基于DInSAR技術(shù)的煤礦地面沉降監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究

楊思劍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)地煤安平煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900）

在我國(guó)，地面沉降的主要誘導(dǎo)原因是開(kāi)采挖掘礦產(chǎn)資源引起的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2009年，全國(guó)礦井開(kāi)采量中包含的沉陷土地占有59萬(wàn)km2，經(jīng)過(guò)煤炭開(kāi)采量換算，計(jì)算得到開(kāi)采1萬(wàn)t煤可致使土地的沉陷面積為0.19 km2，我國(guó)每年在煤炭挖掘中引起的新增沉陷土地大約有5.9萬(wàn)km2[1-2]。房屋、路面、基礎(chǔ)工程設(shè)施等都會(huì)因地面沉降出現(xiàn)不同程度的損毀，此問(wèn)題進(jìn)而影響到居民群眾的正常生活，因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)判整個(gè)礦區(qū)的地面沉降問(wèn)題是目前礦區(qū)安全生產(chǎn)的重中之重。近年來(lái)，基于差分干涉方法高速發(fā)展的合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（D-InSAR技術(shù)）已成為監(jiān)控地面沉降的主流技術(shù)手段，效果明顯，其可針對(duì)多空間全面覆蓋監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化，并保證高精度測(cè)量，在采礦地質(zhì)安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用。

1 D-InSAR技術(shù)的發(fā)展

基于InSAR技術(shù)的成熟衍化發(fā)展了D-InSAR技術(shù)，該技術(shù)因其可適應(yīng)各種天氣情況，并在極端情況下具有高分辨率和高精度，因此受到了全球地質(zhì)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者以及業(yè)界的追捧，利用其技術(shù)改善了我國(guó)高端精密測(cè)量?jī)x器以及衛(wèi)星定位圖像識(shí)別精度失準(zhǔn)的問(wèn)題，進(jìn)一步幫助了我國(guó)對(duì)能源礦產(chǎn)的安全勘探以及對(duì)地表地質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)研究，推動(dòng)了地質(zhì)行業(yè)、儀表儀器測(cè)量領(lǐng)域以及采礦領(lǐng)域的發(fā)展[3]。D-InSAR技術(shù)的工作原理是基于差分干涉測(cè)量方法，調(diào)用相位雷達(dá)對(duì)目標(biāo)監(jiān)控測(cè)試區(qū)間進(jìn)行全方位觀察記錄，從而得到該區(qū)域的地表變形信息。近年來(lái)，主流研究應(yīng)用的差分干涉法包括兩軌法、三軌法以及四軌法。其中，兩軌法首先會(huì)建立目標(biāo)地區(qū)的數(shù)字高程模型，然后使用兩個(gè)雷達(dá)進(jìn)行掃描拍攝該區(qū)域地表，將拍攝的地表圖像信息組合為一組干涉對(duì)，由其自動(dòng)獲得含有地表數(shù)據(jù)的干涉圖，進(jìn)一步將模型與干涉圖進(jìn)行比較，通過(guò)目標(biāo)地區(qū)的外圍數(shù)字高程模型開(kāi)始反推地形的相位，將干涉圖中的干涉相位數(shù)據(jù)消掉，只保存顯示地形變形數(shù)據(jù)的干涉圖圖像?；趦绍壏ǖ墓ぷ髁鞒蹋蛇f推得到三軌法與四軌法的工作原理。

2 D-InSAR技術(shù)在煤礦地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 實(shí)例項(xiàng)目說(shuō)明

晉能集團(tuán)安平煤業(yè)有限公司位于山西省朔州市山陰縣馬營(yíng)鄉(xiāng)馬營(yíng)村，礦區(qū)所在區(qū)域內(nèi)地面相對(duì)平整，依村而建，交通運(yùn)輸通道交錯(cuò)。該礦區(qū)開(kāi)采深度標(biāo)高為140～200 m，年采煤量為5×106t。從2014年8月到2019年6月，各盤區(qū)的開(kāi)采工作面，開(kāi)采面挖掘進(jìn)深總計(jì)94 571 m，煤炭開(kāi)采量1.836 7×107t。在礦井開(kāi)采過(guò)程中，不僅需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)煤炭開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題，還需保證礦區(qū)周邊區(qū)域地質(zhì)和環(huán)境的變化情況。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)該煤礦周邊農(nóng)村生活區(qū)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)原先的大片農(nóng)田慢慢變少，土地和道路出現(xiàn)沉降和裂口，個(gè)別村戶的房屋也出現(xiàn)了裂縫和倒塌等情況。上述現(xiàn)象極大地危害了周邊居民的生活狀態(tài)和生命安全，所以煤礦對(duì)于地面沉降或者地質(zhì)情況的監(jiān)測(cè)是極其必要的。

利用 D-InSAR技術(shù)對(duì)該礦區(qū)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)，同步對(duì)礦區(qū)整體地貌和開(kāi)采點(diǎn)分布進(jìn)行三維建模，分別得到礦區(qū)總體的三維數(shù)據(jù)信息、ALOS PALSAR圖像信息。經(jīng)過(guò)計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)每采煤5000 t地面沉降0.4 hm2，同時(shí)觀測(cè)到盤區(qū)的均相干系數(shù)為0.69。圖1為盤區(qū)差分干涉圖像，在差分干涉圖圖1（c）的中間位置可發(fā)現(xiàn)存在3條帶有顏色且呈周期性變化的條紋，大致可推斷盤區(qū)的地面沉降最大落差為24 cm。從圖1（f）中可觀察到地面沉降整體呈均勻性排布，中間基本無(wú)間斷點(diǎn)，從這可推斷出ALOS PALSAR干涉對(duì)圖像會(huì)對(duì)D-InSAR技術(shù)在實(shí)踐過(guò)程的應(yīng)用提供促進(jìn)作用。在建立礦區(qū)外部數(shù)據(jù)信息時(shí)，DEM數(shù)據(jù)采用1:51 000開(kāi)展坐標(biāo)變換，可以選用WGS_84坐標(biāo)代替太原70坐標(biāo)，對(duì)地面的分辨率設(shè)置為30 m，高程精度定義為5 m，具體數(shù)據(jù)參照表1。

圖1 D-InSAR技術(shù)得到的各階段沉降變化圖

表1 ALOS PALSAR影像參數(shù)

2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理

首先在計(jì)算機(jī)中針對(duì)雷達(dá)獲取的盤區(qū)圖像，挑選某一點(diǎn)為M點(diǎn)，對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行地面沉降監(jiān)測(cè)研究，統(tǒng)一對(duì)DEM數(shù)據(jù)信息和干涉對(duì)（30 m的分辨率）做差分干涉處理，然后針對(duì)干涉處理后的DEM數(shù)據(jù)信息以及輔圖像信息和主圖像信息作配對(duì)識(shí)別，配對(duì)后對(duì)其進(jìn)行濾波衰減，從而輸出提升后的差分干涉圖，進(jìn)一步利用地理編碼法和相位轉(zhuǎn)換法獲取到該煤礦的DEM高程等值數(shù)據(jù)圖像如圖1（a）。

2.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼整理后獲得此礦區(qū)在2019年7月10日到7月17日時(shí)間段內(nèi)的地面沉降數(shù)據(jù)信息，包括沉降區(qū)域面積、地面平均沉降量、沉降區(qū)域幾何形狀以及沉降區(qū)域分布圖（如表2所示）。根據(jù)圖1和表2可以觀察到，盤區(qū)的地面沉降幾何形狀表現(xiàn)為扇形塌陷，從整體來(lái)看，沉降區(qū)域排布較為居中且均勻?qū)ΨQ，只是邊際區(qū)域的離散點(diǎn)有些分散?？偟牡孛娉两得娣e為1.5×104m2，最大沉降量為24 cm。

表2 地面沉降量統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述實(shí)例數(shù)據(jù)分析，可以看到D-InSAR技術(shù)在實(shí)際煤礦開(kāi)采安全監(jiān)測(cè)工況下的重要性，該技術(shù)可以第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到煤礦地面沉降問(wèn)題以及其他地質(zhì)形變情況，同時(shí)還兼具預(yù)警作用，將潛在隱患快速找出，指導(dǎo)快速做出應(yīng)對(duì)措施，將事故扼殺在搖籃中。