多曉松

(華北地質(zhì)勘查局五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000)

研究區(qū)主要靠礦業(yè)開發(fā)發(fā)展經(jīng)濟(jì)，早期由于較為粗放式開采，對(duì)地質(zhì)環(huán)境破壞較大，形成了大小不一的采空區(qū)，由于礦區(qū)上部即為居民區(qū)，村部、小學(xué)及幼兒園均在該區(qū)域，該礦區(qū)已經(jīng)根據(jù)有關(guān)要求進(jìn)行了充填，采用尾砂膠結(jié)及碎石回填[1]。探測(cè)區(qū)北西340°方向1.3 km處同一地方分別于2017年8月與2019年7月發(fā)生了采空塌陷事件，距離該區(qū)南東111°方向550 m處同一地方于2019年4月與5月發(fā)生采空塌陷事件，兩處發(fā)生采空塌陷事件的礦區(qū)屬于其他礦區(qū)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所幸未造成人員傷亡。采空塌陷事件對(duì)該礦區(qū)所在居民造成巨大的心理陰影，談“空”色變，雖對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了回填，但居民對(duì)該區(qū)域地下是否存在遺留采空區(qū)仍持懷疑態(tài)度，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為消除當(dāng)?shù)鼐用裥睦锏囊蓡?，我們?duì)該區(qū)采空區(qū)充填效果進(jìn)行驗(yàn)證。由于該地區(qū)居民居住密集，且附近學(xué)校、幼兒園、養(yǎng)老院等人員較多，不適合布置工程地質(zhì)鉆探工作，因此采用地表形變遙感監(jiān)測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TRT)兩種方法對(duì)該區(qū)進(jìn)行探測(cè)研究。這兩種方法既能保證驗(yàn)證精度要求，又能保證當(dāng)?shù)鼐用癫皇芄こ谈蓴_，不影響正常生產(chǎn)生活秩序，且工作方法效率有了大大提高，驗(yàn)證效果理想。

1 地表形變遙感監(jiān)測(cè)

研究區(qū)首先利用LIDAR地面三維激光掃描設(shè)備和無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)而構(gòu)建高分辨率、高精度 DEM，并疊合無人機(jī)獲取的采空區(qū)正射攝影測(cè)量數(shù)據(jù)制作采空區(qū)三維立體模型，流程見圖1。然后將三維立體模型與高分辨率InSAR影像疊合進(jìn)行時(shí)序差分處理，反演采空區(qū)地面沉降時(shí)空序列結(jié)果，并疊合到采空區(qū)三維立體模型中，精確、立體、直觀展示采空區(qū)地表動(dòng)態(tài)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果[2-3]。

圖1 INSAR地表形變遙感監(jiān)測(cè)流程圖Fig.1 INSAR flow chart of land surface deformation monitoring by remote sensing

為了有效地實(shí)現(xiàn) PSInSAR研究區(qū)長(zhǎng)時(shí)序形變監(jiān)測(cè)，選取研究區(qū)自2018年10月至2019年7月Sentinel-1A影像和空間分辨率為30 m的SRTM DEM作為實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)。Sentinel-1A衛(wèi)星重訪周期為11 d，其影像入射角為41.1°，空間分辨率為3 m，解算出研究區(qū)年平均形變量。

研究區(qū)附近有廣場(chǎng)、居民住宅、學(xué)校和主要路段等人群密集處，且附近區(qū)域于近期發(fā)生垮塌，研究?jī)?nèi)InSAR結(jié)果顯示平均沉降速率為3 cm/a。

無人機(jī)探測(cè)高形變結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)西部及廣場(chǎng)東側(cè)有較為明顯下降，與InSAR結(jié)果趨勢(shì)總體一致，此區(qū)域植被稀少，建筑分布規(guī)則，因此，區(qū)域無人機(jī)監(jiān)測(cè)形變值可信度高。

研究結(jié)合多期無人機(jī)、LiDAR差分結(jié)果與InSAR形變速率結(jié)果綜合分析，圈定研究區(qū)內(nèi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域處，主要分布于研究區(qū)內(nèi)西部區(qū)域，包含廣場(chǎng)及周邊道路區(qū)域。此外，采區(qū)外同樣分布有高形變速率區(qū)域存在，主要集中在廣場(chǎng)西側(cè)十字路口處，見圖2。

圖2 研究區(qū)多結(jié)果疊合高風(fēng)險(xiǎn)異常區(qū)域圖Fig.2 Multi-result superimposition of high-risk abnormal area map in study area

研究區(qū)圈定異常靶區(qū)后，需采用其他工程手段進(jìn)行靶區(qū)驗(yàn)證，由于靶區(qū)內(nèi)居民區(qū)聚集，無法進(jìn)行工程地質(zhì)鉆探工作，采用隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TRT)手段進(jìn)行驗(yàn)證，該方法不需要對(duì)研究區(qū)進(jìn)行大范圍開挖及其他擾動(dòng)，對(duì)于開展驗(yàn)證工作比較理想[4-5]。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TRT)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TRT)是基于地震波的反射原理，當(dāng)人工激發(fā)的地震波在巖體內(nèi)傳播時(shí)，遇到聲學(xué)阻抗有差異的界面(如斷層、構(gòu)造帶、含水層、采空區(qū)等)，一部分信號(hào)波就會(huì)在界面反射回來，通過在探測(cè)面上布置的傳感器來接收這類反射回來的波；另外一部分信號(hào)波會(huì)透射穿過有聲學(xué)阻抗的界面進(jìn)入前方巖體[6-7]。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(TRT)運(yùn)用層析掃描技術(shù)，形成探測(cè)區(qū)域三維探測(cè)圖，能將前方巖體的具體情況，如軟弱巖層、溶洞、含水體、斷層、破碎帶的位置及大小規(guī)模立體、直觀地展示出來。

通過在遙感異常中心位置布置兩條測(cè)線，將從現(xiàn)場(chǎng)記錄的震源點(diǎn)坐標(biāo)、傳感器點(diǎn)坐標(biāo)及高程利用RV-Interface軟件進(jìn)行分析，根據(jù)提示將剖面、中心線、震源、傳感器、摘要、勘測(cè)日志等信息依次輸入到相應(yīng)的位置，采用線性遞歸法計(jì)算地震波的平均波速值，選取波的主頻和頻率范圍，為所選區(qū)域構(gòu)建地震波波速模型，并對(duì)超前探測(cè)的典型圖像進(jìn)行分析[8]。

根據(jù)INSAR結(jié)果，在沉降異常較大的區(qū)域(顏色較深)內(nèi)采用TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)驗(yàn)證，主要對(duì)村委會(huì)、小學(xué)、幼兒園等區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。震源激發(fā)點(diǎn)布置在需要探測(cè)區(qū)域的前方的區(qū)域內(nèi)，共布置四組，每側(cè)兩組，每組沿高程方向依次排開，相距為1 m，共布置3個(gè)，相鄰兩組之間在里程方向上距離為2 m，并用紅色噴漆標(biāo)明，各個(gè)接收點(diǎn)將傳感器與探測(cè)面用速凝劑耦合。傳感器在探測(cè)面后方成空間立體分布。一般情況下，在距離最后一組震源點(diǎn)10 m處布置傳感器，每間隔5 m布置一個(gè)，并用紅色噴漆標(biāo)明將計(jì)算機(jī)、基站和觸發(fā)源三個(gè)連接在一起，利用計(jì)算機(jī)來控制地震波數(shù)據(jù)的采集與處理(圖3)。每個(gè)震源點(diǎn)錘3次，以提高預(yù)報(bào)的精度。異常區(qū)的平面位置如圖4所示。

圖3 震源點(diǎn)與傳感器的平面布置Fig.3 The plane layout of focal point and sensor

圖4 TRT勘探點(diǎn)與INSAR異常區(qū)疊加平面位置圖Fig.4 Location map of superimposed TRT exploration point and INSAR anomaly area

地震波在巖體中傳播遇到地質(zhì)異常體時(shí)，由于異常體的密度、孔隙度變化，導(dǎo)致波速變化，在圖譜上可以反映出異常區(qū)域[9]，圖5中用橢圓標(biāo)出來的部分即為探測(cè)區(qū)域典型異常體圖像。

圖5 超前地質(zhì)預(yù)各勘探點(diǎn)成果圖Fig.5 The result maps of each exploration point in advance of geology

T1探測(cè)區(qū)域?yàn)榇逦瘯?huì)，異常1-1主要表現(xiàn)為松散破碎帶散體(疑似采空松散體)異常，對(duì)應(yīng)為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下25～55 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型40～75 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～40 m處。

T2探測(cè)區(qū)域?yàn)橛變簣@前側(cè)，異常2-1為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下50～70 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型5～35 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～35 m處；異常2-2為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下55～80 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型45～75 m處，寬度方向(x)大概位于模型15～35 m處。

T3探測(cè)區(qū)域?yàn)樾W(xué)前側(cè)1，異常3-1為軟弱巖層，深度方向(z)大概位于地下60～85 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型10～50 m處，寬度方向(x)大概位于模型15～40 m處；異常3-2為區(qū)域破碎帶，深度方向(z)大概位于地下30～55 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型45～70 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～30 m處。

T4探測(cè)區(qū)域?yàn)樾W(xué)前側(cè)2，異常4-1為軟弱巖層，深度方向(z)大概位于地下55～75 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型5～50 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～35 m處；異常4-2為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下30～55 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型50～80 m處，寬度方向(x)大概位于模型10～30 m處。

T5探測(cè)區(qū)域?yàn)樾W(xué)后側(cè)，異常5-1為松散破碎帶，深度方向(z)大概位于地下25～50 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型0～30 m處，寬度方向(x)大概位于模型0～35 m處；異常5-2為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下35～65 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型45～80 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～30 m處。

T6探測(cè)區(qū)域?yàn)橛變簣@后側(cè)，異常6-1為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下20～45 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型5～30 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～35 m處；異常6-2為松散破碎帶(疑似采空松散體)，深度方向(z)大概位于地下25～45 m處，長(zhǎng)度方向(y)大概位于模型40～65 m處，寬度方向(x)大概位于模型5～30 m處。

通過探測(cè)分析，所有在INSAR沉降相對(duì)較大區(qū)域(顏色較深的區(qū)域)進(jìn)行6個(gè)點(diǎn)位TRT探測(cè)，所探測(cè)異常體均為松散破碎帶或者軟弱巖層，說明該地區(qū)早期采礦活動(dòng)已經(jīng)進(jìn)行了處理，碎石充填或者頂板崩落，經(jīng)走訪老礦工，印證了該分析結(jié)論。

3 房屋下部存在采空區(qū)可能性分析

采空區(qū)形成后都會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，根據(jù)遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，居民區(qū)內(nèi)確實(shí)存在沉降異常區(qū)，且異常區(qū)范圍較大，跨越整個(gè)小區(qū)，同時(shí)在小學(xué)、幼兒園、村委會(huì)等人員較為密集的地方沉降異常范圍較大，為保證該區(qū)域內(nèi)正常的生產(chǎn)生活活動(dòng)不受影響，采取較為先進(jìn)的TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)房屋地基70 m深度范圍內(nèi)進(jìn)行探查，同樣發(fā)現(xiàn)異常區(qū)，根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，異常解譯為松散破碎帶(體)，未發(fā)現(xiàn)采空區(qū)異常的存在，TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在地下空洞探查方面準(zhǔn)確率較高、可信度大，因此根據(jù)INSAR遙感及TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)結(jié)合探查，該小區(qū)下部存在采空區(qū)的可能性小，即便是存在采空區(qū)，也進(jìn)行了回填或者頂板崩落。當(dāng)前小區(qū)內(nèi)存在異常為正常沉降范圍內(nèi)，處于平衡狀態(tài)，只要不打破該平衡，不受震動(dòng)、水文地質(zhì)等外力影響，平衡狀態(tài)不發(fā)生偏移，該小區(qū)地基發(fā)生采空塌陷的可能性小。

與本探測(cè)區(qū)東550 m處探測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)異常與松散堆積體異常呈現(xiàn)的地震波波速異常分布明顯的不同，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可對(duì)采空區(qū)位置、深度進(jìn)行定位，可用于采空區(qū)充填布孔，經(jīng)工程充填孔驗(yàn)證，均得到較好的驗(yàn)證。與瞬變電磁相比，比較形象、立體地呈現(xiàn)異常范圍，易于觀察分析。因此采用地表形變遙感監(jiān)測(cè)確定形變靶區(qū)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在靶區(qū)內(nèi)精確定位，用于探測(cè)老采空區(qū)、盲硐及空區(qū)充填效果等方面，指導(dǎo)礦山安全生產(chǎn)。