基于DInSAR技術的煤礦地面沉降監測應用研究

楊思劍

（晉能控股煤業集團地煤安平煤業有限公司，山西 朔州 036900）

在我國，地面沉降的主要誘導原因是開采挖掘礦產資源引起的。據統計，到2009年，全國礦井開采量中包含的沉陷土地占有59萬km2，經過煤炭開采量換算，計算得到開采1萬t煤可致使土地的沉陷面積為0.19 km2，我國每年在煤炭挖掘中引起的新增沉陷土地大約有5.9萬km2[1-2]。房屋、路面、基礎工程設施等都會因地面沉降出現不同程度的損毀，此問題進而影響到居民群眾的正常生活，因此，實時監測和預判整個礦區的地面沉降問題是目前礦區安全生產的重中之重。近年來，基于差分干涉方法高速發展的合成孔徑雷達技術（D-InSAR技術）已成為監控地面沉降的主流技術手段，效果明顯，其可針對多空間全面覆蓋監測，可實現全流程自動化，并保證高精度測量，在采礦地質安全監測領域實現了大規模應用。

1 D-InSAR技術的發展

基于InSAR技術的成熟衍化發展了D-InSAR技術，該技術因其可適應各種天氣情況，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領域專家學者以及業界的追捧，利用其技術改善了我國高端精密測量儀器以及衛星定位圖像識別精度失準的問題，進一步幫助了我國對能源礦產的安全勘探以及對地表地質環境的監測研究，推動了地質行業、儀表儀器測量領域以及采礦領域的發展[3]。D-InSAR技術的工作原理是基于差分干涉測量方法，調用相位雷達對目標監控測試區間進行全方位觀察記錄，從而得到該區域的地表變形信息。近年來，主流研究應用的差分干涉法包括兩軌法、三軌法以及四軌法。其中，兩軌法首先會建立目標地區的數字高程模型，然后使用兩個雷達進行掃描拍攝該區域地表，將拍攝的地表圖像信息組合為一組干涉對，由其自動獲得含有地表數據的干涉圖，進一步將模型與干涉圖進行比較，通過目標地區的外圍數字高程模型開始反推地形的相位，將干涉圖中的干涉相位數據消掉，只保存顯示地形變形數據的干涉圖圖像。基于兩軌法的工作流程，可遞推得到三軌法與四軌法的工作原理。

2 D-InSAR技術在煤礦地面沉降監測中的應用

2.1 實例項目說明

晉能集團安平煤業有限公司位于山西省朔州市山陰縣馬營鄉馬營村，礦區所在區域內地面相對平整，依村而建，交通運輸通道交錯。該礦區開采深度標高為140～200 m，年采煤量為5×106t。從2014年8月到2019年6月，各盤區的開采工作面，開采面挖掘進深總計94 571 m，煤炭開采量1.836 7×107t。在礦井開采過程中，不僅需要時刻監測煤炭開采、運輸的安全問題，還需保證礦區周邊區域地質和環境的變化情況。近年來，通過對該煤礦周邊農村生活區的監測，發現原先的大片農田慢慢變少，土地和道路出現沉降和裂口，個別村戶的房屋也出現了裂縫和倒塌等情況。上述現象極大地危害了周邊居民的生活狀態和生命安全，所以煤礦對于地面沉降或者地質情況的監測是極其必要的。

利用 D-InSAR技術對該礦區進行地面沉降監測，同步對礦區整體地貌和開采點分布進行三維建模，分別得到礦區總體的三維數據信息、ALOS PALSAR圖像信息。經過計算研究，發現該礦區每采煤5000 t地面沉降0.4 hm2，同時觀測到盤區的均相干系數為0.69。圖1為盤區差分干涉圖像，在差分干涉圖圖1（c）的中間位置可發現存在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，中間基本無間斷點，從這可推斷出ALOS PALSAR干涉對圖像會對D-InSAR技術在實踐過程的應用提供促進作用。在建立礦區外部數據信息時，DEM數據采用1:51 000開展坐標變換，可以選用WGS_84坐標代替太原70坐標，對地面的分辨率設置為30 m，高程精度定義為5 m，具體數據參照表1。

圖1 D-InSAR技術得到的各階段沉降變化圖

表1 ALOS PALSAR影像參數

2.2 測試數據處理

首先在計算機中針對雷達獲取的盤區圖像，挑選某一點為M點，對該點進行地面沉降監測研究，統一對DEM數據信息和干涉對（30 m的分辨率）做差分干涉處理，然后針對干涉處理后的DEM數據信息以及輔圖像信息和主圖像信息作配對識別，配對后對其進行濾波衰減，從而輸出提升后的差分干涉圖，進一步利用地理編碼法和相位轉換法獲取到該煤礦的DEM高程等值數據圖像如圖1（a）。

2.3 測試數據分析

對上述數據進行編碼整理后獲得此礦區在2019年7月10日到7月17日時間段內的地面沉降數據信息，包括沉降區域面積、地面平均沉降量、沉降區域幾何形狀以及沉降區域分布圖（如表2所示）。根據圖1和表2可以觀察到，盤區的地面沉降幾何形狀表現為扇形塌陷，從整體來看，沉降區域排布較為居中且均勻對稱，只是邊際區域的離散點有些分散。總的地面沉降面積為1.5×104m2，最大沉降量為24 cm。

表2 地面沉降量統計表

3 結語

通過上述實例數據分析，可以看到D-InSAR技術在實際煤礦開采安全監測工況下的重要性，該技術可以第一時間監測到煤礦地面沉降問題以及其他地質形變情況，同時還兼具預警作用，將潛在隱患快速找出，指導快速做出應對措施，將事故扼殺在搖籃中。