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  大地测量与地球动力学  2020, Vol. 40 Issue (3): 276-280  DOI: 10.14075/j.jgg.2020.03.011

引用本文  

孙赫, 陈巍然, 牛玉芬, 等. 基于InSAR的矿区沉降中心动态变化监测与分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2020, 40(3): 276-280.
SUN He, CHEN Weiran, NIU Yufen, et al. Monitoring and Analysis of Dynamic Change of Mining Subsidence Center Based on InSAR[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2020, 40(3): 276-280.

项目来源

中国地震局震情跟踪定向工作任务(2019010501)。

Foundation support

The Earthquake Tracking Task of CEA, No.2019010501.

第一作者简介

孙赫,工程师,主要从事遥感数据处理与地表变形监测研究,E-mail:sunhele@163.com

About the first author

SUN He, engineer, majors in remote sensing data processing and surface deformation monitoring, E-mail:sunhele@163.com.

文章历史

收稿日期:2019-03-11
基于InSAR的矿区沉降中心动态变化监测与分析
孙赫1     陈巍然2     牛玉芬3     徐晶4     
1. 中国人民解放军61175部队,南京市,210049;
2. 西安航天恒星科技实业(集团)有限公司,西安市东长安街504号,710100;
3. 长安大学地质工程与测绘学院,西安市雁塔路126号,71005;
4. 中国地震局第二监测中心,西安市西影路316号,710054
摘要:以安徽省颍上县谢桥煤矿为例,采用InSAR技术探测矿区2007~2011年内各时间段的地表形变结果,利用岩床模型模拟矿区的形变场,分析沉降漏斗的发育状态,为区域地面沉降危险性评估提供重要参考依据。InSAR形变结果显示,开采区域内存在多处沉降漏斗,大体呈东西向分布;随着时间的推移,沉降中心不断推移,沉降范围逐渐扩大。结合遥感影像发现,沉降漏斗与塌陷水域的形成在时间上存在一致性,空间分布也存在高度相关性。
关键词煤矿D-InSAR形变模拟沉降中心

差分干涉雷达测量技术(differential interferometry synthetic aperture radar, D-InSAR)成功地应用在煤矿地面沉陷监测中[1-5],打破了传统测量离散点数据监测的局限,能得到矿区沉陷影响范围内大面积的地表形变场,分析其动态变化规律,为矿区变形预测研究与防治措施提供重要技术支撑。

本文应用D-InSAR技术对覆盖谢桥矿区的11景L波段的ALOS PALSAR数据进行处理,获取研究区域的整体地表沉陷形变场,并分析研究区域内沉降漏斗中心的动态变化过程。

1 研究背景与数据处理 1.1 背景介绍

谢桥煤矿位于潘谢矿区(116°~117°E, 32.5°~33°N)西端,1997-05投入生产,矿区大致呈东西走向,区域内地势平坦,地下水资源丰富,雨水充沛,导致矿区出现典型的塌陷水域现象[6],影响范围约70 hm2[7],居民人身和财产安全受到严重威胁。

为解决上述问题,需要预测矿区沉陷范围,采取相应治理措施。但目前针对谢桥矿区的沉陷监测研究较少。闫建伟等[8]已获取2景L波段的1个干涉对(2007-12-10~2008-01-25);李少朋等[9]已获取C波段的3个干涉对,但缺少最近几年的长时间监测结果。本研究综合王志勇等[3]的研究结果,采用D-InSAR技术对覆盖谢桥矿区的11景ALOS PALSAR影像进行处理,进一步得到矿区地表全盆地内各时间段的地表沉陷结果,统计沉陷区的动态沉陷规律,为治理提供有效的数据依据。

1.2 SAR数据及处理

本研究选用的SAR卫星影像数据为L波段的ALOS PALSAR影像,时间从2007~2011年,共11景(表 1),波长23.6 cm。外部DEM数据为美国国家航空航天局NASA提供的30 m分辨率的数据。

表 1 SAR卫星数据参数 Tab. 1 Parameters of SAR satellite data

研究基于GAMMA软件开展,选用时间基线小于100 d、空间基线小于1 100 m的影像对,采用D-InSAR技术进行处理,距离向与方位向的分辨率调为20 m×20 m,利用外部DEM数据除去地形相位,并采用自适应滤波方法[10]去除干涉图中的高频噪声[11],同时提高相位解缠的可信度,最终得到相干性较高的干涉解缠相位。

2 InSAR形变场获取

针对矿区地表形变探测,刘琪等[5]给出的差分法即可以满足监测要求,因此本文采用D-InSAR技术获取研究区域的InSAR形变场,同时选择符合上节中基线要求的影像,按照图 1的处理流程进行筛选,最终选取谢桥矿区的6个时间段内地表形变结果(图 2表 2)。图 2显示,在SAR卫星监测时间段内,谢桥采矿区内存在多个沉降漏斗,大致呈东西向分布,与矿区走向基本一致,影响面积达15 km2。在煤矿开采的不同时段,沉降漏斗的位置、大小及形态都在发生变化。2个时段内的沉降漏斗中心位置存在部分失相干,其可能原因主要有2个:1)研究时段内矿区塌陷形变梯度过大,超过InSAR可监测的梯度范围;2)矿区的地表沉陷形成塌陷水域,导致影像失相干(见3部分)。尽管如此,依然可以对矿区多个沉降漏斗的整体位置和范围进行分析。

图 1 双轨差分数据处理流程 Fig. 1 The flow of data processing for D-InSAR

图 2 相位解缠干涉对 Fig. 2 Phase unwrapping interferograms

表 2 干涉对列表 Tab. 2 List of interferograms
3 InSAR沉降形变分析

图 3(a)为谢桥矿区2018-03-15遥感影像图,图 3(b)为InSAR形变场(2010-11-19~2011-02-19)。由图 3(a)可知,采矿区内存在大片塌陷水域,与采矿沉陷区存在很高的空间一致性,推测该区域内的塌陷水域现象主要为矿区沉陷所致。根据矿区塌陷水域的研究[6-7],以及区域内的水环境背景[12],推测谢桥矿区开采过程中导致了地面沉陷,并且没有及时采取有效的防治措施,同时研究区域内地表、地下水资源充沛,因此形成了矿区内典型的塌陷水域。矿区的塌陷导致农田大面积淹没、房屋损坏以及交通中断,直至2018年这些塌陷水域一直未恢复。由此可见,矿区塌陷不仅带来了巨大的经济损失,而且严重威胁居民的人身安全,因此需要针对矿区塌陷采取合理措施,及时、准确地进行地面沉降动态监测,以便最大程度地减少矿区开采对周边环境带来的影响。

图 3 InSAR形变场(2010-11-19~2011-02-19) Fig. 3 Deformation of InSAR (2010-11-19-2011~02-19)

为了具体分析沉降漏斗的变化情况,现选取图 3标注的2号独立沉陷水域面积最大的区域进行具体的分析与解释。

3.1 沉降漏斗剖面结果

沿矿区东西走向作一条剖面(图 4(a),为2号矿区基于干涉对2010-11-19~2011-02-19的InSAR形变场),提取剖面上的形变结果(图 4),由于矿区的不断开采,沉降区已经形成明显的沉降漏斗。

图 4 沿矿区走向的沉降剖面 Fig. 4 Subsidence profile along the strike of the mining area
3.2 InSAR形变场模拟计算

为了进一步分析沉降漏斗的发育状态,本文以获取的InSAR形变场(干涉对2010-11-19~2011-02-19)为约束,利用岩床模型[10]来模拟计算矿区的形变场。

煤矿开采导致地下岩层空间存在采空区,内部压力减小,在重力的作用下导致地面的沉陷。岩床模型基于位错理论来分析区域内的构造活动[13],利用矩形位错面来表示均一弹性半空间内的断层,是倾角参数为0°时的普通断层模型,即岩床模型没有走滑分量与倾滑分量。断层面的下盘模型通过矩形位错面的长度、宽度、深度、断层面的走向、倾向等参数进行确定。其中矿区开采资料显示,煤层开采过程为近水平方向,地表开采沉陷以垂直形变为主。另外,由于矿区开采过程中实际断层是不连续的,反演时为了提高单一矩形断层面计算的精度与准确度,将整个半弹性位错模型划分为均匀分布的矩形断层面,并对总体运用分布式位错模型进行实验;同时,利用蒙特卡洛模拟方法与单一下降法来估计参数;最后,利用最小二乘法判断观测值与模拟值的拟合度。

图 5(b)为模拟形变场,结果相对连续,总体相对准确,可以反映整体沉陷,同时也可以得到局部形变。残差结果(图 5(c))显示,模拟形变场整体上可以很好地解释观测结果(图 5(a)),拟合度达到86%。将反演结果与实际InSAR结果对比分析可知,最大量级均在20~25 cm之间,形变量级基本一致;漏斗沉降中心均偏向煤层开采走向的西侧;但局部位错模型反演结果在沉降漏斗右上区域存在较大残差,这主要是由于InSAR技术难以探测超限的形变梯度所致,这是目前InSAR监测国内部分矿区塌陷亟待解决的技术难点,也是我们后续研究的重点。另外,通过对比分析也证实了InSAR监测结果的正确性与可靠性。

图 5 矿区InSAR形变场 Fig. 5 InSAR deformation of mining area

反演结果显示的几何参数如表 3,平面位置如图 5(b)中黑色框所示。断层走向约为1.8°,近似水平方向,符合煤层开采方向;开采深度约为318 m,与袁景[14]给出的谢桥矿区开采深度在410~446 m之间存在略微差异,可能受到断层长度与宽度的影响;开采区内的体积变化约为4.4×104 m3

表 3 岩床模型参数值 Tab. 3 Parameters of the best-fitting model sill

由于缺乏2号矿区详细的开采数据,目前无法就反演结果与实际情况进行更深入的对比和分析。

3.3 沉降漏斗动态变化分析

随着矿区工作的不断推进,开采过程中会对地表产生不同程度的影响,沉降漏斗的中心位置及边界影响范围都会随之变化(图 6)。因此,也可以从地表沉陷的变化来猜测矿区开采的推进过程。

图 6 研究区域InSAR形变场变化结果 Fig. 6 Results of the InSAR deformation field in the study area

图 6(a)为2号矿区2006~2011年间的遥感影像数据,数据显示,研究区域内2007-12之前不存在塌陷水域区,2008-12出现水域区,之后影响面积持续增大。6(a)-(3)中的塌陷水域区对应图 6(b)-(3)中部分失相干区域,这说明塌陷水域的形成是导致矿区影像失相干的重要原因之一。图 6(b)中6组形变场显示,2007-02研究区域出现沉降,从时间域也可以说明该区域内的塌陷水域是由于矿区开采沉降导致的。同时,随着时间的推移,沉降中心逐渐由西向东、由南向北变化,沉降的影响面积一直在扩大,最后基本与塌陷水域范围重合;由沉降中心位置的变化可以推测出,该矿井的开采方向应该是由西向东推进的。

4 结语

本文基于ALOS PALSAR数据,得到安徽省谢桥煤矿2007~2011年各时间段的InSAR地表形变场。监测结果显示,研究区域存在沉降,表现为漏斗形态,影响范围达15 km2。沉降漏斗基本呈东西分布,结合遥感影像发现与区域内的塌陷水域范围大体一致,同时也可以证实InSAR结果的可靠性。随着时间的推移,沉降中心逐渐由西向东变化,沉降的影响面积逐步扩大,同时也可以推测此处开采方向应该是由西向东推进的。另外,本研究基于矿山开采沉陷模型,采用岩床模型模拟了研究区域的InSAR形变场,拟合度达到86%,得到开采深度与体积变化分别为318 m与4.4×104 m3,为相关部门制定防治措施提供了帮助,可以最大限度地减小国家的经济损失。

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Monitoring and Analysis of Dynamic Change of Mining Subsidence Center Based on InSAR
SUN He1     CHEN Weiran2     NIU Yufen3     XU Jing4     
1. 61175 Troops of PLA, Nanjing 210049, China;
2. Xi'an Space Star Technology(Group) Co Ltd, 504 East-Chang'an Street, Xi'an 710100, China;
3. School of Geological Engineering and Geomatics, Chang'an University, 126 Yanta Road, Xi'an 710054, China;
4. The Second Monitoring and Application Center, CEA, 316 Xiying Road, Xi'an 710054, China
Abstract: Taking the Xieqiao coal mine in Yingshang county of Anhui province as an example, we use the InSAR technique to detect the surface deformation results of the mining area from 2007 to 2011. We use the sill model to simulate the deformation of the mining area and analyze the subsidence funnel. The developmental state provides an important reference for regional land subsidence risk assessment. The results of InSAR deformation show that there are many subsidence funnels in the study area, which are generally distributed in the east-west direction. With the passage of time, the subsidence center continues to move and the range of subsidence gradually expands. Combined with remote sensing images, it is found that the formation of the settlement funnel and the collapsed water area is consistent in time, and the spatial distribution is also highly correlated.
Key words: coal mine; D-InSAR; deformation; modelling; subsidence center