基于DInSAR技術的沉降監(jiān)測與分析及在鐵路保護煤柱安全留設可靠性方面的應用研究

馬 軍

(淮北礦業(yè)集團 通防地測部，安徽 淮北 235000)

鐵路下壓煤問題是世界上各產(chǎn)煤國共同面臨的難題。采用先進的對地觀測InSAR技術，獲取煤礦開采附件的鐵路歷史及當前地表沉降信息，優(yōu)化地表移動觀測站，結合地表實測、井下開采、地質(zhì)采礦資料綜合分析開采沉陷影響規(guī)律，明確采動因素對濉阜鐵路的影響，制定相應保護煤柱范圍，為煤礦的開采布局提供技術依據(jù)和保障。在青東礦較厚松散層，地表沉降范圍大的地區(qū)科學合理留設保護煤柱，其技術經(jīng)濟效益和社會效益巨大。

除了鐵路下采煤保護煤柱、開采方法等方面的研究外，鐵路形變監(jiān)測也是一項重要工作。然而，傳統(tǒng)的地表形變監(jiān)測方法工作量大、成本高、易受天氣和實地地表情況的制約，難以做到實時監(jiān)測和預警。因此，采用DInSAR非接觸式的遙感手段技術，動態(tài)獲取高精度的采動區(qū)鐵路時序形變，對于保障鐵路通行安全具有重要的理論和實際意義。

1 DInSAR技術原理

DInSAR技術是InSAR技術的發(fā)展與延伸。InSAR技術在獲取地表幾何信息時，假設了影像成像間隔期間沒有發(fā)生地表形變，若在實際情況中，地表發(fā)生了形變，則此時干涉圖中的干涉相位組成可由下式表達：

φint=φdef+φflat+φatm+φorb+φtopo+φnoise

式中，φdef為地表形變相位，φflat為平地相位，φatm為大氣相位，φorb為軌道相位，φtopo為地形相位，φnoise為噪聲相位。

平地相位可以通過基線信息估算，軌道相位可通過精密軌道數(shù)據(jù)來校正，地形相位可通過DEM模擬，而忽略大氣和噪聲的影響后就能得到形變相位。為獲得地表形變相位而將其他相位組分去除的過程就是合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)技術。DInSAR技術一般分為二軌法、三軌法和四軌法，這三種方法的差異主要在于二軌法使用外部DEM來去除地形相位，而三軌法和四軌法均是利用其中兩幅影像組成干涉對來生成DEM。

圖1 二軌法原理示意圖

DInSAR技術主要流程包括SAR影像配準、干涉圖生成、去平地效應、相位差分、干涉圖濾波、相位解纏、地理編碼等。目前，鐵路下采煤方案設計已取得了很大的進步，InSAR礦區(qū)形變監(jiān)測的研究也有一定的進展，但在理論、方法和實用性等方面還有很多的問題需進一步研究。通過DInSAR技術原理可以看出其受大氣延遲及時空基線失相干等因素的影響，監(jiān)測精度受到限制，各類時序InSAR技術的不斷提出能夠較好的克服這些因素的影響。

2 SAR數(shù)據(jù)的選取及與水準測量成果的對比分析

由于濉阜鐵路為國家二級鐵路，濉阜鐵路從青東礦井田范圍內(nèi)穿過，從鐵路南側的82采區(qū)地表巖移觀測資料發(fā)現(xiàn)，利用概率積分法留設的鐵路保護媒柱范圍內(nèi)靠近鐵路附近部分點已下沉15～20 mm，實測10 mm范圍線比概率積分法預測范圍大。為保護鐵路運營安全及鐵路煤柱的合理留設，分析工作面開采對濉阜鐵路的影響以及地表沉降與工作面距離之間的關系?；幢钡V業(yè)聯(lián)合中國礦業(yè)大學分別利用傳統(tǒng)水準測量和DInSAR技術兩種方法共同監(jiān)測，進行對比分析，從而科學合理留設濉阜鐵路保護煤柱。

圖2 利用概率積分法預測與實測數(shù)據(jù)比較圖

兩種方法優(yōu)缺點的對比分析：

水準測量優(yōu)點：精度高，可達到毫米級，可隨時隨地監(jiān)測、收集數(shù)據(jù)。缺點：現(xiàn)場布點困難，測點難以保存，工作量大，布點受現(xiàn)場客觀條件限制，點數(shù)具有一定的局限性。

DInSAR技術優(yōu)點：通過軟件技術處理后精度可達厘米級甚至局部可達毫米級，DInSAR影像資料獲取容易，可獲取區(qū)域面狀信息。缺點：精度相對高精度水準測量而言精度低，影像資料需要購買，費用高，成本大。

兩種方法成果的對比分析：

利用2016年4月7日～2018年1月15日38景Sentinel-1A數(shù)據(jù)?；赟tamPS方法獲取青東礦地表形變情況，選擇2017年1月8日的影像為主影像，共形成37個干涉對。由于這段時期跨越兩個夏季，從而導致基于單一主影像的StamPS方法獲取的高相干點過少，不能有效地分析鐵路形變以及地表下沉與工作面距離之間的關系。為了提高相干點的數(shù)量，選擇基于多主影像的StamSBAS方法獲取這段時間的地表形變情況，38景Sentinel-1A影像共組成108個干涉對。為了彌補現(xiàn)有傳統(tǒng)觀測資料的不足，分析濉阜鐵路沉降規(guī)律，首先利用已有的鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證StamSBAS監(jiān)測結果。通過對Sentinel-1A數(shù)據(jù)監(jiān)測時間和水準數(shù)據(jù)測量時間進行對比，選取2016年4月19日～2017年11月28日的StamSBAS監(jiān)測結果與2016年4月25日～2017年11月27日的鐵路水準測量結果進行對比，為了獲取相應水準點位置的StamSBAS監(jiān)測結果，采用反距離加權法對StamSBAS監(jiān)測結果進行插值。經(jīng)實驗驗證，StamSBAS鐵路監(jiān)測結果與水準測量結果二者沉降趨勢一致。但StamSBAS監(jiān)測結果的最大下沉值為16.1 mm，且最大下沉位置與水準測量偏差較大。兩者之間的最大偏差為15.1 mm，最小偏差為0.4 mm，標準偏差為3.9 mm，均方根誤差為7.7 mm。通過二者之間的定量評價結果可知，StamSBAS監(jiān)測結果較為可靠，精度可以達到厘米級。

圖3 部分測點不同時間下沉分布圖

經(jīng)分析，鐵路實測與預測下沉變化趨勢相同。在開采初期，距離工作面距離較近處，預測值小于實測值；隨著工作面推進，預測值與實測吻合越好，到工作面快結束時(2017年1月13日)，預測值與實測值吻合很好，當工作面結束后，距離工作面大于870 m以內(nèi)，鐵路預測下沉大于實測下沉。

圖4 不同時間鐵路傾斜分布圖

3 鐵路保護煤柱留設的安全技術范圍確定

由實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2018年6月20日～2018年11月20日半年時間內(nèi)，鐵路下沉量增加較小。以2018年6月20日為起點的下沉差見下圖，從2018年6月20日后，鐵路沉降增加量很小，除個別點沉降差大外，大多數(shù)點沉降差在1～2 mm，說明鐵路下沉已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖5 鐵路下沉差分布圖

移動角與基巖采厚比成線性關系，隨著基巖采厚比增大，移動角增大，回歸關系為：

基于DInSAR技術和傳統(tǒng)技術的融合，經(jīng)大量數(shù)據(jù)分析，對工作面開采影響的邊界角與移動角進行科學計算后得出，對于濉阜鐵路保護煤柱采用以下方法進行留設科學合理，經(jīng)分析計算，最終保護煤柱留設計算方法為：

(1)首先采用移動角初步留設濉阜鐵路保護煤柱；

(2)根據(jù)留設的保護煤柱大小，計算濉阜鐵路地下開采和沉降量，采用工后沉降控制指標評估濉阜鐵路的安全性，確定濉阜鐵路最終保護煤柱范圍；

(3)最后保護煤柱線向外擴充80 m，確定為最終保護煤柱。

4 結 語

采用DInSAR技術監(jiān)測建下壓煤開采地表及建筑物沉降變形是可行的技術；采用地面常規(guī)水準監(jiān)測勞動強度大、監(jiān)測基點不穩(wěn)定，采用DInSAR技術可避免這些問題；國內(nèi)煤礦區(qū)在地表移動觀測建立中同樣存在占用耕地、觀測點位難保存等缺陷，采用DInSAR技術不需要地面點或只需要少量地面點，對于長期、大范圍監(jiān)測開采沉陷具有廣闊的實用價值。

總之，為安全、科學起見，應布設鐵路觀測站進行持續(xù)沉降觀測，同時進行地層詳細勘探、地層沉降監(jiān)測等，不斷更新監(jiān)測數(shù)據(jù)及預測模型，為鐵路保護煤柱留設、保障鐵路安全運行提供技術支撐。