InSAR形變監測在開采沉陷損害鑒定及穩定性評價中的應用

陳冉麗,王紅軍,刁鑫鵬,張寶金

(1. 石家莊鐵路職業技術學院,河北 石家莊 050041; 2.河北省橋隧工程施工智能控制技術創新中心,河北 石家莊 050041; 3. 河北省高校橋隧智慧建造應用技術研發中心,河北 石家莊 050041;4. 中國礦業大學,江蘇 徐州 221116)

大規模、高強度的煤炭開采往往會破壞地層的原始應力平衡,隨著采空區范圍擴大,引起地表的移動變形[1-2]。由開采導致的地表沉陷易造成工民用建(構)筑物損害,嚴重威脅著人民的生命財產安全并制約了礦區城市的可持續發展。同時,隨著部分礦區的煤炭資源枯竭和國家去產能政策的實施,一些早期礦井已逐步進入閉井階段,而關閉礦井除了可能引起次生沉陷外[3],還面臨著采煤塌陷地的治理再利用,礦區國有設施回收等諸多問題。因此,合理開展覆巖移動監測工作對于后期采煤沉陷區穩定性評價、礦區生態修復及政府回收土地二次開發利用等工作均具有重要的現實意義。

目前常規地表沉降監測的主要方法是在礦區內布設“十”字形地表移動觀測站[4],定期利用精密水準測量或RTK獲取監測點的高程變化情況,這種監測手段雖然精度高、應用廣泛,但實際工程中仍面臨著觀測點易丟失、時效性差、成本高等問題。合成孔徑雷達干涉測量(interferometry synthetic aperture radar, InSAR)是一種新型的衛星對地觀測技術,它僅對同一區域的多景SAR影像進行復共軛相乘即可提取大范圍、毫米級的地面形變信息,具有全天時、高精度、自動化等優勢[5-6]。其中小基線集(small baseline subsets InSAR, SBAS-InSAR)技術能夠有效消除大氣效應、時空失相干影響[7-8],即使在永久散射體密度較低的礦區也能獲取更為精確的長時序形變結果。文獻[9]基于D-InSAR技術構建了傾斜煤層開采地表沉陷監測模型,實現精確提取地表下沉、傾斜和水平移動值;文獻[10]應用D-InSAR技術開展了盤州市地下非法采煤活動,準確識別了開采位置和時間;文獻[11-17]將SBAS技術成功應用于礦區地表形變的精細化監測、沉降時空演化揭示和建(構)筑物的穩定性分析。此外,文獻[18-20]對InSAR礦區形變監測也做了重要的研究工作。

現有研究主要集中在礦區地表的形變監測,但對于InSAR在采動條件下建(構)筑物的損害鑒定及關閉礦井后地表穩定性評價的應用相對較少。針對以上問題,本文通過列舉3個案例,首先明確InSAR技術在礦區形變監測領域的精度和可靠性,其次將InSAR技術應用于采空區穩定性評價和礦區開采損害鑒定,分析結果對于安全、有效、合理地利用廢棄礦井資源和保證建(構)筑物及人民生命財產安全具有重要的理論意義和實用價值。

1 InSAR煤礦沉陷監測精度分析

為了將InSAR地面沉陷監測技術應用于礦區地表穩定性評價,需要分析其形變探測精度及可靠性。以安徽北部某煤礦為研究區[21],在開采工作面上方地表布置了移動觀測站(點位分布如圖1所示),并在2010-01-13至2010-02-28期間進行了三等水準測量工作;同時選取觀測時段內覆蓋研究區的2景L波段的ALOS PALSAR影像,進行二軌法D-InSAR的干涉處理,最終解譯得到工作面開采的沉降信息(如圖2所示)。InSAR精度分析的技術流程如圖3所示。

圖1 地表沉陷區等值線及地面觀測點分布

圖2 煤礦開采工作面地表聯合地理要素的沉陷

圖3 InSAR精度分析技術流程

由于水準測量是獲取的“點”狀沉降信息,而InSAR反演的是“面”狀的形變場,兩者無法直接進行比較。同時,InSAR技術在沉降梯度較大的位置(即采空區中心)往往會出現空值的情況,因此需要先對InSAR解譯成果進行插值運算,補全形變場的“空洞”,然后提取水準點所處位置的InSAR形變像元。該案例共統計分析了35個水準測點,其中水準測值與InSAR結果最小差值為1 mm,最大差值為27 mm,有29對數據差值在10 mm以內,兩組數據的平均差值為7 mm,說明InSAR監測能滿足開采沉陷損害溯源及穩定性評價的精度要求。

2 InSAR在關閉礦井地表沉陷穩定性評價中的應用

淮南某礦區的最后一個采煤工作面已于2018年10月停采,研究區位置如圖4所示。根據已掌握的經驗分析,到目前為止,該工作面上方地表已經趨于穩定,即整個礦區地表不再發生明顯沉陷。為進行后續關停礦區的交接工作,亟須對該區域地表穩定性進行評價。因此本案例選取覆蓋研究區的9景Sentinel-1A雷達影像(見表1),利用SBAS-InSAR技術獲取了2018-10-18至2019-04-16的地表垂直向形變時間序列結果(如圖5所示)。

表1 評價區域SAR影像數據

圖4 評價區井上下對照

圖5 InSAR監測地表垂直形變總下沉

從圖5的解譯結果可以得到,在評價區范圍內,存在較多的解譯失相干區域,其位置主要為沉陷積水區,SAR影像在成像過程中產生了鏡面反射而使衛星無法接收后向散射,造成信息的缺失;除了評價區東側部分區域存在垂直沉陷量約為50 mm的較為集中的垂直向變形外,其他區域的形變量低于30 mm。

為直觀分析采空區地表的殘余變形情況,在評價區域內做了3條的剖線(剖線位置如圖6-圖8所示)。其中,剖線1位于西部的采空區上方;剖線2位于東部采空區上方,其位置所在的工作面于2018年4月6日回采,2018年10月結束;剖線3位于評價區中部保護煤柱上方地表,覆蓋工業廣場。圖9為3條剖線上的地表沉陷情況。

圖6 剖線1位置(評價區西部地表)

圖7 剖線2位置(評價區東部地表)

圖8 剖線3位置(評價區中部地表)

圖9 各剖線地表垂直向位移曲線

綜合分析圖5-圖9的沉陷監測結果可以得到:

(1)評價區東部零星區域連續6個月的地表沉降量達到50 mm,根據礦方資料顯示,發生沉陷的位置恰好處于最后一個開采工作面附近。由于本文試驗中InSAR所監測的最終時間節點(2019-04-16)僅距離礦區的停采時間不到一年,該時段內工作面上方地表有可能產生殘余沉降。但據估計,截止到2020年10月,該區域已經大體恢復穩定。

(2)除上述區域外,評價區范圍內地表沉陷量均小于30 mm,且沉陷曲線與未開采區域的地表變形情況沒有明顯差異性,結合采空區穩定性評價指標,認為該區域地表已穩定。

3 InSAR在村莊開采損害鑒定中的應用

安徽省淮南市某村莊臨近采空區,該礦區已于2015年6月停采,但現周邊部分房屋建筑出現不同程度的裂縫(房屋損壞情況如圖10所示),亟須鑒定房屋損壞與地下開采擾動的關系,以便后續受損村民及時獲得合理補償,解決煤炭企業與建(構)筑物業主之間的矛盾,科學采取維修加固等技術措施。

圖10 村莊房屋損害情況

邊界角作為確定地表移動盆地影響范圍的角量參數,在煤礦生產建設工作中起到了重要作用,如保護煤柱留設、礦區采動損害范圍劃定等[22]。結合礦方提供的資料和“三下”采煤規程,經計算獲取了淮南該礦區的邊界角,并劃定了其開采影響范圍。如圖11所示,工作面開采的影響理論上已經波及至村莊的部分區域,并造成房屋不同程度的損傷,主要以Ⅰ級為主,最高出現Ⅳ級。同時為了確定礦區停采后地表的穩定性,以覆蓋該區域的8景Sentinel-1A影像(時間跨度為192 d)為數據源,利用SBAS技術獲取了研究時段內評價區地表的時序累積形變信息。為便于數據解譯,根據評價范圍,事先對原始數據進行裁剪,得到裁剪后的影像強度信息如圖12所示。

圖11 井上下對照及開采影響范圍

圖12 評價區及周邊SAR影像強度信息

圖13為研究時段內解譯的地表累積垂直位移形變量(沉陷量)。為直觀顯示所解譯區域的變形情況,分別在圖13中的3個位置繪制相應時間段內的沉陷曲線,如圖14-圖16所示,其中,A-A′線代表村莊位置,B-B′、C-C′線代表非開采影響區位置(對照)。

圖13 解譯時間段內的地表累積垂直位移形變圖(沉陷)

圖14 A-A′地表沉陷曲線(代表村莊村位置)

圖15 B-B′地表沉陷曲線(代表非沉陷影響位置)

圖16 C-C′地表沉陷曲線(代表非沉陷影響位置)

由圖14-圖16可知,在研究期內,村莊范圍內的地表變形量處于-18～-1 mm,非沉陷影響區的形變量大致處于-15～ 3 mm,說明村莊地面變形情況與未開采區域已不存在明顯差異(上述所解譯的地表變形與InSAR技術自身的解譯精度有關)。同時,依據評價指標,村莊相應位置地表的穩定性狀態為穩定,可以采取后續措施。

4 結 論

(1)通過將InSAR解譯結果與三等水準測量對比分析,明確了InSAR監測精度能滿足煤礦開采沉陷穩定性評價的要求。

(2)由于InSAR具有大范圍形變監測的優勢,可以輕易比較開采沉陷區與非沉陷區的地表穩定情況,使評價結果更加可信。

(3)InSAR技術能夠溯源地表沉陷過程,相比傳統監測手段,可以節省大量成本。

(4)利用InSAR技術能夠實時獲取監測數據及沉陷區與非沉陷區的對比結果,彌補了利用類比或模擬確定判斷的不足,可消除各方疑慮。