區(qū)域礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

張海龍

（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京100195）

0 引言

礦山地質(zhì)環(huán)境指以礦產(chǎn)資源開發(fā)為主導(dǎo)，不斷改變所在的巖石圈表層的自然環(huán)境，并與大氣圈、生物圈、水圈等進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的相對(duì)獨(dú)立的環(huán)境系統(tǒng)。以礦山環(huán)境地質(zhì)問題導(dǎo)致結(jié)果作為劃分的依據(jù)，礦山地質(zhì)環(huán)境可劃分為生態(tài)破壞、環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害3種表現(xiàn)形式（徐友寧等，2003），其中尤以地質(zhì)災(zāi)害更為嚴(yán)重，威脅著資源的開采和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。礦山地質(zhì)災(zāi)害主要包括采空區(qū)地面沉（塌）陷、山體開裂、滑坡、崩塌、泥石流等。

我國礦產(chǎn)資源豐富，開發(fā)的歷史也十分悠久，同時(shí)也是礦山地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，災(zāi)害分布范圍廣，引起的損失嚴(yán)重，影響大（趙永久，2008）。北京山區(qū)的礦山開采已經(jīng)有數(shù)百年歷史，由于之前礦山開采單位生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)淡漠，“重開發(fā)、輕保護(hù)”，過分追求經(jīng)濟(jì)效益忽略保護(hù)與治理，是造成礦山災(zāi)害持續(xù)多發(fā)的根本原因。北京市地質(zhì)工程設(shè)計(jì)研究院2012年至2015年的實(shí)地調(diào)查共發(fā)現(xiàn)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(qū)，多為突發(fā)性災(zāi)害（賈三滿等，2008）。圖1展示的是在門頭溝王平鎮(zhèn)西馬各莊發(fā)現(xiàn)的采空塌陷坑及部分房屋開裂現(xiàn)象。

目前北京市出臺(tái)了有關(guān)環(huán)境建設(shè)的規(guī)劃和政策，強(qiáng)化了行政力度，關(guān)閉了大量的礦山，加大了礦山環(huán)境治理的投入，但仍有大量的礦山尚未治理。提高對(duì)礦山災(zāi)害事故監(jiān)測(cè)預(yù)警的效率逐漸成為亟待解決的重大技術(shù)問題之一。針對(duì)北京市礦山地質(zhì)環(huán)境問題，開展應(yīng)用現(xiàn)代形變監(jiān)測(cè)技術(shù)的可行性研究，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)和重要基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生重大影響的采空塌陷區(qū)開展監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析，確定采空塌陷區(qū)形變的發(fā)展趨勢(shì)，能夠?yàn)椴煽账荼O(jiān)測(cè)示范工程建設(shè)做好前期的勘查選址工作，為北京市礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建設(shè)提供可行方法和技術(shù)支撐。

圖1 門頭溝王平鎮(zhèn)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(jiān)測(cè)技術(shù)路線

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的主要目的是獲得在時(shí)間上連續(xù)的空間變形數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空變化趨勢(shì)并推斷其誘發(fā)因素，最終達(dá)到災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)防的結(jié)果（韓子夜等，2005）。監(jiān)測(cè)礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要方法是變形監(jiān)測(cè)，分為地表變形和深部變形監(jiān)測(cè)兩類。前者包括傳統(tǒng)的大地測(cè)量技術(shù)、GPS測(cè)量技術(shù)以及衛(wèi)星遙感技術(shù)等，后者有鉆孔傾斜法、側(cè)縫法和地下應(yīng)力法等（董穎等，2002）。常用的策略是將地表監(jiān)測(cè)和地下監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行多方位、實(shí)時(shí)地一體化監(jiān)測(cè)，技術(shù)路線見圖2。

圖2 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)路線Fig.2 The technical route of mine geological hazard monitoring

本文著重介紹在礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中有非常大應(yīng)用前景的合成孔徑雷達(dá)干涉（Interferometric Synthetic Aperture Radar -InSAR）技術(shù)和微震監(jiān)測(cè)技術(shù)。前者是近些年來新興的，基于衛(wèi)星雷達(dá)影像的地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量相比它的優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省大量成本，方便迅速（處理影像時(shí)間），覆蓋范圍大，空間分辨率高（最高優(yōu)于1m），形變識(shí)別精度高（可達(dá)毫米級(jí)）（Ferretti et al，2001）。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是通過觀測(cè)分析生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測(cè)可能發(fā)生的災(zāi)害。兩種技術(shù)相結(jié)合，能形成從地上到地下，宏觀到微觀全方位的立體監(jiān)測(cè)體系。

2 InSAR技術(shù)

SAR是衛(wèi)星遙感中重要的對(duì)地觀測(cè)手段之一，具有成像范圍廣，成像視角可變等優(yōu)點(diǎn)，與光學(xué)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(jì)70年代，InSAR技術(shù)發(fā)展并逐漸成熟，利用兩次覆蓋同一區(qū)域的雷達(dá)回波信號(hào)生成復(fù)干涉條紋圖，基于成像時(shí)天線與地面目標(biāo)的幾何關(guān)系（如衛(wèi)星高度、入射角等），進(jìn)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(shù)又具體可分為傳統(tǒng)DInSAR（DifferentialInSAR） 和 MTInSAR（Multi-TemporalInSAR）技術(shù)，后者采用時(shí)間序列SAR影像，通過提取穩(wěn)定高相干點(diǎn)并有效去除大氣、地形等誤差，進(jìn)而能夠獲得毫米級(jí)形變信息。

2.1 SAR 數(shù)據(jù)選擇

隨著星載SAR衛(wèi)星的不斷發(fā)射，各種傳感器的影像大量積累，可利用數(shù)據(jù)的選擇是InSAR處理能否成功的關(guān)鍵。目前，由于其技術(shù)參數(shù)及商業(yè)化的運(yùn)作方式等差異，使得SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)使用的效果差別較大。常用于InSAR技術(shù)的數(shù)據(jù)及其參數(shù)匯總?cè)绫?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(zhì)量也最好，而且能探測(cè)到較大的形變信息，最適合于礦山地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)；X波段的分辨率最高，對(duì)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(xì)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?yàn)樽冃屋^大而失相干。從經(jīng)濟(jì)成本來看，Sentinel和ENVISAT完全免費(fèi)，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(shù)常用數(shù)據(jù)及參數(shù)匯總Tab.1 Summary of data and parameters commonly used in InSAR technology

2.2 InSAR數(shù)據(jù)處理

常規(guī)DInSAR數(shù)據(jù)的處理流程如圖3所示，主要包括配準(zhǔn)、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、去地形相位、濾波、相位解纏和形變反演等。MTInSAR技術(shù)的流程更為復(fù)雜，除了包括DInSAR的基本步驟外，還包括提取監(jiān)測(cè)點(diǎn)、選擇干涉對(duì)、大氣相位去除和時(shí)間序列形變值反演等。本節(jié)著重介紹圖3中所展示的基本流程。

圖3 InSAR數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.3 The flow chart of data processing of InSAR

（1）圖像配準(zhǔn)與生成干涉圖

配準(zhǔn)就是將不同時(shí)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(jìn)行匹配、疊加的過程。分為粗配準(zhǔn)和精配準(zhǔn)兩種，前者是利用衛(wèi)星軌道參數(shù)計(jì)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(biāo)映射函數(shù)，然后對(duì)輔影像進(jìn)行坐標(biāo)變換、插值和重采樣。InSAR要求采用精配準(zhǔn)，精度通常要求達(dá)到0.2個(gè)像元。Sentinel因?yàn)椴捎锰厥獾某上衲Ｊ?，配?zhǔn)精度要求達(dá)到千分之一個(gè)像元。經(jīng)過精確配準(zhǔn)的兩幅單視復(fù)數(shù)影像，對(duì)應(yīng)位置的像元進(jìn)行復(fù)共軛相乘，即可得到復(fù)干涉圖，其對(duì)應(yīng)相位即為兩幅原SAR復(fù)影像的相位之差。

（2）去平地和地形相位

此時(shí)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(dá)側(cè)視成像機(jī)制和天線幾何特征引起的，隨斜距遠(yuǎn)近而規(guī)律變化；?topo為參考地形面所對(duì)應(yīng)的相位；?def為地表形變所產(chǎn)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(jìn)行模擬，然后從原始干涉圖減去該相位當(dāng)量。地形相位可以用外部數(shù)字高程模型（DEM）進(jìn)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(shù)據(jù)生成的一個(gè)礦區(qū)干涉圖，去除平地和地形相位后如圖4所示。

圖4 礦區(qū)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(shù)倍信息。為了反演視線向的地表形變，必須解決2π整數(shù)倍相位的問題，這個(gè)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(xiàn)在最常用的被稱為最小代價(jià)流法。MTInSAR技術(shù)中，基于最小代價(jià)流法又衍生出了時(shí)空三維解纏法。

3 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

微震是指巖體在外界應(yīng)力作用下，介質(zhì)中一個(gè)或多個(gè)局域源以瞬態(tài)彈性波的形式迅速釋放其存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能的過程。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)（Microseismic Monitoring Technique- MS）是在聲發(fā)射學(xué)與地震學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型技術(shù)，通過對(duì)震源特征的分析研究進(jìn)而預(yù)防一些可能發(fā)生的礦山工程災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山實(shí)時(shí)、連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)。該技術(shù)具有遠(yuǎn)程、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果可實(shí)現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸、信號(hào)分析等部分組成，通過接收傳感器直接監(jiān)測(cè)巖體結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生破裂過程時(shí)所釋放的彈性波。數(shù)據(jù)采集主要是對(duì)傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行放大濾波，數(shù)據(jù)可以被連續(xù)記錄采集，信號(hào)傳輸是使用數(shù)字濾波處理將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的離散信號(hào)進(jìn)行降速后傳輸?shù)絇C端，并通過相應(yīng)的應(yīng)用軟件進(jìn)行信號(hào)分析。

系統(tǒng)的硬件部分主要包括檢波器（傳感器）、數(shù)據(jù)采集儀、主機(jī)、通訊模塊、太陽能供電系統(tǒng)等，見圖5。硬件部分只需要接收檢波器和數(shù)據(jù)采集儀，不需要發(fā)射傳感器或人工產(chǎn)生震源。根據(jù)震源性質(zhì)、巖體性質(zhì)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)到震源的距離等條件，系統(tǒng)的軟件部分可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)的記錄、特征提取、數(shù)據(jù)分析判定及動(dòng)態(tài)顯示破裂過程的三維可視化成像技術(shù)，并將微地震定位結(jié)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(guān)系。

圖5 高精度微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)的精度是決定監(jiān)測(cè)結(jié)果能否應(yīng)用于礦山地質(zhì)災(zāi)害區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)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(shè)對(duì)定位精度的影響。

檢波器的布設(shè)空間、布設(shè)距離、測(cè)量分量數(shù)及與破裂區(qū)的相對(duì)位置是提高精度的4個(gè)重點(diǎn)因素。在實(shí)施中參考?xì)v史資料及前期工作數(shù)據(jù)，盡可能將檢波器布置在可能包含“破裂區(qū)”的區(qū)域，在滿足測(cè)量精度要求下，結(jié)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(chǎn)生的波形，能量以及感應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)分布的變化情況。監(jiān)測(cè)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(cè)、滯后激發(fā)等產(chǎn)生的誤差。綜合成本及檢測(cè)精度等因素，各檢波器間距可設(shè)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(gè)平面內(nèi)。

圖6 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The installation structure of microseismic monitoring system

3.3 微震信號(hào)的特征識(shí)別

幾乎所有針對(duì)微震信號(hào)的研究都集中在對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的分析和處理上，數(shù)據(jù)分析是指地震波處理，確認(rèn)P波和S波的到達(dá)，了解和觀察頂?shù)装宓钠屏亚闆r和礦山壓力的分布特征并估計(jì)地震事件的震源參數(shù)，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(fù)雜,干擾信號(hào)有很多，因此，現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)中包含了大量非線性的干擾信號(hào)，且這種干擾信號(hào)隨著時(shí)間、系統(tǒng)工況的不同而變化，它是一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)過程，應(yīng)首先對(duì)包含大量干擾信號(hào)的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低有效信號(hào)提取的難度。有效信號(hào)的提取及特征識(shí)別是微震數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)工作。由于使用單一方法難以精確提取特征信號(hào)的缺點(diǎn)，深入研究有效信號(hào)與干擾信號(hào)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(gè)亟待解決的檢測(cè)問題。

傳統(tǒng)的非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)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(shù)分解方法；第二類是非線性變換方法,也稱能量分布方法。對(duì)于線譜成分較復(fù)雜或呈寬帶分布的信號(hào)，由于交叉項(xiàng)數(shù)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(hào)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換、Gabor變換、小波(包)分解等。前兩者是對(duì)某時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行Fourier變換，得到信號(hào)在整個(gè)頻段內(nèi)每一個(gè)頻率點(diǎn)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(wěn)信號(hào)統(tǒng)計(jì)量的時(shí)間特征，只適于分析平穩(wěn)信號(hào)。小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，已被廣泛地應(yīng)用到信號(hào)特征的提取及檢測(cè)。傳統(tǒng)的小波包分解是將信號(hào)按頻段進(jìn)行分割，得到在各頻段內(nèi)信號(hào)的分解系數(shù)，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(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的時(shí)頻分析，常導(dǎo)致頻帶混疊。

劍橋大學(xué)Newland教授于1993年提出具有明確表達(dá)式的諧波小波，相比傳統(tǒng)小波，它是一種復(fù)小波，具有“盒型”頻域緊支撐性，在頻段上互不相交，可以實(shí)現(xiàn)無能量泄露的頻帶分解，并且有基于FFT的快速算法，時(shí)頻分析更加靈活，由于對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(hào)的提取識(shí)別分析，因此諧波小波為檢測(cè)微震信號(hào)提供了新的手段。

4 結(jié)論

（1）礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，既要充分利用傳統(tǒng)方法，也要充分借鑒先進(jìn)新興技術(shù)，綜合各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，充分滿足監(jiān)測(cè)工作的需要。InSAR地表形變監(jiān)測(cè)技術(shù)與微震深部應(yīng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)的結(jié)合提供了新的技術(shù)手段。

（2）微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有廣闊的發(fā)展與應(yīng)用空間，通過大量的理論研究和工程實(shí)踐，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微震系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置方案的不斷改進(jìn)與創(chuàng)新。另外，隨著雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展，各種高時(shí)空分辨率、長(zhǎng)波長(zhǎng)的雷達(dá)衛(wèi)星相繼發(fā)射，相信InSAR技術(shù)針對(duì)大量級(jí)的形變監(jiān)測(cè)能力會(huì)進(jìn)一步提高。

（3）巖體的實(shí)際形變狀況較為復(fù)雜，由于信號(hào)本身具有不確定性、多樣性、突發(fā)瞬態(tài)性、易受干擾性等特點(diǎn)，這對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山的實(shí)際應(yīng)用造成了一定的限制，仍然需要進(jìn)行深入研究。相關(guān)研究表明，通過對(duì)InSAR技術(shù)及微震監(jiān)測(cè)軟件中的信號(hào)分析、變換、濾波、識(shí)別等處理，可提高信號(hào)的準(zhǔn)確度和利用度。