基于D-InSAR技術(shù)的楊伙盤(pán)礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)與分析

馬立龍 蔡瑞慶 張帆 李倩文

摘 要：【目的】煤炭資源的開(kāi)采引發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，地面塌陷問(wèn)題尤為嚴(yán)重，而地表形變監(jiān)測(cè)是修復(fù)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的首要工作?！痉椒ā縄nSAR技術(shù)作為一種面監(jiān)測(cè)技術(shù)，已成功應(yīng)用到煤礦地面塌陷監(jiān)測(cè)中，本研究利用雷達(dá)差分干涉測(cè)量（D-InSAR）技術(shù)，計(jì)算2020年8月至2022年10月間共31景Sentinel-1A數(shù)據(jù)?！窘Y(jié)果】在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，開(kāi)采工作面的地表共形成3個(gè)形變中心，分別位于301和303盤(pán)區(qū)的工作面，地表在煤礦開(kāi)采后進(jìn)入快速形變期，之后開(kāi)始緩慢形變，直至趨于穩(wěn)定狀態(tài)。【結(jié)論】D-InSAR技術(shù)對(duì)于此類(lèi)地面塌陷問(wèn)題，相較于點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，具有先天的優(yōu)勢(shì)，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取整個(gè)工作面的形變情況，對(duì)煤礦生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的改善起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：楊伙盤(pán)煤礦；D-InSAR；Sentinel-1A；地表形變監(jiān)測(cè)；工作面

中圖分類(lèi)號(hào)：TD327；P237；P642.26? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）03-0037-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.008

Monitoring and Analysis of Surface Deformation in Yanghuopan

Mining Area Based on D-InSAR Technology

MA Lilong1 CAI Ruiqing1 ZHANG Fan2 LI Qianwen2

（1.Xinjiang Bureau of Geo-exploration & Mineral Development the Third Geological Group，Korla 841000，China;2. Xi'an Meihang Remote Sensing Information Co.， Ltd.， Xi'an 710100，China）

Abstract： [Purposes] The mining of coal resources has caused a series of ecological and environmental problems， and among them， the problem of ground collapse is particularly serious， and the monitoring of surface deformation is the primary work to repair ecological environment. [Methods] InSAR technology has been successfully applied to the monitoring of coal mine surface collapse as a surface monitoring technology， and 31 Sentinel-1A data fromAugust 2020 to October 2022 were calculated by using radar differential interferometry （D-InSAR） technology to monitor surface deformation in Yanghuopan Coal mine in this paper. [Findings] During the monitoring period， according to the monthly shape variables obtained by D-InSAR technology， three deformation centers were formed， which were located in the working face of the 301 and 303 panels respectively， and the surface of the coal mine entered the rapid deformation period after mining， and then began to deform slowly until it reached a stable state. [Conclusions] D-InSAR technology has a congenital advantage over point monitoring technology for this kind of ground collapse problem， which can quickly and conveniently obtain the deformation of the whole working face， and plays a reference role in improving the ecological environment monitoring..

Keywords： Yanghuopan Coal Mine; D-InSAR; Sentinel-1A; surface deformation monitoring; working face

0 引言

我國(guó)的煤炭等礦產(chǎn)資源較為豐富，但開(kāi)采的同時(shí)，也會(huì)引起較多的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。例如地面塌陷及其引發(fā)的一系列次生災(zāi)害，導(dǎo)致農(nóng)田被破壞［1］，發(fā)生崩塌或滑坡等［2］，給人民的生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)＜叭嗣裆?cái)產(chǎn)安全［3-4］。因此，在地下煤炭開(kāi)采過(guò)程中對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地表形變監(jiān)測(cè)、分析及預(yù)測(cè)顯得尤為重要［5-6］。

目前，在礦區(qū)地表形變監(jiān)測(cè)方面，主要還是依賴(lài)于傳統(tǒng)的水準(zhǔn)及GPS測(cè)量，即在生產(chǎn)工作面上每隔一段距離布設(shè)一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)或GPS點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。此方法一方面人工消耗成本高，周期長(zhǎng)；另一方面兩者都是基于點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)于礦區(qū)大范圍、大區(qū)域的監(jiān)測(cè)需要大量加密點(diǎn)通過(guò)擬合獲取最終結(jié)果，無(wú)法保證精度［7-9］。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（InSAR）技術(shù)作為一種高效觀測(cè)技術(shù)，不受天氣、云霧的影響，具有大范圍面監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，很大程度上降低了人力、物力、財(cái)力的消耗［10-12］。

本研究基于D-InSAR技術(shù)，利用中分辨率Sentinel-1A數(shù)據(jù)對(duì)楊伙盤(pán)煤礦礦區(qū)地表形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，結(jié)合礦區(qū)的工作面分布等資料，提取礦區(qū)工作面開(kāi)采沉陷形變場(chǎng)，分析沉陷變化規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

楊伙盤(pán)煤礦位于陜西省神木市城北約30 km的府店一級(jí)公路北側(cè)，行政區(qū)劃屬神木市店塔鎮(zhèn)。工作區(qū)交通便利，西（安）—包（頭）鐵路、210國(guó)道西（安）—包（頭）公路從楊伙盤(pán)煤礦西側(cè)通過(guò)，神（木北）—朔（州）鐵路及府店一級(jí)公路均從煤礦南緣黃羊城溝內(nèi)通過(guò)，緊鄰煤礦工業(yè)場(chǎng)地。

根據(jù)現(xiàn)有巷道布置情況，結(jié)合各煤層開(kāi)采范圍及煤層賦存特點(diǎn)，一水平3-1煤劃分為4個(gè)盤(pán)區(qū)，分別為301、302、303、304盤(pán)區(qū)。3-1號(hào)煤層開(kāi)采工作面分布情況如圖1所示，301盤(pán)區(qū)工作面為30101～30120，302盤(pán)區(qū)工作面為30201～30208，303盤(pán)區(qū)工作面為30301～30304，304盤(pán)區(qū)工作面為30401～30405。2020年對(duì)30113、30115、30117、30112和30114工作面進(jìn)行回采；2021年對(duì)30117、30114、30116、30301和30302工作面進(jìn)行回采；2022年對(duì)30302、30303、30116、30118和30119工作面進(jìn)行回采。

2 研究數(shù)據(jù)及方法

2.1 SAR數(shù)據(jù)

本研究使用的SAR數(shù)據(jù)為歐洲太空局Sentinel-1A衛(wèi)星在TOPS成像模式下的寬幅干涉SLC數(shù)據(jù)，為目前最常用的中分辨率SAR數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。本次共收集的2020年8月至2022年11月間的31景升軌數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，軌道號(hào)為113/126。

DEM數(shù)據(jù)為ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30 m”（AW3D30），水平分辨率為30 m（1弧秒），高程精度5 m。其是目前世界上最精確的3D地圖，覆蓋全球所有的土地尺度。精密軌道數(shù)據(jù)采用成像21 d之后發(fā)布的POD精密軌道數(shù)據(jù)。

2.2 D-InSAR技術(shù)方法

D-InSAR技術(shù)是以合成孔徑雷達(dá)兩次及以上數(shù)據(jù)提取的相位信息為信息源，獲取地表三維信息和變化信息的一項(xiàng)技術(shù)。雙軌D-InSAR是對(duì)同一研究區(qū)在形變發(fā)生前后獲取的兩幅SAR影像，進(jìn)行干涉得到干涉圖，干涉圖中的相位值即為兩次成像的相位差測(cè)量值。然后基于外部的DEM模擬地形相位，與干涉圖進(jìn)行差分處理，得到差分干涉圖，最終提取目標(biāo)點(diǎn)處地表沿視線向形變量，流程如圖2所示。

D-InSAR技術(shù)主要是利用相位差信息來(lái)獲取地形及形變信息［13］，相位差信息計(jì)算見(jiàn)式（1）。

[δ?=?1??2=4πλ（ρ1?ρ2）] （1）

式中：[δ?]表示相位差；[?]表示相位；[λ]表示波長(zhǎng)；[ρ]表示斜距。

將衛(wèi)星分別在兩個(gè)軌道處獲取的SAR圖像做相干運(yùn)算，獲取形變前的地形差分相位信息，同理可以獲取形變發(fā)生后的地形差分相位信息。將形變前后的地形差分相位信息作差分，就可以獲取地表形變的干涉紋圖。

3 結(jié)果與分析

通過(guò)D-InSAR技術(shù)獲取工作面的30幅月度形變量圖。由于工作面采煤的時(shí)間和強(qiáng)度情況不同，每個(gè)時(shí)間段的形變分布范圍和量級(jí)均有差異，總體來(lái)說(shuō)，形變主要分布在①、②、③三個(gè)區(qū)域，分別位于301和303盤(pán)區(qū)。例如，20210226—20210403時(shí)間段的形變量分布如圖3所示。由圖3可知，①、②區(qū)域均有形變，而③區(qū)域的工作面尚未進(jìn)行開(kāi)采，因此無(wú)形變分布。在①、②、③三個(gè)區(qū)域的工作面分別做一條剖線，形變分析如下。

①區(qū)域的月度形變分布如圖4所示，工作面開(kāi)采及形變時(shí)間間隔基本在2020年8月至2022年10月之間。涉及的工作面為30112、30114、30116、30118。本研究對(duì)30114工作面的開(kāi)采情況進(jìn)行說(shuō)明。在2020年10月左右［圖4（4）］，30114工作面開(kāi)始開(kāi)采，到2021年9月末［圖4（14）］，開(kāi)采導(dǎo)致的形變基本結(jié)束。在30114工作面上畫(huà)一條剖線，分析其在開(kāi)采階段的形變情況，如圖5所示。在開(kāi)采過(guò)后，地表沿著工作面隨著時(shí)間推移逐段出現(xiàn)突變，最大形變量約為-40 mm，處于20210521—20210801時(shí)間段，主要是由于時(shí)間間隔較長(zhǎng)。其余時(shí)間段的形變量級(jí)基本都在-30 mm范圍內(nèi)。

②區(qū)域的月度形變分布情況如圖6所示，工作面開(kāi)采及形變時(shí)間間隔為2020年8月至2021年5月，之后該區(qū)域的工作面地表無(wú)形變。開(kāi)采的工作面主要有30115和30117工作面，而形變覆蓋的工作面為30113、30115、30117和30119。本次對(duì)30117工作面的開(kāi)采情況進(jìn)行說(shuō)明。大概在2020年11月左右［圖6（5）］，30117工作面開(kāi)始開(kāi)采，到2021年5月末［圖6（10）］，形變基本結(jié)束。在30117

工作面上畫(huà)一條剖線分析其在開(kāi)采階段的形變情況，如圖7所示。在開(kāi)采過(guò)后，地表沿著工作面逐段出現(xiàn)突變，最大形變量約為-35 mm。

③區(qū)域的月度形變分布情況如圖8所示，工作面開(kāi)采及形變時(shí)間間隔為2021年5月至2022年10月。開(kāi)采和形變涉及的工作面主要有30301、30302和30303工作面。本研究對(duì)30302工作面的開(kāi)采情況進(jìn)行說(shuō)明。2021年10月［圖8（6）］，30302工作面開(kāi)始開(kāi)采，到2022年5月［圖8（13）］，形變結(jié)束。在30302工作面上畫(huà)一條剖線，分析其在開(kāi)采階段的形變情況，如圖9所示。在開(kāi)采過(guò)后，地表沿著工作面逐段出現(xiàn)突變，最大形變量約為-45 mm。

4 結(jié)論

本研究利用傳統(tǒng)的D-InSAR技術(shù)對(duì)楊伙盤(pán)煤礦地表進(jìn)行了月度形變量監(jiān)測(cè)，并結(jié)合工作面的開(kāi)采情況進(jìn)行了具體分析，得出以下結(jié)論。

①獲取到2020年8月至2022年11月之間的31幅形變量分布圖，形變隨著開(kāi)采工作面的采煤推進(jìn)進(jìn)行展布，可探測(cè)的最大形變量約為-63 mm。

②在監(jiān)測(cè)期內(nèi)，煤礦開(kāi)采的工作面為30112、30114、30116、30118、30115、30117、30301、30302、30303。而形變覆蓋的工作面比開(kāi)采工作面范圍廣，30113和30119工作面也有形變分布。

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