張世貝，申成鋒

(青海省有色第一地質(zhì)勘查院，青海 西寧 810000)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用形成了規(guī)模較大的高陡采礦邊坡，采礦邊坡的穩(wěn)定性影響著資源開發(fā)利用進程，并威脅著采礦活動的安全[1]。因此，加強對采礦邊坡形變監(jiān)測及規(guī)律研究至關(guān)重要。采礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測是分析采礦工作界面失穩(wěn)機制、險情預(yù)警，確保采礦活動安全的重要手段，尤其是露天開采以及淺地表剝離開采。隨著我國定位技術(shù)的快速發(fā)展，在動態(tài)定位技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上，不同類型的現(xiàn)代化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。根據(jù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展可分為3種類型：一是傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，如全站儀、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等[2]；二是地面監(jiān)測技術(shù)，該技術(shù)主要以地基雷達干涉測量和地基激光雷達技術(shù)為主體；三是空間對地監(jiān)測技術(shù)，如機載激光雷達技術(shù)、GPS技術(shù)等[3]。相比較而言，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)如全站儀等工作量大，受監(jiān)測環(huán)境影響較大，容易出現(xiàn)人為誤差以及疊加誤差等，因此在高精度監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用前景不大；空間對地監(jiān)測技術(shù)以GPS技術(shù)和機載激光雷達等技術(shù)為主，監(jiān)測精度受監(jiān)測區(qū)域氣候、環(huán)境以及地形地貌等影響較大，導(dǎo)致監(jiān)測精度不穩(wěn)定；地面監(jiān)測技術(shù)具有較高的監(jiān)測精度，在形變監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，逐漸應(yīng)用于城市沉降形變、地震監(jiān)測、工程形變監(jiān)測等行業(yè)[4-6]。GB-InSAR技術(shù)是在合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)上發(fā)展起來的，具有操作簡便、精度高、監(jiān)測穩(wěn)定性能高、監(jiān)測成本低等優(yōu)勢。因此，本文以某金屬礦山采礦邊坡形變監(jiān)測為例，分析該技術(shù)在高陡邊坡形變監(jiān)測中的應(yīng)用效果。

1 GB-InSAR技術(shù)原理

GB-InSAR技術(shù)(地基合成孔徑雷達干涉技術(shù))是在InSAR技術(shù)(合成孔徑雷達干涉測量技術(shù))上發(fā)展起來的新測繪技術(shù)，具有全天候、分辨率高、實時動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢，在形變監(jiān)測中取得了顯著成效[7]。InSAR技術(shù)監(jiān)測精度受時間基線和空間基線影響較大，因此該技術(shù)無法獲得監(jiān)測區(qū)域形變規(guī)律隨時間變化的演化過程，而GB-InSAR技術(shù)以地面雷達的遙感成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，借助雷達系統(tǒng)發(fā)射、接收的微波信號采集雷達數(shù)據(jù)，進而根據(jù)雷達數(shù)據(jù)干涉處理獲得監(jiān)測區(qū)域的形變相位，若將大氣作用導(dǎo)致的相位記作Δφatm，將差分干涉相位記作Δφdif，將各類噪聲產(chǎn)生的相位記作Δφnoise，將雷達傳感器至兩次觀測目標(biāo)點的距離差記作Δr，則該技術(shù)獲得的監(jiān)測目標(biāo)相位模型可表述為：

Δφdif=-4πΔr/λ+Δφatm+Δφnoise

以上述公式計算為基礎(chǔ)，可獲得監(jiān)測區(qū)域邊坡形變演化規(guī)律，進而為采礦邊坡失穩(wěn)治理以及危險預(yù)警等提供數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)位于我國西部山區(qū)，地形相對高差較大，監(jiān)測區(qū)域平均海拔約4 215 m，屬于高山峽谷地貌。礦山以Cu、Pb、Zn資源為主，伴生Ag資源，為矽卡巖型礦床，以淺地表剝離開采為主，形成了規(guī)模較大的采礦邊坡。本文以某一高陡采礦邊坡為例，分析GB-InSAR技術(shù)在采礦邊坡形變監(jiān)測中的應(yīng)用效果。邊坡屬于人工邊坡，邊坡長約531 m，高8.2～13.1 m不等，為巖質(zhì)邊坡。根據(jù)該邊坡組成物質(zhì)差異可將邊坡分成上、中、下3部分，其中上部以松散堆積物為主，穩(wěn)定性較差；中部以基巖巖塊以及松散堆積物為主，穩(wěn)定性相對較好；下部以基巖為主，穩(wěn)定性好。由于監(jiān)測區(qū)域氣候多變，大氣降水較為集中，一般集中于每年7～9月，因此，為了防止采礦邊坡形變監(jiān)測受雨水沖刷等外在因素影響，采用活動板房進行監(jiān)測設(shè)備安放，以降低降雨天氣對監(jiān)測設(shè)備的干擾[8]。

3 采礦邊坡形變監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)獲取

本文以礦山正在采礦的某一高陡人工邊坡進行形變監(jiān)測，為進一步設(shè)計采礦工作界面提供理論依據(jù)。監(jiān)測儀器型號為SDMR-1地基合成孔徑雷達，監(jiān)測設(shè)備安放在活動板房內(nèi)，距離邊坡平均距離為792 m，設(shè)置雷達波束寬度為25(°)，波段為Ku波段，距離向分辨率為0.3 m，方位向分辨率為4.0 m，數(shù)據(jù)采集最小間隔為2 min。為了獲得該邊坡形變隨時間的演化過程，本次監(jiān)測持續(xù)觀測8小時20分鐘，共計獲得28景影像，影像質(zhì)量均滿足數(shù)據(jù)處理要求。

3.2 數(shù)據(jù)處理

本次采礦邊坡形變監(jiān)測為持續(xù)觀測，觀測時間為8小時20分鐘，所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)為連續(xù)的變化數(shù)據(jù)，因此，空間基線為0，數(shù)據(jù)處理過程中設(shè)置時間基線為2 h，共計36個干涉對，以相對配準(zhǔn)方式配準(zhǔn)至同一坐標(biāo)系統(tǒng)下[9]。在數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后首先進行去噪聲相位處理，本次采用goldstein濾波法，完成后以最小費用流法進行干涉圖相位解纏，為了提高干涉圖相位解纏數(shù)據(jù)精度，盡可能的選擇相對穩(wěn)定的基巖區(qū)進行相位解纏，獲得差分干涉圖，為進一步選取高相干點奠定基礎(chǔ)。

高相干點的選擇方法不太成熟，目前常用的方法為窗口平均法，使用該方法獲得的高相干點容易將周圍臨近的低信噪點識別為高相干點，使得最終獲得的高相干點出現(xiàn)片狀、團狀分布的特征。雖然可以通過提高相干系數(shù)閥值將低信噪點剔除，有效避免高相干點呈片狀、團狀分布的問題，但是提高相干系數(shù)閥值明顯降低了最終高相干點的密度，進而對監(jiān)測精度影響較大[10]。王天宇等在監(jiān)測某公路邊坡過程中采用了三重指數(shù)串行法獲得了質(zhì)量較高的高相干點，取得了較好的應(yīng)用效果，基于此，本文采用該方法進行高相干點的選擇。三重指數(shù)串行法是通過設(shè)置相干系數(shù)閥值、振幅離差指數(shù)閥值、強度閥值等參數(shù)獲得較高質(zhì)量的相干點，其中前者閥值高則獲得的高相干點數(shù)量較低，后兩者可以較好的剔除低信噪點[11-12]。結(jié)合本次獲得數(shù)據(jù)質(zhì)量以及前人應(yīng)用效果，本次將強度閥值設(shè)置為9.0，振幅離差指數(shù)閥值設(shè)定為0.6，相干系數(shù)閥值設(shè)定0.7，最終獲得了覆蓋比例為85%的高相干點，提高了邊坡形變監(jiān)測精度。在完成上述操作流程的基礎(chǔ)上，可獲得監(jiān)測區(qū)域的形變規(guī)律分布圖(見圖1)。

圖1 某采礦邊坡形變規(guī)律分布

3.3 監(jiān)測結(jié)果

本次監(jiān)測過程中，選擇7個同步監(jiān)測點使用全站儀進行對比監(jiān)測，以便于驗證GB-InSAR技術(shù)在邊坡形變監(jiān)測中的精度。為了便于數(shù)據(jù)分析，本文截取監(jiān)測區(qū)域形變量較大的部分區(qū)域進行分析，從圖1可以看出：總體上該條邊坡的形變量集中在邊坡左側(cè)，普遍發(fā)生了較大規(guī)模的形變，此外，邊坡上部形變量大于邊坡下部。其中，上部邊坡最大形變量可達-49.3 mm，具有明顯的滑動現(xiàn)象；中部形變量明顯小于上部，形變量介于-7.8～-23.1 mm，具有較為明顯的滑動現(xiàn)象；邊坡下部相對穩(wěn)定，但位于邊坡左側(cè)的區(qū)域具有較大的滑動現(xiàn)象，最大形變量可達-53.7 mm，邊部下部的中部區(qū)域具有一定的形變量，但形變量相對較小。

本文使用全站儀對7個同步監(jiān)測點進行形變監(jiān)測，其中P1、P2和P3點位于邊坡上部，全站儀監(jiān)測累計形變量分別為-35.6，-41.3，0 mm，根據(jù)GB-InSAR技術(shù)獲得的形變分布圖中的形變量為-36.2，-41.4，-0.1 mm，總體上二者變化一致且在誤差范圍內(nèi)，說明上述3個監(jiān)測點數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠；P4點P5點位于邊坡中部，全站儀監(jiān)測累計形變量分別為-48.2 mm和-28.9 mm，根據(jù)GB-InSAR技術(shù)獲得的形變分布中的形變量為-48.1 mm和-29.2 mm，總體上二者變化一致且在誤差范圍內(nèi)，說明上述2個監(jiān)測點數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠；P6和P7點位于邊坡下部，全站儀監(jiān)測累計形變量分別為-53.1 mm和-8.3 mm，根據(jù)GB-InSAR技術(shù)獲得的形變分布中的形變量為-53.7 mm、和-8.9 mm，總體上二者變化一致且在誤差范圍內(nèi)，說明上述兩個監(jiān)測點數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

采礦邊坡的穩(wěn)定性受降雨氣候影響較大，因此，本次在監(jiān)測邊坡形變過程中選擇降雨天氣進行，其中監(jiān)測過程中的前約5小時內(nèi)一直為持續(xù)性的中至小雨天氣，剩余約3小時20分鐘為未降雨天氣，并對降雨前后邊坡形變量進行了統(tǒng)計分析，統(tǒng)計結(jié)果見表1。根據(jù)表1可知，降雨對該采礦邊坡穩(wěn)定性影響較大，降雨過程中形變量遠(yuǎn)大于降雨后的形變量，尤其是邊坡下部基巖區(qū)域形變，地表雨水通過巖石裂隙下滲加速滑動形變，嚴(yán)重影響了該區(qū)域進一步采礦工作界面的設(shè)置。因此，為了降低采礦安全風(fēng)險，應(yīng)該在邊坡上部做好排水處理，可有效的防治上部地表水下滲至邊坡中下部，避免引起較大規(guī)模的滑坡災(zāi)害等。

表1 研究區(qū)降雨前后同步監(jiān)測點形變量一覽

4 結(jié) 論

通過上述實例實踐表明，GB-InSAR技術(shù)在礦山采礦邊坡形變監(jiān)測中取得了良好的應(yīng)用效果，監(jiān)測結(jié)果與同步全站儀累計形變量相比，二者具有一致的變化趨勢且均在誤差范圍內(nèi)，說明該方法所獲監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠。此外，GB-InSAR技術(shù)具有實時動態(tài)監(jiān)測，能夠全面反映監(jiān)測區(qū)域整體形變規(guī)律的優(yōu)勢，因而更具廣闊的應(yīng)用前景。但是GB-InSAR技術(shù)在高相干點選擇過程中尚未形成較好的數(shù)據(jù)處理方法，在今后的研究過程中應(yīng)加強數(shù)據(jù)處理方法的探索，為提高該方法監(jiān)測精度奠定基礎(chǔ)。