHI Yuntang， WANG Yongfeng， WANG Xinyu

（Sunsangou Coal Mine of Inner Mongolia Hongyuan Coal Group Co.， Ltd.， Ordos 010300， China）

Abstract： The research adopts the Interferometric Synthetic Aperture Radar （InSAR） measurement technology to monitor and study the mining subsidence trend of mining engineering through time series images. The research results indicate that the geological subsidence rate shows a trend of first decreasing and then increasing with the increase of observation distance. At a horizontal and vertical distance of about 1 200 m， the subsidence peak values are reached， which are"-190 mm/a and -180 mm/a， respectively. Research is of great significance in ensuring the safety of mining engineering production and promoting the green and sustainable development of the mining industry.

Keywords： subsidence monitoring; mining geological environment; governance; restoration subsidence rate; mining engineering

采礦工程是經濟的重要支柱，為國家和人們的生活供應了能源，合理開采礦產資源也是保障能源資源可持續利用的關鍵。然而，隨著社會的快速發展，人們對資源的需求日益增加，大量礦產資源的開采使得在采礦過程中地下礦層產生壓縮變形、地下水位移和難排水等問題，同時導致地表易發生沉陷，對周圍的建筑物、水源及生態環境造成嚴重影響[1]。傳統觀測技術采樣點密度低、延續性較差，而合成孔徑雷達干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）測量技術相較于傳統的地表監測技術，可以通過分析時間序列影像，獲得目標區域一段時間的地表變化數據[2]。因此，為了防治開采沉陷、保障采礦安全，研究基于InSAR探討采礦工程的開采沉陷監測與治理技術，通過對比分析不同監測手段的特點和適用范圍，提出有效的治理策略和技術方案。研究的創新點在于，所提出的方法能夠全天候、大范圍地監測地表地質，具有更高的檢測精度和時空分辨率，作為一種安全、高效的觀測方法，為采礦工程的沉陷防治提供了科學依據和技術支持。

1 礦區開采沉陷監測與治理技術研究

1.1 基于InSAR測量技術的地表沉陷監測

InSAR測量技術可利用微波監測地表并捕捉變化信息，其合成孔徑雷達能夠進一步分析同一地不同影像數據，以獲得地表高程和形變信息[3]。在采礦工程中作業中，采礦活動往往會對地表造成破壞，因此利用InSAR測量技術動態監測開采過程，以實時獲取地表信息[4]。該技術的雷達干涉測量原理主要是通過兩個光源的在目標上的照射點的相位差去計算目標的實際距離。合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR）的信號獲取過程如下：一方面，通過雷達天線向衛星的特定區域發射無線電；另一方面，信號波遇到目標物體后會形成回波，而回波強度各不相同，且返回時間長短不一，因此記錄各回波的到達順序，以及不同強度的回波形成的SAR影像[5]。雷達干涉測量主要是分析回波信號的相位距離，因此需要計算觀測目標在的各天線位置的相位，如式（1）所示。

φ=-4πL×（1/λ）（1）

式中：φ為天線位置相位；L為觀測目標到衛星天線的距離；λ為天線信號的波長。

根據式（1）計算天線位置間相位差，并根據余弦定理及觀測距離來求解目標物體高程，其計算如式（2）所示。

（2）

式中：h為地表高程；H為衛星天線到地面的距離；L1為A到目標物體標記點的距離；l為天線間的基線距；α為基線距的水平夾角。

由此，通過InSAR測量技術的雷達波間接計算了目標實際距離，解決了實際監測中的難以直接獲取地表情況數據的問題，極大降低了人力、物力的消耗。

1.2 采礦工程治理技術研究

研究利用InSAR測量技術可實時監測礦區地質，然而想要保障采礦工程的順利進行，還需要根據采集到的地質信息及時干預和處理開采沉陷問題。同時，通過InSAR測量技術實時監測并獲取礦山地表的數據信息，建立全覆蓋的地質監測網絡體系，以便于對地質環境的變化采取及時的應對措施。為保護礦場周圍生態環境，進一步提高資源利用效率，需要落實礦區治理相關法規，開展地質相關知識培訓，加強地質環境的監督管理。采礦工程地質治理的流程如圖1所示。

由圖1可知，為加強礦山地質環境的保護，首先需要明確治理對象和預期治理恢復的目標；其次，開展實地的地質情況調查、形成基礎的數據信息庫；再次，基于對收集到的數據進行分析、地質環境現狀評估，并根據情況分區礦山地質，以分批次進行治理恢復；最后，根據區域實際情況，有針對性地開展采礦工程環境治理工作。

超前開采利用疏干水技術，可選取適宜的疏干方式處理水資源問題，通過回填、注漿等方式對水進行封堵，通過物理、生物化學處理礦山廢水。對于礦山開采過程中的地質塌陷問題，要對其采取預防與治理相結合的手段。對于廢棄坑洞，可采取廢渣地下回填或水泥灌注的方式，消除或減緩地下坑洞引起的地面沉降、裂縫等問題。對于尚在施工使用階段的地下坑道，采取密閉、夯實、監測等技術預防地質塌陷問題。對于已塌陷且難治理的地質災害區域，處理難度較大，可將其圈定為待治區。礦山地質環境的治理，在保障礦區居民的生命安全的同時，有助于建立綠色、可持續發展的礦區經濟。

2 開采沉陷監測治理技術性能分析

為檢驗基于InSAR測量技術設計的針對采礦工程的開采沉陷監測治理技術的可行性，利用該技術對河北省邢臺市某礦山地表開展監測試驗。基于InSAR測量技術的單一主影像攝影法來對礦區沉陷進行影像監測，并對比該區域在治理優化前后地質沉陷的相對位置。最后，利用ArcGIS軟件為各沉降明顯的接壤區域繪制沉陷速率圖。具體試驗結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著采礦工程的開展，兩條曲線均隨觀測距離的增加，總體上呈現先降低后上升的趨勢，當采礦工程的施工地點的觀測距離約為1 250 m時，達到沉陷速率峰值，為-180 mm/a，表面該區域的工作面的地質沉陷較為嚴重，近似漏斗形；水平方向上的工作地質在觀測距離約1 200 m，達到沉陷速率峰值，為-190 mm/a，曲線總體剖面較為對稱。由圖2（b）可知，經優化治理后的地質沉陷裂縫數量減少，且沉陷的相對位置大多集中在基線附近，表明研究提出的監測治理技術對地質環境優化效果較好。

3 結論

開采沉陷是采礦工程作業中帶來的地表凹陷問題，對礦區環境、地面及地下設施造成了嚴重的影響。為保障采礦工程的安全，研究基于時序InSAR技術對邢臺礦區密集區域進行地質監測，獲取了有關地質下陷的影像和數據。試驗結果表明，當豎直方向工作面的觀測距離約為1 250 m時，達到沉陷速率峰值，為-180 mm/a；水平方向上的工作地質在觀測距離約1 200 m，達到沉陷速率峰值，為-190 mm/a，且二者的總體變化趨勢相似。研究對邢臺市礦區工作開展范圍和地質沉陷的資料獲取有限，難以深一步探究礦區地質產生沉陷原因，且獲得的監測序列信息較短，因此未來增加對礦區地質的監測時間，進一步從多渠道收集資料，以研究監測沉陷區地質沉陷原因與土地利用問題，促進對礦山資源的可持續利用。

參考文獻

1 薛桂香，王 輝，周衛峰，等.基于知識圖譜和時空擴散圖卷積網絡的港口交通流量預測[J].計算機應用，2024（9）：2952-2957.

2 師 蕓，折夏雨，張雨欣，等.SBAS-InSAR技術融合CNN-LSTM模型的礦區開采沉陷監測與預測[J].安全與環境學報，2024（9）：3429-3438.

3 靳雨田，胡海峰，蔡音飛.SBAS-InSAR礦區沉陷監測與動態預計模型參數研究[J].煤炭技術，2023（11）：30-34.

4 尹宏昌，田 豐，馬海博，等.無人機激光雷達礦山開采沉陷監測研究[J].煤炭工程，2023（8）：130-136.

5 鄭俊良，姚頑強，藺小虎，等.無人機LiDAR在采空區沉陷監測中的應用[J].西安科技大學學報，2023（4）：825-835.

作者簡介：劉虎（1986—），男，內蒙古巴彥淖爾人，高級工程師。研究方向：礦山開采及安全生產管理。