基于DInsar技術(shù)的煤礦區(qū)地面沉陷地質(zhì)與測量分析

劉峰建++姜延杰

[摘 要]本文以某煤礦區(qū)內(nèi)的地面沉陷為研究內(nèi)容，從2015年10月到2016年7月期間的地面沉降情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，選取了雷達(dá)差分測量技術(shù)，也就是DInsar技術(shù)進(jìn)行了分析。通過二軌法的差分處理，包括對(duì)干涉圖的時(shí)間分布和質(zhì)量的選擇，進(jìn)行了差分干涉圖的雷達(dá)處理，獲得了關(guān)于沉陷場的研究精度極高的等值線圖，得到了大幅度沉陷區(qū)域的面積，以及對(duì)于沉陷速率減小的論證結(jié)果，綜合分析煤礦地表在開采后產(chǎn)生沉陷的原因以及進(jìn)行沉陷控制和治理的方法，經(jīng)過論證，驗(yàn)證了DInsar技術(shù)在礦區(qū)地面進(jìn)行沉陷監(jiān)測方面具有很高的應(yīng)用性，并且為后期的煤礦的沉陷區(qū)的綜合治理以及沉陷區(qū)的控制提供參考依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]雷達(dá)差分干涉測量；地面沉陷監(jiān)測；煤礦開采管理

中圖分類號(hào)：TU645 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）37-0336-01

我國的主要能源之一是煤礦資源，具有煤含量大，儲(chǔ)藏量豐富的特點(diǎn)。近年來隨著煤炭的開采面積的增多，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但是也帶來了一系列的生活和生產(chǎn)的困擾，尤其是地表的沉陷，需要進(jìn)行規(guī)律的綜合研究，為后續(xù)的煤礦開采的安全管理提供理論和實(shí)踐的依據(jù)[1]。

1、DinSAR技術(shù)概述

DinSAR技術(shù)，指的是新型的雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)，具有全天候、高精度等優(yōu)勢，在成本投入上具有很大的優(yōu)勢，在形變檢測領(lǐng)域包含著巨大的潛力，地表形變監(jiān)測的研究離不開這項(xiàng)技術(shù)。DinSAR技術(shù)在井工礦區(qū)的應(yīng)用雖然已經(jīng)取得了不少研究成果，但是在大規(guī)模的應(yīng)用中還沒有得到廣泛的投入。還需要在礦區(qū)地面沉陷的治理和發(fā)展上加以深入的研究。

2、技術(shù)實(shí)施概況

案例煤礦區(qū)域內(nèi)交通便利，有鐵路、公路貫通其中，區(qū)內(nèi)為第四系洪沖積平原，地形平坦，地面標(biāo)高+42.46～+54.58m，地勢由東北向西南逐漸降低，坡度平緩，區(qū)內(nèi)含煤巖系被第四系、侏羅系覆蓋，為一全隱蔽的石炭-二疊系煤田，井下采煤采用垮落法管理頂板，煤層采出后對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行充填，也不進(jìn)行永久性支護(hù)，所以采空區(qū)上方的巖層在自重作用下發(fā)生沉降，這種沉降傳遞到地表形成塌陷區(qū)。對(duì)于該煤礦的地表塌陷的現(xiàn)象，采用了雷達(dá)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，使用DEM數(shù)據(jù)源作為立體像的資源[2]，形成的地形圖精度很高。經(jīng)過雷達(dá)數(shù)據(jù)的合成，得到了10幅差分干涉圖，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理之后，得到了差分干涉圖的時(shí)間基線等有關(guān)的形變量信息。具體的干涉像對(duì)信息見表1：

3、沉陷區(qū)域的分析

地面沉陷監(jiān)測和測量工作中，注重研究開發(fā)高新技術(shù)，注重水準(zhǔn)測量、基巖標(biāo)和分層標(biāo)等傳統(tǒng)技術(shù)方法利用，并始終把地下水和地面沉降監(jiān)測工作作為防治地面沉降的基礎(chǔ)，其中一些經(jīng)驗(yàn)值得我國學(xué)習(xí)和借鑒。為了消除干涉相位中地形相位的影響，利用SRTM-DEM來反演地形相位，通過兩軌差分法來消除。實(shí)驗(yàn)中忽略了DEM誤差引入的相位誤差，使用的干涉對(duì)的垂直基線為480m，SRTM DEM的相對(duì)高程誤差為10m，通過分析實(shí)驗(yàn)沉降結(jié)果，查閱礦區(qū)近幾年煤礦開采情況以及礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造等相關(guān)資料，得到的結(jié)論是礦區(qū)是采空區(qū)塌陷的易發(fā)區(qū)。由此推斷礦區(qū)發(fā)生沉降的主要原因是由于礦區(qū)長期的開采，形成了大量的采空區(qū)。利用DIn-SAR兩軌法監(jiān)測該煤礦及其附近地區(qū)的沉降情況，獲得了礦區(qū)的地表形變結(jié)果。結(jié)果表明，礦區(qū)出現(xiàn)多處沉降漏斗區(qū)域，漏斗中心最大沉降量達(dá)到420mm，其附近的沉降量達(dá)到95mm，并且這沉降漏斗區(qū)域與礦區(qū)及其采空區(qū)分布一致。

在案例礦區(qū)的工程中，首先進(jìn)行了礦區(qū)的沉陷結(jié)果的分析和處理，得到了不同區(qū)域內(nèi)的不同時(shí)間段的沉陷量值、面積統(tǒng)計(jì)值等信息的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。利用這些數(shù)據(jù)勾畫出了沉陷區(qū)域的等值線。從沉陷形變圖，可以看到在煤礦的開采過程中，出現(xiàn)過眾多的沉陷漏斗，例如從2015年10月到2016年7月的多個(gè)時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的地面沉陷的情況來看，均與開采規(guī)模和開采的頻率有直接的關(guān)系[3]。無論是新開還是老的開采區(qū)域，差別都不大，都是受到礦區(qū)開發(fā)影響的。通過對(duì)采空區(qū)上方的地表的沉陷量的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在48小時(shí)內(nèi)發(fā)生地面沉陷的范圍一般很大，而同時(shí)間間隔中，地面沉陷的范圍從13厘米縮減到15厘米的同時(shí)，還會(huì)發(fā)生地面沉陷的范圍的縮減，相鄰時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)變化，隨著煤礦開采活動(dòng)的擴(kuò)大而發(fā)生著急劇的變化。研究區(qū)域的擴(kuò)大或者縮小，與煤礦開采地表的沉陷穩(wěn)定程度是相呼應(yīng)的[4]。

通過對(duì)形變發(fā)生區(qū)域的分析，采用高分影像數(shù)據(jù)進(jìn)行形變以及真彩色的疊加，得到了固體廢棄物以及礦區(qū)開采區(qū)域的堆積效果，能夠很好對(duì)地面沉陷發(fā)生的原因進(jìn)行輔助性分析[5]。

結(jié)語

本文對(duì)DlnSAR二軌差分干涉測量技術(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)該煤礦的地形和制備情況進(jìn)行了勘測，進(jìn)行了該區(qū)域多期的影像的差分干涉圖的相干性的分析，獲取了關(guān)于該區(qū)域的沉陷場的等值線、沉降面積統(tǒng)計(jì)表以及沉陷區(qū)的大幅度減小的相關(guān)數(shù)據(jù)，將光學(xué)影像與形變圖結(jié)合起來進(jìn)行分析，提出采用DlnSAR技術(shù)能夠很好地檢測煤礦地面沉陷，并且對(duì)煤礦開采沉陷進(jìn)行控制，加以綜合治理。在研究中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地面進(jìn)行實(shí)測數(shù)據(jù)的獲取的時(shí)候，測量技術(shù)在形變結(jié)果上存在無法驗(yàn)證二軌分差測量結(jié)果的問題，今后應(yīng)該通過詳細(xì)的調(diào)查分析，打破技術(shù)本身的局限性，排除時(shí)間等因素的干擾，利用永久散射技術(shù)來確定研究的重點(diǎn)和方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 王娜，徐素寧，周家晶等.基于DInSAR技術(shù)的煤礦區(qū)地面沉陷分析[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2016，27（2）：110-114.

[2] 陸燕燕，何敏，何秀鳳等.基于DInSAR的徐州張雙樓煤礦地表形變監(jiān)測研究[J].測繪工程，2013，22（6）：61-64.

[3] 吳文娟.礦區(qū)SAR干涉圖濾波方法研究——以南屯煤礦為例[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2014.

[4] 張飛.基于DInSAR技術(shù)的淮南采煤沉陷區(qū)地面沉降監(jiān)測研究[D].南京大學(xué)，2012.

[5] 劉振國，卞正富，雷少剛等.PS-DInSAR技術(shù)在山區(qū)重復(fù)采動(dòng)地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)（英文版），2014，（10）：3309-3315.endprint