InSAR形變監(jiān)測在開采沉陷損害鑒定及穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用

陳冉麗,王紅軍,刁鑫鵬,張寶金

(1. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 石家莊 050041; 2.河北省橋隧工程施工智能控制技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050041; 3. 河北省高校橋隧智慧建造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,河北 石家莊 050041;4. 中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116)

大規(guī)模、高強(qiáng)度的煤炭開采往往會(huì)破壞地層的原始應(yīng)力平衡,隨著采空區(qū)范圍擴(kuò)大,引起地表的移動(dòng)變形[1-2]。由開采導(dǎo)致的地表沉陷易造成工民用建(構(gòu))筑物損害,嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全并制約了礦區(qū)城市的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí),隨著部分礦區(qū)的煤炭資源枯竭和國家去產(chǎn)能政策的實(shí)施,一些早期礦井已逐步進(jìn)入閉井階段,而關(guān)閉礦井除了可能引起次生沉陷外[3],還面臨著采煤塌陷地的治理再利用,礦區(qū)國有設(shè)施回收等諸多問題。因此,合理開展覆巖移動(dòng)監(jiān)測工作對于后期采煤沉陷區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)、礦區(qū)生態(tài)修復(fù)及政府回收土地二次開發(fā)利用等工作均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前常規(guī)地表沉降監(jiān)測的主要方法是在礦區(qū)內(nèi)布設(shè)“十”字形地表移動(dòng)觀測站[4],定期利用精密水準(zhǔn)測量或RTK獲取監(jiān)測點(diǎn)的高程變化情況,這種監(jiān)測手段雖然精度高、應(yīng)用廣泛,但實(shí)際工程中仍面臨著觀測點(diǎn)易丟失、時(shí)效性差、成本高等問題。合成孔徑雷達(dá)干涉測量(interferometry synthetic aperture radar, InSAR)是一種新型的衛(wèi)星對地觀測技術(shù),它僅對同一區(qū)域的多景SAR影像進(jìn)行復(fù)共軛相乘即可提取大范圍、毫米級(jí)的地面形變信息,具有全天時(shí)、高精度、自動(dòng)化等優(yōu)勢[5-6]。其中小基線集(small baseline subsets InSAR, SBAS-InSAR)技術(shù)能夠有效消除大氣效應(yīng)、時(shí)空失相干影響[7-8],即使在永久散射體密度較低的礦區(qū)也能獲取更為精確的長時(shí)序形變結(jié)果。文獻(xiàn)[9]基于D-InSAR技術(shù)構(gòu)建了傾斜煤層開采地表沉陷監(jiān)測模型,實(shí)現(xiàn)精確提取地表下沉、傾斜和水平移動(dòng)值;文獻(xiàn)[10]應(yīng)用D-InSAR技術(shù)開展了盤州市地下非法采煤活動(dòng),準(zhǔn)確識(shí)別了開采位置和時(shí)間;文獻(xiàn)[11-17]將SBAS技術(shù)成功應(yīng)用于礦區(qū)地表形變的精細(xì)化監(jiān)測、沉降時(shí)空演化揭示和建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性分析。此外,文獻(xiàn)[18-20]對InSAR礦區(qū)形變監(jiān)測也做了重要的研究工作。

現(xiàn)有研究主要集中在礦區(qū)地表的形變監(jiān)測,但對于InSAR在采動(dòng)條件下建(構(gòu))筑物的損害鑒定及關(guān)閉礦井后地表穩(wěn)定性評價(jià)的應(yīng)用相對較少。針對以上問題,本文通過列舉3個(gè)案例,首先明確InSAR技術(shù)在礦區(qū)形變監(jiān)測領(lǐng)域的精度和可靠性,其次將InSAR技術(shù)應(yīng)用于采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)和礦區(qū)開采損害鑒定,分析結(jié)果對于安全、有效、合理地利用廢棄礦井資源和保證建(構(gòu))筑物及人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 InSAR煤礦沉陷監(jiān)測精度分析

為了將InSAR地面沉陷監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)地表穩(wěn)定性評價(jià),需要分析其形變探測精度及可靠性。以安徽北部某煤礦為研究區(qū)[21],在開采工作面上方地表布置了移動(dòng)觀測站(點(diǎn)位分布如圖1所示),并在2010-01-13至2010-02-28期間進(jìn)行了三等水準(zhǔn)測量工作;同時(shí)選取觀測時(shí)段內(nèi)覆蓋研究區(qū)的2景L波段的ALOS PALSAR影像,進(jìn)行二軌法D-InSAR的干涉處理,最終解譯得到工作面開采的沉降信息(如圖2所示)。InSAR精度分析的技術(shù)流程如圖3所示。

圖1 地表沉陷區(qū)等值線及地面觀測點(diǎn)分布

圖2 煤礦開采工作面地表聯(lián)合地理要素的沉陷

圖3 InSAR精度分析技術(shù)流程

由于水準(zhǔn)測量是獲取的“點(diǎn)”狀沉降信息,而InSAR反演的是“面”狀的形變場,兩者無法直接進(jìn)行比較。同時(shí),InSAR技術(shù)在沉降梯度較大的位置(即采空區(qū)中心)往往會(huì)出現(xiàn)空值的情況,因此需要先對InSAR解譯成果進(jìn)行插值運(yùn)算,補(bǔ)全形變場的“空洞”,然后提取水準(zhǔn)點(diǎn)所處位置的InSAR形變像元。該案例共統(tǒng)計(jì)分析了35個(gè)水準(zhǔn)測點(diǎn),其中水準(zhǔn)測值與InSAR結(jié)果最小差值為1 mm,最大差值為27 mm,有29對數(shù)據(jù)差值在10 mm以內(nèi),兩組數(shù)據(jù)的平均差值為7 mm,說明InSAR監(jiān)測能滿足開采沉陷損害溯源及穩(wěn)定性評價(jià)的精度要求。

2 InSAR在關(guān)閉礦井地表沉陷穩(wěn)定性評價(jià)中的應(yīng)用

淮南某礦區(qū)的最后一個(gè)采煤工作面已于2018年10月停采,研究區(qū)位置如圖4所示。根據(jù)已掌握的經(jīng)驗(yàn)分析,到目前為止,該工作面上方地表已經(jīng)趨于穩(wěn)定,即整個(gè)礦區(qū)地表不再發(fā)生明顯沉陷。為進(jìn)行后續(xù)關(guān)停礦區(qū)的交接工作,亟須對該區(qū)域地表穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。因此本案例選取覆蓋研究區(qū)的9景Sentinel-1A雷達(dá)影像(見表1),利用SBAS-InSAR技術(shù)獲取了2018-10-18至2019-04-16的地表垂直向形變時(shí)間序列結(jié)果(如圖5所示)。

表1 評價(jià)區(qū)域SAR影像數(shù)據(jù)

圖4 評價(jià)區(qū)井上下對照

圖5 InSAR監(jiān)測地表垂直形變總下沉

從圖5的解譯結(jié)果可以得到,在評價(jià)區(qū)范圍內(nèi),存在較多的解譯失相干區(qū)域,其位置主要為沉陷積水區(qū),SAR影像在成像過程中產(chǎn)生了鏡面反射而使衛(wèi)星無法接收后向散射,造成信息的缺失;除了評價(jià)區(qū)東側(cè)部分區(qū)域存在垂直沉陷量約為50 mm的較為集中的垂直向變形外,其他區(qū)域的形變量低于30 mm。

為直觀分析采空區(qū)地表的殘余變形情況,在評價(jià)區(qū)域內(nèi)做了3條的剖線(剖線位置如圖6-圖8所示)。其中,剖線1位于西部的采空區(qū)上方;剖線2位于東部采空區(qū)上方,其位置所在的工作面于2018年4月6日回采,2018年10月結(jié)束;剖線3位于評價(jià)區(qū)中部保護(hù)煤柱上方地表,覆蓋工業(yè)廣場。圖9為3條剖線上的地表沉陷情況。

圖6 剖線1位置(評價(jià)區(qū)西部地表)

圖7 剖線2位置(評價(jià)區(qū)東部地表)

圖8 剖線3位置(評價(jià)區(qū)中部地表)

圖9 各剖線地表垂直向位移曲線

綜合分析圖5-圖9的沉陷監(jiān)測結(jié)果可以得到:

(1)評價(jià)區(qū)東部零星區(qū)域連續(xù)6個(gè)月的地表沉降量達(dá)到50 mm,根據(jù)礦方資料顯示,發(fā)生沉陷的位置恰好處于最后一個(gè)開采工作面附近。由于本文試驗(yàn)中InSAR所監(jiān)測的最終時(shí)間節(jié)點(diǎn)(2019-04-16)僅距離礦區(qū)的停采時(shí)間不到一年,該時(shí)段內(nèi)工作面上方地表有可能產(chǎn)生殘余沉降。但據(jù)估計(jì),截止到2020年10月,該區(qū)域已經(jīng)大體恢復(fù)穩(wěn)定。

(2)除上述區(qū)域外,評價(jià)區(qū)范圍內(nèi)地表沉陷量均小于30 mm,且沉陷曲線與未開采區(qū)域的地表變形情況沒有明顯差異性,結(jié)合采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo),認(rèn)為該區(qū)域地表已穩(wěn)定。

3 InSAR在村莊開采損害鑒定中的應(yīng)用

安徽省淮南市某村莊臨近采空區(qū),該礦區(qū)已于2015年6月停采,但現(xiàn)周邊部分房屋建筑出現(xiàn)不同程度的裂縫(房屋損壞情況如圖10所示),亟須鑒定房屋損壞與地下開采擾動(dòng)的關(guān)系,以便后續(xù)受損村民及時(shí)獲得合理補(bǔ)償,解決煤炭企業(yè)與建(構(gòu))筑物業(yè)主之間的矛盾,科學(xué)采取維修加固等技術(shù)措施。

圖10 村莊房屋損害情況

邊界角作為確定地表移動(dòng)盆地影響范圍的角量參數(shù),在煤礦生產(chǎn)建設(shè)工作中起到了重要作用,如保護(hù)煤柱留設(shè)、礦區(qū)采動(dòng)損害范圍劃定等[22]。結(jié)合礦方提供的資料和“三下”采煤規(guī)程,經(jīng)計(jì)算獲取了淮南該礦區(qū)的邊界角,并劃定了其開采影響范圍。如圖11所示,工作面開采的影響理論上已經(jīng)波及至村莊的部分區(qū)域,并造成房屋不同程度的損傷,主要以Ⅰ級(jí)為主,最高出現(xiàn)Ⅳ級(jí)。同時(shí)為了確定礦區(qū)停采后地表的穩(wěn)定性,以覆蓋該區(qū)域的8景Sentinel-1A影像(時(shí)間跨度為192 d)為數(shù)據(jù)源,利用SBAS技術(shù)獲取了研究時(shí)段內(nèi)評價(jià)區(qū)地表的時(shí)序累積形變信息。為便于數(shù)據(jù)解譯,根據(jù)評價(jià)范圍,事先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪,得到裁剪后的影像強(qiáng)度信息如圖12所示。

圖11 井上下對照及開采影響范圍

圖12 評價(jià)區(qū)及周邊SAR影像強(qiáng)度信息

圖13為研究時(shí)段內(nèi)解譯的地表累積垂直位移形變量(沉陷量)。為直觀顯示所解譯區(qū)域的變形情況,分別在圖13中的3個(gè)位置繪制相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的沉陷曲線,如圖14-圖16所示,其中,A-A′線代表村莊位置,B-B′、C-C′線代表非開采影響區(qū)位置(對照)。

圖13 解譯時(shí)間段內(nèi)的地表累積垂直位移形變圖(沉陷)

圖14 A-A′地表沉陷曲線(代表村莊村位置)

圖15 B-B′地表沉陷曲線(代表非沉陷影響位置)

圖16 C-C′地表沉陷曲線(代表非沉陷影響位置)

由圖14-圖16可知,在研究期內(nèi),村莊范圍內(nèi)的地表變形量處于-18～-1 mm,非沉陷影響區(qū)的形變量大致處于-15～ 3 mm,說明村莊地面變形情況與未開采區(qū)域已不存在明顯差異(上述所解譯的地表變形與InSAR技術(shù)自身的解譯精度有關(guān))。同時(shí),依據(jù)評價(jià)指標(biāo),村莊相應(yīng)位置地表的穩(wěn)定性狀態(tài)為穩(wěn)定,可以采取后續(xù)措施。

4 結(jié) 論

(1)通過將InSAR解譯結(jié)果與三等水準(zhǔn)測量對比分析,明確了InSAR監(jiān)測精度能滿足煤礦開采沉陷穩(wěn)定性評價(jià)的要求。

(2)由于InSAR具有大范圍形變監(jiān)測的優(yōu)勢,可以輕易比較開采沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)的地表穩(wěn)定情況,使評價(jià)結(jié)果更加可信。

(3)InSAR技術(shù)能夠溯源地表沉陷過程,相比傳統(tǒng)監(jiān)測手段,可以節(jié)省大量成本。

(4)利用InSAR技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)及沉陷區(qū)與非沉陷區(qū)的對比結(jié)果,彌補(bǔ)了利用類比或模擬確定判斷的不足,可消除各方疑慮。