基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面开采地表沉陷规律研究_华怡颖.pdf

收稿日期2019-07-30 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 41671395， 51574132） ， 江苏省研究生科研创新计划项目 （编号 KYCX19_2136） 。 作者简介华怡颖 （1996） ， 女， 硕士研究生。通讯作者胡晋山 （1973） ， 男， 教授， 博士， 硕士研究生导师。 总第 525 期 2020 年第 3 期 金属矿山 METAL MINE 基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面 开采地表沉陷规律研究 华怡颖胡晋山康建荣徐郡 1 （江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院， 江苏 徐州 221116） 摘要针对常规DInSAR监测方法对多工作面开采沉陷预计难度较大的问题， 以大宁矿区为例， 利用小基线 集技术对研究区9景PALSAR数据进行时序处理， 去除轨道误差、 残余数字高程模型误差和大气延迟误差， 得到研 究区沉降速率图、 时序累计沉降图， 并利用实测数据对SBAS-DInSAR的反演结果进行验证。首先分析了2007年1 月2008年 7月的矿区地表沉降速率； 其次选择了沉降范围较大的研究区东部 P101、 P102、 P103工作面作为研究 对象， 分析正在开采的工作面对已采工作面的影响； 最后讨论了开采工作面走向和倾向方向观测点的累计沉降特 征， 总结了矿区多工作面开采沉陷规律。研究表明 矿区开采工作面上方地表发生的沉降范围广、 速率快， 在多工 作面开采作业条件下， 相邻工作面的开采会使已采工作面上方的地表移动衰退期延长， 且随着时间的推移， 地表累 计沉降值增加， 矿区沉降总体趋势体现出下沉盆地特征； SBAS-DInSAR技术可以有效监测矿区多工作面开采地表 沉陷， 可为类似矿区开采沉陷高精度监测提供参考。 关键词开采沉陷SBAS-DInSAR多工作面开采沉降速率变形监测 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -03-177-07 DOI10.19614/ki.jsks.202003026 Study on the Law of Surface Subsidence with Multple Working Faces in Daning Mining Area Based on SBAS-DInSAR Hua YiyingHu JinshanKang JianrongXu Jun2 （School of Geography,Geomatics and Planning， Jiangsu Normal University， Xuzhou 221116， China） AbstractIn order to solve the difficult problem of predicting the mining subsidence of multiple working faces with con- ventional DInSAR， taking Daning mining area as the study example， a small baseline subset technique was applied to process 9 scenes of PALSAR data of the study area， and the orbit error， DEM（Digital Elevation Model）error and atmospheric delay error were removed， the average annual subsidence rate and accumulate subsidence value of the study area were obtained.The inversion results of SBAS-DInSAR can be verified by using the acual monitoring values of mining subsidences of the study ar- ea.Firstly， the surface subsidence rate of the mining area from January 2007 to July 2008 is analyzed； then， the P101、 P102、 P103 working faces in the east of the study area are taken as the study objects to analyze the influence of mining working fac- es on the mined working faces； finally， the accumulated subsidence characteristics of the observation points in the trend and tendency of the working face is discussed， and the mining subsidence law of multiple working faces in mining area is summa- rized.The study results show that the subsidence of the surface above the mining face of the mining area is wide in scope and fast in speed， under the conditions of the mining operation of multiple working faces， the decay period of the surface subsid- ence above the mined working faces is prolonged by the mining operation of adjacent working faces， and the surface subsid- ence value increased with the passage of time， the general trend of subsidence in the mining area reflects the characteristics of subsidence basin.Besides that， the subsidence caused by multipe working faces mining can be monitorted effectively by adopting SBAS-DInSAR technique， which can provide certain reference for the high-precision monitoring of mining subsid- ence of the similar mining areas. Series No. 525 March 2020 177 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 KeywordsMining subsidence， SBAS-DInSAR， Mining of multple working faces， Subsidence rate， Deation monitor- ing 煤炭资源开采在推动我国经济迅速发展的同 时， 也给矿区生态环境带来了严重的负面影响 ［1-2］。 井下工作面的不断推进， 使得矿区周围原始应力平 衡被破坏， 矿区出现了一系列地质灾害， 如地表裂 缝、 山体滑坡、 地表塌陷等 ［3］， 这些灾害严重威胁了矿 区居民的生命财产安全。 相较于传统的变形监测手段 （如精密水准测量、 GPS监测等） 仅能获取点目标的形变信息 ［4-6］， 合成孔 径雷达差分干涉测量 （DInSAR） 技术能够获取大面 积、 连续的地表形变信息， 具有覆盖范围广、 观测成 本低、 全天时、 全天候等特点， 目前该技术已经被广 泛应用于各种变形监测领域 ［7-12］。DInSAR技术的基 本原理是通过获取两幅SAR影像对地面同一区域生 成干涉图， 并对干涉图进行差分处理， 从而精确得到 地表发生的细微形变 ［13-14］。然而， 常规DInSAR处理 方法受时间、 空间失相干和大气延时相位的影响， 难 以在长时间地表缓慢变形监测中得到理想结果 ［15-18］。 短基线差分干涉 （SBAS-DInSAR） 继承了常规 DIn- SAR技术的优点， 且受垂直基线的影响较小， 并能有 效减小空间失相干和大气相位影响， 在地表变形监 测方面更便捷， 更具有优势 ［19-21］。本研究以大宁矿区 为例， 采用短基线差分干涉 （SBAS-DInSAR） 技术对 多工作面上方的地表沉降进行分析， 并利用研究区 内工作面上方布设的地表移动观测站的实测数据检 验SBAS-DInSAR反演结果的可靠性。具体来说 选 择部分观测点并提取这些观测点所对应的 SBAS- DInSAR反演形变值， 将实测值与SBAS-DInSAR反演 值进行了对比分析并计算差值， 发现SBAS-DInSAR 反演出的下沉变化趋势与实测数据基本相符， 且二 者差值较小， 反映出采用SBAS-DInSAR技术反演矿 区地表沉陷具有较好的可靠性。 1研究区概况 大宁矿区位于山西省晋城市阳城县北部， 地处 太行山南端与中条山东北缘的结合部， 区内地形以 低山丘陵为主， 地势西高东低， 为北方山地丘陵地 貌 （图1） 。该区属东亚季风区半干旱大陆性气候， 四 季分明， 夏季多雨， 春秋季多风少雨， 冬季寒冷。 研究矿区井田南北宽4～6 km， 东西长5～12 km， 井田面积38.822 5 km2。井田内主要的含煤地层为石 炭系上统太原组和二叠系下统山西组， 含煤地层总 厚度为124.18 m， 煤层平均厚度10.41 m， 煤层倾角5 ～10。研究区包含5个工作面， 位于井田东部， 如图1 所示， 从西至东编号分别为P101、 P102、 P103、 P104、 P105， 各工作面开采情况如表1所示。为了监测矿区 采动沉降情况， 在P102工作面上方布设了3条观测 线， 分别为走向A线、 倾向B线和倾向C线。A线总长 度为830 m， 布设37个观测点；B线总长度为660 m， 178 ChaoXing 2020年第3期华怡颖等 基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面开采地表沉陷规律研究 布设30个观测点；C线总长度为680 m， 布设36个观 测点。 2数据源与研究方法 2. 1数据源 试验使用的雷达影像为研究区 9景 PALSAR数 据， 时间跨度为 2007年 1月 3日2008年 7月 8日。 数据为L波段， 入射角为38.7， 波长23.5 cm； L波段 具有良好的穿透性， 可以更好地对植被覆盖的茂密 区进行监测 ［22］。同时， 为了减少地形相位的影响， 试 验选用了美国地质调查局发布的30 m30 m分辨率 DEM数据。 2. 2研究方法 试验使用 SARScape 软件进行 SBAS-DInSAR 数 据处理， 处理流程包括生成连接图、 干涉工作流、 轨 道精炼和重去平、 短基线第一步反演、 短基线第二步 反演和地理编码等步骤。设置临界基线最大值为 45， 时间基线最大值为365， 生成像对连接的时空基 线图 （图2） 。其次对所有配准的干涉像对进行干涉 处理， 包括相干性生成、 去平、 滤波和相位解缠4个步 骤， 其中设置解缠相关系数阈值为0.2， 并用Goldstein 滤波方法进行滤波处理。引入外部DEM数据进行轨 道精炼和重去平之后， 进行短基线反演， 第一次反演 估算形变速率和残余地形， 第二次反演计算时间序 列上的位移。最后对SBAS结果进行地理编码， 得到 的主要产品有LOS方向上的平均形变速率、 平均形 变加速度、 累计形变量等。 3可靠性分析 为了验证SBAS-DInSAR反演的可靠性， 本研究 选取了布设在P102工作面上方的地表移动观测站的 实测数据进行验证。首先提取每个观测站对应的 SBAS-DInSAR反演值， 去除反演结果为无效值的观 测站实测数据； 其次由于DInSAR技术对地表大尺度 形变不敏感性， 所以去除大尺度形变点， 选择形变量 较小的观测数据进行验证； 最后对实测数据进行筛 选之后选取了倾向C线上的10个观测点C4、 C13、 C14、 C15、 C17、 C22、 C27、 C30、 C31、 C34， 并由东向西重新编号为 1～10号点， 1号点位于P102工作面东侧地表， 2～6号 点位于P102工作面上方地表， 7～10号点位于P102工 作面西侧地表。观测时间为 2006 年 12 月 23 日 2007 年 6 月 3 日。将上述 10 个测点数据与 SBAS- DInSAR反演结果进行比较， 结果如图3、 表2所示。 由图 3 可知 SBAS-DInSAR 反演出的下沉变化 趋势与实测数据基本相符。结合布设的观测点位置 进行分析， 发现P102工作面东侧地表1号点下沉缓 慢， 2号点处出现了快速下沉现象， 3～10号观测点均 有较大沉降且沉降量先增加后减小， 说明P102工作 面上方地表及西侧地表沉降较为剧烈。分析原因是 由于P102工作面在2007年5月开采结束， 这段时间 内矿区地表移动活跃， P102工作面开采诱发了相邻 西部P101工作面采空区地表继续发生形变， 因此2～ 10号点下沉值较大且具有先增加后减小的趋势。5 号点的下沉值差值最大为39.909 mm， 而观测点的总 179 ChaoXing 金属矿山2020年第3期总第525期 体平均误差为6.6 mm左右， 相对于整个矿区沉降程 度来说误差较小。导致SBAS-DInSAR反演下沉值与 实测值出现偏差的原因， 主要有以下几点 （1） SAR数据受周期性影响， 获取形变场的时间 采样率难以控制， 因此SBAS-DInSAR反演的沉降结 果为2007年1月3日2007年7月6日的矿区地表形 变值， 而实测值是2006年12月23日2007年6月3 日的矿区地表形变值， 二者在时间上有差异。 （2） 由于地面散射点的相干性随时间、 空间而变 化， 所以相干点在空间维度上分布存在不确定性， 因 而小尺度空间上的形变值具有不稳定性。 （3） SBAS-DInSAR技术利用相干区域法减少相 位噪声， 降低了空间分辨率， 难以对点状目标进行精 准的变形监测， 所以在提取观测站的相应测点数据 时易出现偏差。 总体上， 从SBAS-DInSAR反演结果的整体趋势 和监测效果来看， 与实测数据基本相符， 说明采用 SBAS-DInSAR技术反演地表沉降具有可靠性。 4结果分析 4. 1研究区沉降速率分析 通过SBAS-DInSAR数据处理之后， 获得2007年 1月3日2008年7月8日期间大宁矿区LOS （卫星视 线） 方向沉降量ΔD ΔD ΔH cosα， 式中，ΔH为 LOS 方向形变， mm；α为卫星入射角， （） 。 可将卫星视线方向的平均形变速率转换到垂直 方向的平均形变速率， 结果如图4所示。从图4中可 以看出研究区东部沉降较大， P102工作面地表沉降 速率最大， 最大沉降速率为-196 mm/月， 并且由于工 作面开采作业， 导致周围地表也出现了较大沉降， 最 大沉降速率为-144 mm/月。 4. 2时序累计沉降值分析 由于SBAS-DInSAR反演出的时序累计沉降值中 P103工作面大部分点为无效值， 而 P104、 P105工作 面在本研究时间段内尚未进行开采作业， 因此以反 演结果较好的 P101、 P102 工作面为研究对象， 分析 P102、 P103工作面开采时间段内对相邻已采工作面 地表稳定性的影响。 图5是以2007年1月3日为影像获取起始时间， 其他监测时间分别相对于起始时间的时序累计形变 量分布情况。分别提取P101、 P102工作面各期的最 大累计下沉值， 计算每期相对于上一期的最大累计 下沉值变化量、 影像获取时间变化量， 得到了P101、 P102工作面每期最大下沉速率 （表3、 表4） 。 结合研究区工作面开采情况 （表1） 和P101、 P102 工作面每期最大下沉速率 （表3、 表4） 进行分析可知， 2007年 1月至 2007年 2月中旬， P102工作面开采工 作已推进大半， 从图5 （a） 中可以看出P102工作面上 方地表沉降剧烈， 速率为-92.8 mm/月， 此时， 该工作 面上方地表移动仍处于活跃阶段， 且影响了相邻已 采工作面P101及周围地表稳定， P101工作面上方地 表最大下沉速率为-54.7 mm/月； 从图5 （b） 中可以看 180 ChaoXing 2020年第3期华怡颖等 基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面开采地表沉陷规律研究 出， 至2007年7月P102工作面开采结束， P103工作面 开始由南向北开采， 受到相邻工作面 （P103） 开采诱 发， 导致已采工作面 （P102） 结束开采2个月内的地表 移动仍未进入衰退阶段， 下沉速率为-13.4 mm/月， 最 大下沉值为-199 mm； 至 2008年 1月 P103工作面开 采即将结束， 从图5 （e） 中可以看出， 该工作面的持续 开采使得周围地表下沉范围扩大， 相邻工作面P101、 P102地表持续发生沉降， 最大下沉值为-275 mm； 从 图5 （h） 中可以看出， 至2008年7月P103工作面开采 结束5个月后， P102工作面及周围地表的最大沉降量 为-310 mm， 且 2008 年 17 月间 P101、 P102 工作面 累计沉降量均大于-30 mm， 所以 P101、 P102工作面 上方地表仍在缓慢下沉， 地表未达到稳定。由此可 以说明， 由于相邻工作面开采的影响， 使得已采工作 面上方地表移动衰退期延长。 4. 3矿区沉降特征分析 为了更直观地对矿区多工作面的开采沉降特征 进行分析， 将P102工作面上方地表作为研究对象， 在 SBAS-DInSAR反演结果中， 选择了P102工作面上方 走向A线和倾向B线地表移动观测站上的连续点数 据来拟合地表沉降值。由于P103工作面的反演结果 大多为无效值， 因此去除倾向B线上位于P103工作 面上方地表的观测点， 重新选取观测点25～30号点， 使其位于P102、 P103工作面中间地表。本研究绘制 181 ChaoXing 的走向A线时序累计沉降值折线图和倾向B线时序 累计沉降值折线图如图6和图7所示。 由图6可知 随着时间的推移， P102工作面走向 方向上地表累计下沉值逐渐增大； 1～8号点在 P102 工作面北侧地表， 远离P102工作面地表的1号点几 乎没有发生沉降， 越靠近工作面地表的观测点沉降 值越大， 在6号点附近有一处快速下沉现象， 说明越 接近工作面开采区域， 下沉速率越大； 9～37 号点在 P102工作面上方地表， 工作面由南向北开采， 所以越 靠近北部开采区沉降值越大， 下沉速率越快， 随着观 测点向南排列， 观测点的地表时序累计沉降值变小， 地表下沉速率变慢； 走向A线累计沉降变化曲线出现 了下沉盆地特征， 说明P102工作面地表在一定范围 内沉降速率较快， 下沉盆地靠近工作面北部， 这是因 为工作面由南向北开采， 南部区域已开采结束， 北部 开采区域下沉速度较快， 累计沉降值也较大。 由图7可知 随着时间的推移， P102工作面倾向 方向上地表累计下沉值逐渐增大； 1～5号点在 P102 工作面西侧地表， 远离P102工作面的1号点沉降缓 慢， 随着观测点越接近 P102工作面， 地表下沉值越 大； 6～24号点在P102工作面上方地表， 沉降值达到最 大， 说明P102工作面上方地表移动较剧烈； 25～30号 点在P102工作面东侧地表， 随着观测点远离P102工 作面， 沉降值由大到小， 地表下沉速率由快变慢； 在 倾向方向上， P102工作面出现了下沉盆地特征， 越靠 近开采工作面地表下沉速率越快， 下沉值越大。 5结论 （1）利用 SBAS-DInSAR 技术对大宁矿区 9 景 PALSAR影像进行处理， 得到研究区垂直形变速率、 时序累计形变量等信息。利用实测数据对 SBAS- DInSAR反演的沉降结果进行验证， 通过选择合适的 观测点， 提取其对应的SBAS-DInSAR反演值， 对比分 析SBAS-DInSAR反演值与实测值， 并计算差值进行 误差分析。研究表明， 采用SBAS-DInSAR技术监测 矿区多工作面地表形变具有一定的可靠性。 （2） 分析了研究区2007年1月2008年7月间的 地表沉降速率， 其中研究区东部地表移动活跃， 最大 沉降速率可达-196 mm/月。重点对矿区东部多工作 面上方地表进行了时序累计沉降分析， 发现2007年1 月2月中旬P102工作面正在开采， 此时开采工作面 （P102） 影响了相邻已采工作面 （P101） ， 使其上方地 表发生沉降。至2007年7月P102工作面开采完毕， 受相邻P103工作面开采影响， P102工作面上方地表 移动未进入衰退阶段， 地表下沉速率为-13.4 mm/月。 直至2008年7月， P101、 P102工作面上方及周围地表 仍受开采工作面影响， 处于缓慢下沉状态， 尚未达到 稳定。SAR影像处理结果表明， 在矿区多工作面地表 开采工作中， 受相邻工作面开采的影响， 已采工作面 采空区继续发生沉降， 上方地表移动衰退期延长， 且 矿区工作面上方地表沉降出现了下沉盆地特征。 参 考 文 献 岳辉， 刘英， 朱蓉.基于遥感生态指数的神东矿区生态环 境变化监测 ［J］ .水土保持通报， 2019， 39 （2） 101-107. 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