基于时序InSAR 的小龙潭矿区地表形变监测预警

陶 勇，赵建康，杨 溢，袁利伟

（1.云南省小龙潭矿务局，云南 开远 661699；2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093）

露天矿山存在工作面滑坡、排土场边坡滑坡、矿区地表沉陷等重大灾害风险，确定空间分布，明确其发展动态，掌握矿山边坡风险总体情况，并进行监测、分析、预警及预报，对矿山安全监管有着重要的现实意义[1]。小龙潭矿区有小龙潭露天矿和布沼坝露天矿2 个露天煤矿，从20 世纪90 年代初期开始，矿务局投入巨资建立了由地下岩移自动监测系统、地面GPS 自动监测系统、人工全站仪监测系统等构成的边坡灾害监测预警系统。该监测系统虽然精度较高，但都是预设“点”式的、“点”的集合体和接触式的，且只能做到局部区域监测，不能全面反映整个采场或排土场边坡变形情况，且在已出现灾害隐患的区域以及极端天气情况下，人员无法进入现场测量。因此如何以安全的方式获取全覆盖、高密度、高精度的矿区空间连续地表位移场数据，分析研判边坡滑坡风险并进行预报，在地质灾害发生前提前撤离人员和设备设施，是矿务局亟需解决的问题。

近年来，时序星载合成孔径干涉雷达（MT-In－SAR）因可以获得满足上述要求的矿区沉降分布、沉降量及速率等情况，为矿区的合理开采和可持续发展提供了较好的技术支持和理论借鉴[2-7]。采用SBASInSAR（小基线集）对小龙潭矿区的SAR 影像进行处理，提取矿区地表沉降形变场，实现对整个矿区露天采场、排土场等地表形变监测，对形变灾害区空间分布进行探测，对矿区地表形变灾害集中区进行发现与识别。通过对形变异常区域进行长时间序列的监测与深入分析，对形变速率、形变加速度以及形变趋势等分析研究，判断形变向灾害演化的情况与规律，提供灾害预警，预防重大事故发生。

1 研究区概况

小龙潭矿区位于开远市西北方约20 km，矿区有2 个采场和3 个排土场。矿区不稳定边坡主要集中在布沼坝露天采场和龙桥排土场人工堆积边坡、小龙潭露天矿采场和北平坝排土场人工堆积边坡。布沼坝露天采场不稳定边坡主要分布在西帮、西北帮、北帮，小龙潭露天矿采场不稳定边坡主要分布在东帮，多年来用于边坡监测与变形边坡工程治理投入了数亿元。掌握边坡动态，对矿区开采推进设计、生产组织计划意义重大。小龙潭矿区遥感影像图如图1。

图1 小龙潭矿区遥感影像图

龙桥排土场（A 区）和布沼坝露天采场（B 区）下游毗邻小龙潭镇和平坝村，小龙潭镇常驻人口1.5万人。小龙潭露天采场（C 区）和北平坝排土场（D区）下游分布的村镇分别为鲁那坡、小龙潭村，其中排土场D 的地势高于鲁那坡村。南盘江从露天采场B 区和C 区之间穿过。

2 矿区时序InSAR 监测结果及沉降特征分析

2.1 矿区整体监测概况

利用Sentinel-1A 数据采用SBAS-InSAR 技术获取了2 个时间段小龙潭矿区地表形变场，分别为：前期（2017-08-30—2019-11-24）和近期（2019-11-24—2020-06-03）。2017-08-30—2019-11-24 小龙潭矿区地表形变图如图2。

图2 2017-08-30—2019-11-24 小龙潭矿区地表形变图

由图2 可以看出，A 区、B 区、C 区、D 区边坡存在不同的形变。A 区整体发生沉降，形变严重区域位于排土场中部，最大形变量达-400 mm，最小形变量为-185 mm。B 区形变不均匀，采场东北部及东南部发生沉降，形变最严重的区域位置于东南角，形变量达-400 mm。露天采场西部及中部形变为抬升，最大抬升值达到+168 mm。C 区形变主要集中于北部、东北部、东南部，相比于B 区，C 区的形变量相对较小，最大形变量达-221 mm。D 区面积较小，该区域形变区位于排土场顶部，其中形变较大的区域为顶部中间区域，最大形变量达-293 mm。小龙潭矿区排土场及露天采场边坡形变量较大，经过数据分析对比，以沉降形变为主，该区域地表为正常沉降变形。重点对形变比较大的A 区、B 区形变规律进行详细分析。

2.2 A 区形变分析

A 区面积较大，堆积高度相对较高。2017-08-03—2019-11-24 A 区（龙桥排土场）形变图如图3，A 区（龙桥排土场）形变时序图如图4。

图3 2017-08-03—2019-11-24 A 区（龙桥排土场）形变图

图4 A 区（龙桥排土场）形变时序图

从图3 可以看出2017 年8 月3 日至2019 年11月24 日间，A 区整体发生沉降变形，有3 个位置沉降形变较为大，其中西南方A2 位置形变量达-380 mm，位于东北方位有2 个位置A4 与A5 形变较大，形变量分别为-360 mm 和-380 mm。

2019 年11 月24 日至2020 年6 月3 日监测数据分析，A 区依旧整体存在沉降形变，沉降区域由西南方向至东北方向延伸的趋势，但沉降位移量呈下降发展趋势。图4 中A2、A4、A5 附近3 个位置形变依旧存在，A2 位置附近形变量最大达-75 mm，A4、A5 2 个位置附近形变较大，分别为-105 mm 和-97 mm，但与2017 年8 月3 日至2019 年11 月24 日间相比，形变量已减小。所以，在A4、A5 的近增加2 个监测A4s1、A5s1，A 区（龙桥排土场）A4s1、A5s1 形变时序图如图5。

图5 A 区（龙桥排土场）A4s1、A5s1 形变时序图

A 区4s1、A5s1 位置6 个月以来匀速沉降，最大沉降量达-97 mm，沉降速率达-184 mm/a，这2 处区域沉降形变相对较大，A4s1 位置自2020 年7 月出现的自然沉降裂缝，与InSAR 监测结果完全一致。A区（龙桥排土场）形变时序图如图4，A 区（龙桥排土场）A4s1、A5s1 形变时序图如图5。

2.3 B 区形变分析

2017-08-03—2019-11-24 B 区（布沼坝露天采场）形变图如图6。

图6 2017-08-03—2019-11-24 B 区（布沼坝露天采场）形变图

从图6 可以看出，B 区形变不均匀，整体呈现出西部及中部抬升较大，东部沉降。采场沉降最大区域位于东南角，形变达-320 mm。采场东南方形变剖面图如图7。

图7 采场东南方形变剖面图

采场东南方B7 为一个大型沉降漏斗，漏斗中心位于Ⅷ-Ⅷ′方向的中下部区域。在Ⅶ-Ⅶ′方向上采场形变为沉降，在Ⅶ-Ⅶ′线段中部形变量达到最大值，沉降量为-310 mm。在Ⅷ-Ⅷ′方向上，采场沉降量匀速递增，在靠近Ⅷ′位置区域形变量达到最大，约为-298 mm。2019 年3 月份该位置附近出现明显的地裂缝现象。

2019 年11 月24 日至2020 年6 月3 日，布沼坝露天矿矿坑（B）形变不均匀，整体呈现出西北帮及南帮中部抬升，最大累计抬升量达+40 mm，东南帮及南帮顶部和矿坑底部沉降，东北帮并未发生明显沉降。采场沉降最大区域位于东南角，最大形变累积量达-46 mm。2019-11-24—2020-06-03 B 区（布沼坝露天采场）东南帮采样点形变时序图如图8。

图8 2019-11-24—2020-06-03 B 区东南帮采样点形变时序图

由图8 可以看出，B6、B7 还未发生明显形变，而B10 及B10s1 发生明显持续性沉降，最大累计沉降量分别为-42 mm 和-46 mm，沉降速率分别为-88 mm/a 和-96 mm/a，且周边靠近南洞沟，应对该区域加强监测力度。

3 沉降灾害风险等级分析

安全风险分析是保证正常作业安全的前提。只有进行了安全风险的分析，才有可能制定对应的防范措施以及应急预案，保证正常作业的安全。

根据本次MT-InSAR 监测结果可知：①排土场A整体发生下沉，中部区域形变量较大，并在2018 年7 月出现加速；②B 区西北部、中部及南部区域抬升严重，东南部、东北部为沉降区，东南部沉降较为严重；③C 区沉降明显不均匀，东部沉降过大；D 区整体发生沉降，排土场顶端中部沉降形变较大。

通过对小龙潭矿区整体形变情况进行长时间序列的监测，对形变速率、形变加速度、形变趋势等分析研究，对形变异常区域的深入分析，对项目区风险等级进行了划分，风险等级划分见表1。

表1 风险等级划分

4 结语

通过对矿区地表的时间序列形变量、形变速率、形变加速度、形变趋势等分析研究，对形变异常区域进行深入分析，获得了形变向灾害演化的情况与规律，及时向矿区提供了灾害预警，并为矿区工艺调整提供了强有力的数据支持。结合MT-InSAR 监测数据与现场勘验，找出了沉降的具体原因，对于露天开采区域的沉降主要是由于台阶并段，且短时期内开采强度过大引起；对于排土场区域的沉降主要是排弃土为软土层、自然沉降相对较大等因素引起。目前根据排土场排土实际情况改进了排土工艺，露天开采区域对开采工艺和参数进行了合理的调整，并增强了削坡减载、疏干排水等防护工程。