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)和能量交換的相對獨立的環(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)意識淡漠，“重開發(fā)、輕保護(hù)”，過分追求經(jīng)濟效益忽略保護(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)計研究院2012年至2015年的實地調(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。

目前北京市出臺了有關(guān)環(huán)境建設(shè)的規(guī)劃和政策，強化了行政力度，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。提高對礦山災(zāi)害事故監(jiān)測預(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)測技術(shù)的可行性研究，對人民生命財產(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，通過數(shù)據(jù)分析，確定采空塌陷區(qū)形變的發(fā)展趨勢，能夠為采空塌陷監(jiān)測示范工程建設(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)測預(yù)警預(yù)報系統(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)測技術(shù)路線

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的主要目的是獲得在時間上連續(xù)的空間變形數(shù)據(jù)，預(yù)測災(zāi)害發(fā)生的時空變化趨勢并推斷其誘發(fā)因素，最終達(dá)到災(zāi)害預(yù)測預(yù)防的結(jié)果（韓子夜等，2005）。監(jiān)測礦山地質(zhì)災(zāi)害的主要方法是變形監(jiān)測，分為地表變形和深部變形監(jiān)測兩類。前者包括傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)、GPS測量技術(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)測和地下監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，對礦區(qū)進(jìn)行多方位、實時地一體化監(jiān)測，技術(shù)路線見圖2。

圖2 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(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)測技術(shù)，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量相比它的優(yōu)點是能節(jié)省大量成本，方便迅速（處理影像時間），覆蓋范圍大，空間分辨率高（最高優(yōu)于1m），形變識別精度高（可達(dá)毫米級）（Ferretti et al，2001）。微震監(jiān)測技術(shù)主要是通過觀測分析生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測可能發(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)測體系。

2 InSAR技術(shù)

SAR是衛(wèi)星遙感中重要的對地觀測手段之一，具有成像范圍廣，成像視角可變等優(yōu)點，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)回波信號生成復(fù)干涉條紋圖，基于成像時天線與地面目標(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)，后者采用時間序列SAR影像，通過提取穩(wěn)定高相干點并有效去除大氣、地形等誤差，進(jìn)而能夠獲得毫米級形變信息。

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，而且能探測到較大的形變信息，最適合于礦山地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測；X波段的分辨率最高，對地表形變也最敏感，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，又容易因為變形較大而失相干。從經(jīng)濟成本來看，Sentinel和ENVISAT完全免費，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)測點、選擇干涉對、大氣相位去除和時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個像元。Sentinel因為采用特殊的成像模式，配準(zhǔn)精度要求達(dá)到千分之一個像元。經(jīng)過精確配準(zhǔn)的兩幅單視復(fù)數(shù)影像，對應(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流法。MTInSAR技術(shù)中，基于最小代價流法又衍生出了時空三維解纏法。

3 微震監(jiān)測技術(shù)

微震是指巖體在外界應(yīng)力作用下，介質(zhì)中一個或多個局域源以瞬態(tài)彈性波的形式迅速釋放其存儲的彈性應(yīng)變能的過程。微震監(jiān)測技術(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，實現(xiàn)對礦山實時、連續(xù)的在線監(jiān)測。該技術(shù)具有遠(yuǎn)程、動態(tài)、三維、實時監(jiān)測的特點，其監(jiān)測結(jié)果可實現(xiàn)礦山地質(zhì)環(huán)境的評價及監(jiān)測預(yù)警。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微震監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、信號傳輸、信號分析等部分組成，通過接收傳感器直接監(jiān)測巖體結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生破裂過程時所釋放的彈性波。數(shù)據(jù)采集主要是對傳感器采集到的信號進(jìn)行放大濾波，數(shù)據(jù)可以被連續(xù)記錄采集，信號傳輸是使用數(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、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)測點到震源的距離等條件，系統(tǒng)的軟件部分可實時實現(xiàn)微震信號的記錄、特征提取、數(shù)據(jù)分析判定及動態(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)測的精度是決定監(jiān)測結(jié)果能否應(yīng)用于礦山地質(zhì)災(zāi)害區(qū)監(jiān)測預(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)對定位精度的影響。

檢波器的布設(shè)空間、布設(shè)距離、測量分量數(shù)及與破裂區(qū)的相對位置是提高精度的4個重點因素。在實施中參考?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)力場分布的變化情況。監(jiān)測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、滯后激發(fā)等產(chǎn)生的誤差。綜合成本及檢測精度等因素，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，檢波器布置在多個平面內(nèi)。

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

3.3 微震信號的特征識別

幾乎所有針對微震信號的研究都集中在對數(shù)據(jù)信號的分析和處理上，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,干擾信號有很多，因此，現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)信號中包含了大量非線性的干擾信號，且這種干擾信號隨著時間、系統(tǒng)工況的不同而變化，它是一種典型的非平穩(wěn)隨機過程，應(yīng)首先對包含大量干擾信號的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，降低有效信號提取的難度。有效信號的提取及特征識別是微震數(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的缺點，深入研究有效信號與干擾信號在振幅、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亟待解決的檢測問題。

傳統(tǒng)的非平穩(wěn)信號的時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。對于線譜成分較復(fù)雜或呈寬帶分布的信號，由于交叉項數(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，常將信號進(jìn)行短時傅里葉變換、Gabor變換、小波(包)分解等。前兩者是對某時間窗內(nèi)的信號進(jìn)行Fourier變換，得到信號在整個頻段內(nèi)每一個頻率點的分布，其分辨率受限制于不確定性定理，且不能反映非平穩(wěn)信號統(tǒng)計量的時間特征，只適于分析平穩(wěn)信號。小波變換在時域和頻域同時具有良好的局部化性質(zhì)，已被廣泛地應(yīng)用到信號特征的提取及檢測。傳統(tǒng)的小波包分解是將信號按頻段進(jìn)行分割，得到在各頻段內(nèi)信號的分解系數(shù)，但其頻帶隔離特性并不好，存在分解頻帶混疊的缺陷，造成無法對信號進(jìn)行精確的時頻分析，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，可以實現(xiàn)無能量泄露的頻帶分解，并且有基于FFT的快速算法，時頻分析更加靈活，由于對振動信號中幅值變化非常敏感，而且有良好的濾波特性，十分適合特征信號的提取識別分析，因此諧波小波為檢測微震信號提供了新的手段。

4 結(jié)論

（1）礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是個復(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，充分滿足監(jiān)測工作的需要。InSAR地表形變監(jiān)測技術(shù)與微震深部應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合提供了新的技術(shù)手段。

（2）微震監(jiān)測技術(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踐，可實現(xiàn)對微震系統(tǒng)現(xiàn)場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，各種高時空分辨率、長波長的雷達(dá)衛(wèi)星相繼發(fā)射，相信InSAR技術(shù)針對大量級的形變監(jiān)測能力會進(jìn)一步提高。

（3）巖體的實際形變狀況較為復(fù)雜，由于信號本身具有不確定性、多樣性、突發(fā)瞬態(tài)性、易受干擾性等特點，這對監(jiān)測技術(shù)在礦山的實際應(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InSAR技術(shù)及微震監(jiān)測軟件中的信號分析、變換、濾波、識別等處理，可提高信號的準(zhǔn)確度和利用度。