闭坑矿井塌陷灾害的动态监测方法研究.pdf

闭坑矿井塌陷灾害的动态监测方法研究 * 彭小沾， 崔希民 （中国矿业大学 （北京） 资源与安全工程学院， 北京 100083） 摘要 分析了闭坑矿井塌陷灾害的特点， 比较了塌陷灾害动态监测方法的优缺点， 最后给出了适合闭 坑矿井大范围塌陷灾害动态监测的方法。 关键词闭坑矿井；塌陷灾害；动态监测；水准测量；GPS；DinSAR 中图分类号 TD325 . 4 文献标识码 B 文章编号 1001 -358X （2006） 02 -0072 -02 *北京市教育委员会共建项目 （编号 XK102900476） 传统的矿山开采沉陷学研究对象是针对生产矿 井， 都有比较齐全的井上下图纸和坐标数据， 根据岩 层与地表的移动角、 边界角、 充分采动角和工作面与 地表的空间对应关系， 就可以进行地面观测站的设 计和施测。但对关井闭坑矿井， 因时间相对久远， 各 种图件资料缺乏， 地下采空区的空间位置不明确， 采 空区范围大， 地面沉陷具有长时性和隐蔽性的特点， 使得传统的水准测量和 GPS 测量无法准确实施。为 了对闭坑矿井若干年后可能发生灾害性沉陷的形 式、 类型、 分布规律、 破坏程度、 造成的损失等， 从时 间、 空间和强度上进行系统科学的评价和预报， 有必 要开展闭坑矿井塌陷灾害的动态监测方法研究。 1 闭坑矿井流变塌陷灾害现象与特点 地下资源开采后引起的地面沉陷是一个复杂的 时间空间过程， 一般分为开始阶段、 活跃阶段和衰退 阶段。 煤矿测量规程 规定 6 个月内累计下沉不 超过 30 mm 时则认为地表移动停止； 影响地表移动 持续时间的因素主要包括覆岩的物理力学性质、 开 采深度和工作面推进速度。在其他条件相同的情况 下， 采深越大移动总时间越长， 当采深为 100 ～200 m 时， 地表点移动总时间约为 1 ～2 年。 然而， 国内外闭坑矿井和老采空区的流变塌陷 持续时间已经远远超过了传统意义上的持续时间， 且塌陷灾害具有突发性， 并已经造成了重大财产损 失。例如， 抚顺矿务局塔连坑， 日伪时期开采露头附 近煤层时， 留有不大的护顶煤柱， 后来煤柱突然垮 塌， 在地表形成了很大的塌陷坑； 峰锋矿务局机械厂 五金厂房位于采空区正上方， 经过 20 年后仍受 80 年代初开采的 1256 和 1482 工作面的影响， 连续微 量沉陷的积累， 地表重新出现塌陷盆地， 雨季地面积 水无法排出； 1975 年大同马脊梁矿刀柱屈服后， 诱发 了难以控制的小型地震； 在铁法、 鹤岗、 北票、 阜新、 扎来诺尔等矿区多次发生短期内能保持稳定的护巷 煤柱， 在风化和侵蚀的作用下， 几十年后突然坍塌至 地表的现象； 而英国 30 年前石膏矿柱因流变屈服导 致城市双层大巴突然栽陷。 而作为北京主要能源生产基地的西山煤矿区， 煤炭资源主要分布在百花山、 庙安岭髫髻山、 九龙 山香峪大梁、 北岭等向斜区， 范围达 1000 km2以 上。据统计， 1949 年至 1993 年京西各国营统配煤矿 开采出煤炭约 19539. 92 万 t， 形成采空体积 约 15280. 2 万 m3。据不完全统计， 1949 年至 1993 年共 有乡镇煤矿、 个体开采煤窑 423 座， 煤炭总产量约 6500 万 t， 开采总面积约 651. 9 万 m2， 形成采空区总 体积约1870. 39 万 m3。地表及地下浅部煤炭已被采 完， 在地下深部也形成了大面积多层次立体采空区。 继 20 世纪 50 年代出现的大范围地面塌陷后， 在 80 年代以来又形成了地面塌陷的高峰期。目前北京西 山采煤区已经出现涉及房山、 门头沟、 丰台、 海淀四 个区的 20 多个乡镇和 9 个国营矿区的地面塌陷集 中发育区， 总面积超过 1370 km2， 塌陷造成的各类灾 害直接损失达 2 亿元。特别是门城镇地区， 地下有 近 5 km2的老窑采空区， 地表有 5 万居民和众多的企 事业单位， 近十年来已经发生塌陷灾害 45 处， 塌陷 坑 17 个， 塌房 32 间， 给当地居民造成了严重的心理 负担。同时， 地面塌陷也严重破坏了交通等基础设 施， 例如门头沟区斋堂柏峪公路青龙涧段自 1998 年 7 月开始观测至 2002 年 6 月尚未稳定阶段， 公路 最大塌陷深度达 1500 mm； 虽经多次整修， 但由于塌 陷不断、 随整随塌， 公路整体向山沟方向倾斜， 给安 全行车造成了严重威胁。而在 108 公路房山区大安 27 第 2 期 2006 年 6 月 矿 山 测 量 MINE SURVEYING No. 2 Jun. 2006 岭堆金台 4 km 路段内就有 3 处塌陷， 最严重的东 村标志碑东侧 10 m ～60 m 段， 经 2001 年 6 月、 2002 年 3 月和 2002 年 6 月的 3 次观测， 累计塌陷深度已 达 720 mm， 虽经多次整修但公路路面因不均匀下陷 而凹凸不平， 沿山坡坡向产生严重的向坡面下方的 倾斜， 成为交通安全的重大隐患。 上述表明， 闭坑矿井的塌陷灾害具有与传统的 开采沉陷截然不同的特点（1） 塌陷范围大， 一般在 几十平方千米以上；（2） 持续时间长， 一般都在几十 年以上；（3） 具有突发性；（4） 塌陷分布规律不明显； （5） 预测预报难度大等。 2 传统监测方法的局限性 2. 1 重复精密水准测量 矿山地面沉降监测一般采用重复精密水准测量 方法， 布设成精密水准网后通过严密的平差程序， 最 终提取出每一期的微小地面沉降变化值， 进而可分 析获得累计下沉、 下沉速度、 下沉分布范围、 变形分 布等。这种传统监测方法针对生产矿井中明确的地 下采空区， 一般根据移动角和最大下沉角在采空区 上方地表沿工作面走向和倾向布设成相互垂直的观 测线， 测点间距依采深而变化，煤矿测量规程 明确 给出了联测方法、 观测周期和观测精度等要求。目 前在我国生产矿山中仍广泛使用， 并积累了丰富经 验。尽管该方法监测精度高， 可达毫米级， 但由于闭 坑矿井大范围沉降破坏， 相应的基准点也随之破坏， 长距离引测控制点必将影响监测精度， 作业条件受 天气影响， 导致作业周期长速度慢、 数据处理慢、 人 力物力消耗大， 且监测信息只是点和线， 因此， 不适 合闭坑矿井塌陷灾害的动态监测。 2. 2 GPS 监测 随着测绘科学技术和对地观测技术的发展， 传 统水准测量方法已有逐渐被周期短、 精度高、 布网迅 捷的 GPS 技术方法所替代的趋势。与水准测量相 比， 虽然 GPS 监测所得的也是点、 线上的沉降信息， 但监测周期较短、 速度快， 数据处理快， 且不受天气 条件制约。 由于 GPS 采用 WGS -84 坐标系， 获得的地面点 高程是大地高， 为了确定地面沉降的绝对量， 必须首 先确定出高程异常值， 以便将大地高转换为我国目 前使用的正常高。对于小范围、 大地水准面起伏不 大的区域， 当采用确定高程异常的 GPS 水准法、 等值 线图示法或解析法等， 只要根据地形选取分布均匀、 密度合理的 GPS 观测点进行水准联测， 就可较精确 获得这些点的已知高程异常。 目前的研究表明， GPS 沉降监测仍存在如下问 题 （1） 矿山塌陷区的沉降边界以下沉 10 mm 来确 定， 现有的 GPS 监测结果与水准测量对比分析结果 表明， GPS 监测与水准测量的互差存在多点大于 10 mm 的现象， 从而导致 GPS 监测确定的下沉边界存 在误差。有研究者认为该不符值是系统误差和量取 仪器高误差造成的， 如何减小系统误差和量取仪器 高误差的影响还有待进一步研究。 （2） 我国大部分矿山都位于丘陵和山区， 地面和 大地水准面起伏都较大， 求得大范围、 高精度的高程 异常困难； 同时由于 GPS 监测获得地是点、 线沉降信 息， 对于闭坑矿井大范围的可能沉降区域， GPS 监测 点位的选择困难， 即选择的 GPS 监测点可能不位于 沉降范围内。 3 闭坑矿井塌陷灾害的 DinSAR 监测 合成孔径雷达 （Synthetic Aperture Radar，SAR） 是一种使用微波探测地表目标的主动式成像传感 器， 具有全天候、 全天时成像能力。经过预处理的 SAR 图像与一般的可见光和近红外遥感图像存在着 本质的区别， 因为 SAR 图像除了具有高分辨率特征 外， 每一分辨元的影像信息所记录的地表反射能量 （灰度） 大小和相位信号， 一般可用复数表示。借助 于覆盖同一地区的两个 SAR 图像的干涉处理和雷达 平台的姿态参数重建地表三维数字高程模型的精度 一般在 1 ～20 m 范围内。 1951 年，Carl Wiley 首 次 发 现 多 普 勒 频 移 （Dopple shift） 现象能用来逻辑地合成一个更大的雷 达孔径， 从而极大地改善了真实孔径的方位分辨率， 掀起了对合成孔径雷达理论和应用研究的热潮。 1969 年首次应用合成孔径雷达干涉技术对金星和月 球观测以来， InSAR 技术开始飞速发展， 尤其近十年 来， 欧美发达国家开始致力于研究使用 DInSAR 技术 监测地表形变， 其毫米级的测量精度和连续空间覆 盖能力被认为是前所未有的新的空间观测技术， 与 GPS 监测技术相比， 尽管差分 GPS 技术监测地表变 形是一个很好的选择， 但 GPS 只能对有限数目的离 散点进行监测， 且 GPS 垂直分量监测一直是相对弱 37 第 2 期 彭小沾等 闭坑矿井塌陷灾害的动态监测方法研究 2006 年 6 月 项。对于一景典型的 SAR 图像， 实地范围为 100 km 100 km， 设平均分辨率为20 m 20 m， 如果全部用 GPS 观测， 则大约需要 2. 5 107台接收机。 为统计合成孔径雷达差分干涉测量监测地面沉 降的性能和指标， 国外学者采用欧洲空间局遥感卫 星 ERS -1 和 ERS -2 所获得的雷达数据， 选择了 4 处具有不同位移速率的典型地区 （1） 德国 Rubrgebirt 地区 该地区由于煤矿开采 导致了明显的地表移动， 沉降速率为 0200cm/ a， 各采煤公司依照法律必须对开采产生的地表移动和 环境影响进行评估。对于快速沉降区， 通过使用时 间间隔为 35d 的干涉像对， 可从不同时间间隔的沉 降图中反映地表时空动态变形过程。 （2） 墨西哥城 选择 3 个独立差分干涉像对， 一 个是在卫星上升轨道时获得， 两个在下降轨道时获 得。通过 3 个独立干涉像生成的沉降变化图研究过 度开采地下水引起的地表沉降速率； 在 1996 年 1 月 至 1996 年 5 月间， 观测的最大沉降速率为 40cm/ a。 （3） 意大利的 Bolgona 地区 该地区沉降面积大， 最大沉降速率为6 ～8cm/ a。通过选择3 幅长时间间 隔的 ERS 雷达干涉像对， 制作 3 幅沉降成果图进行 对比， 并用水准测量数据进行校核。对于 Bolgona 城 市地区， 雷达干涉沉降等值线图的曲线形态和绝对 沉降量与水准测量结果间具有良好的一致性。 （4） 意大利 Euganean 地热盆地 该盆地的地面沉降 与地下水抽取有关， 通过对Commune di Abano Terme 和 Regione del Veneto 两区的精密水准测量成果分析， 截止 1991 年该盆地最大沉降速率为1cm/ a。对于处于亚厘 米/ 年的低水平沉降速率， 采用时间跨度从 1992 ～1996 年10 幅雷达干涉像对， 生成累计时间间隔超过20 年的 单一沉降图， 以减少大气折射的影响。 上述4 地区的研究结果表明， 对于不同沉降速率地 区， 选取不同的监测时间间隔、 不同干涉像对数和不同 累计时间， 可满足不同沉降速率的监测要求， 见表1。 表 1 不同沉降速率区的 DInSAR 监测精度 ［1］ 地区名称年沉降速率 （cm/ a）监测时间间隔干涉像对数量/ 累计时间精度 （cm/ a） 德国 Rubrgebirt0 ～2001 个月1/1 个月9. 0 墨西哥城0 ～403 个月1/3 个月3. 0 意大利的 Bolgona0 ～44 年3/9 年0. 15 意大利的 Bolgona0 ～41 年6/4 年0. 5 意大利 Euganean0 ～0. 45 年10/20 年0. 1 4 结 论 DInSAR 监测到的距离向的变化表示的是一定 面积的空间平均的变化估算值， 而传统的测量方法 测量的是点的差异。如果传统的测量点过于稀疏， 则无法给出整个区域的沉降趋势。因此与常规的测 量方法相比， 差分干涉测量技术监测地面沉降具有 大面积、 动态、 快速、 准确的优势， 是闭坑矿井塌陷灾 害动态监测的有效方法， 也是对传统水准测量和 GPS 测量的有效补充。 参考文献 ［1］ 崔希民， 陈立武 . 沉陷大变形动态监测与力学分析 ［M］ . 北京 煤炭工业出版社， 2004. ［2］ 陈基炜 . 应用遥感卫星雷达干涉测量进行城市地面沉 降研究 ［J］ . 测绘通报， 2001，（8） 13 -15. ［3］ Wegmuller U. ，Strozzi T. 合成孔径雷达差分干涉测量 用于地面沉降监测 方法与实例， 第六届地面沉降国际 讨论会论文选， 北京 地质出版社， 2001 139 -146. 作者简介 彭小沾， 女， 双学位， 工程师， 在中国矿业大学 （北 京） 从事工程测量与采动沉陷监测的教学与研究， 在北京科 技大学学报等刊物发表论文多篇。 （收稿日期 2005 -11 -10 *********************************************** ） （上接第 51 页） 实验的潜力和巨大效益。 参考文献 ［1］ 汤国安， 赵牡丹 . 地理信息系统 ［M］ . 北京 科学出版 社， 2000. 12 ［2］ 钟广锐 . 地理信息系统实验室的建设 ［J］ . 实验室研 究与探索 . 2004，（1） . 作者简介 王俊 （1978 - ） ， 女， 硕士， 讲师， 主要从事 GIS 专业 的教学与研究工作。 （收稿日期 2005 -12 -21） 47 第 2 期 矿 山 测 量 2006 年 6 月