红柳林煤矿采空区地面沉陷InSAR监测与分析.pdf

文章编号：1004-4051（2023）08-0055-08DOI：10.12075/j.issn.1004-4051.20220763红柳林煤矿采空区地面沉陷 InSAR监测与分析李博1，张雨欣2，白喜成3，张童康4（1.西安捷达测控有限公司，陕西 西安 710100；2.西安科技大学，陕西 西安 710054；3.陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719302；4.中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710100）摘要：陕北红柳林煤矿地下开采造成了严重的地面沉降问题，为了进一步大范围地监测地面沉降问题，防治地面塌陷灾害发生，对红柳林煤矿的地面沉降监测方法进行研究。经综合对比分析并结合该矿区的沉降特性，选择了基于 SBAS-InSAR 技术采煤沉陷区监测方法。利用 2021 年 8 月2022 年 6 月覆盖研究区的 21 景 Sentinel-1A 数据进行时序差分处理，得到覆盖红柳林煤矿采空区的沉降分布特征和沉降量级，并对提取的形变结果进行剖线分析和特征点分析。研究结果表明：红柳林煤矿 15216 工作面在监测时间内发生了明显的沉降现象，且随着回采进度的进行沉降量级和沉降范围逐渐增大，其中，最大年平均沉降速率达到了0.30 m/a，最大累积沉降量达到了0.22 m。对地表沉降与地下开采进度的相关性进行分析，发现地表沉降与地下开采进度有较强的相关性，主要表现为开采后至发生地面沉降约有两个月的滞后期。研究结果符合开采沉陷规律，可以为矿区地面塌陷防治提供技术支撑。关键词：红柳林煤矿；InSAR；地面沉降；沉降速率中图分类号：TD325.4；P237文献标识码：AInSAR monitoring and analysis of ground subsidence in the goaf ofHongliulin Coal MineLI Bo1，ZHANG Yuxin2，BAI Xicheng3，ZHANG Tongkang4（1.Xian Jetda Measurement&Control Co.,Ltd.,Xian 710100,China；2.Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China；3.Shaanxi Xiaobaodang Mining Co.,Ltd.,Yulin 719302,China；4.Bureau of Aerial Survey and Remote Sensing,China Coal Geology Administration,Xian 710100,China）Abstract：The underground mining of Hongliulin Coal Mine in Northern Shaanxi Province has causedserious land subsidence problem.In order to further monitor the land subsidence problem in a widerange and prevent the occurrence of ground collapse disaster,the land subsidence monitoring method ofHongliulin Coal Mine is studied.Based on the comprehensive comparative analysis and the settlementcharacteristics of this mine area,the mining subsidence monitoring method based on SBAS-InSARtechnology is selected.Using 21 Sentinel-1A data covering the study area from August 2021 to June 收稿日期：2022-09-30责任编辑：边晶莹第一作者简介：李博（1982），男，汉族，陕西宝鸡人，主要从事地质灾害监测预警等工作，E-mail：。通讯作者简介：张童康（1995），男，汉族，陕西西安人，硕士，助理工程师，主要从事 InSAR 地质灾害监测工作，E-mail：。引用格式：李博，张雨欣，白喜成，等.红柳林煤矿采空区地面沉陷 InSAR 监测与分析J.中国矿业，2023，32（8）：55-62.LI Bo，ZHANG Yuxin，BAI Xicheng，et al.InSAR monitoring and analysis of ground subsidence in the goaf of Hongliulin Coal MineJ.China MiningMagazine，2023，32（8）：55-62.第 32 卷第 8 期中国矿业Vol.32,No.82023 年 8 月CHINA MINING MAGAZINEAug.20232022 for time series difference processing,the subsidence distribution characteristics and magnitude ofthe goaf covering Hongliulin Coal Mine are obtained,and the extracted deformation results are analyzedby section line and feature points.The results show that obvious settlement occurs in the 15216 workingface of Hongliulin Coal Mine during the monitoring time,and the magnitude and range of settlementgradually increase with the progress of mining,in which the maximum annual average settlement ratereaches 0.30 m/a and the maximum cumulative settlement reaches 0.22 m.By analyzing thecorrelation between surface subsidence and underground mining progress,it is found that there is astrong correlation between surface subsidence and underground mining progress,which is mainlymanifested as a lag period of about two months from the occurrence of ground subsidence after mining.The research results are in line with the mining subsidence law,and can provide technical support forthe prevention and control of ground subsidence in mining areas.Keywords：Hongliulin Coal Mine；InSAR；land subsidence；subsidence rate 煤炭资源开采会逐渐形成大面积的采空区，破坏上覆岩层的应力平衡，造成地表形态的破坏，引起地表下沉1-4，严重危害采空区域人民群众生命安全和财产安全，对于矿区地表的形变进行高效率的监测成为近年来关注的热点问题。目前，对于矿区开采沉陷监测技术有很多5，但各有优缺点。水准仪、全站仪、GPS 等6传统的监测方法虽然操作简单、测量精度高，但随着矿山开采的频率不断上升，地表沉陷所造成的影响不断扩大，人们对于矿山开采沉陷的监测要求越来越高，这些传统方法的弊端也逐渐显现，主要表现在工作量大、成本高、监测范围过小、工作时间易受外界环境影响等方面7。合成孔径雷达干涉测量技术8（InterferometricSynthetic Aperture Radar，InSAR）属于主动式微波遥感技术，在地面沉降监测9、地质灾害监测10和冰川运动11等方面应用较多，尤其在地表形变监测方面有着广泛的应用。该技术是基于面阵观测的形变监测手段，可以探测到地表在几天乃至几年时间内的细微变化，具有空间分辨率高、形变敏感度高、覆盖范围广等突出优势，其精度甚至可以达到毫米级，弥补了基于点观测的传统形变监测手段的缺陷，成为矿区开采沉陷监测12-13、地表沉降监测、尾矿库监测、地质灾害早期识别、调查、稳定性分析、监测预警等领域的重要技术手段。近年来，学者们在 InSAR 开采沉陷监测领域进行了广泛的研究。赵立峰等14利用 DS-InSAR 探测到了沛北矿区张双楼煤矿的时序形变情况。张香凝等15利用 SBAS-InSAR 技术获取了蒲河煤矿采煤引起地表形变的时空分布特征，并结合矿区地质环境条件和开采影响因素，通过数值模拟技术分析了蒲河煤矿地面沉降在时间和空间上的变形规律和机制。韩守富等16基于升降轨 Sentinel-1A 数据提取到了矿区垂直向和坡向的二维形变。李帅等17将 SBAS-InSAR 和 Offset-tracking 技术结合起来获取了矿区沉陷中心的大梯度沉降。褚夫玉等18利用多时相 SAR 振幅信息获取了矿区大量级沉降信息。这些研究都从不同方面将 InSAR 技术在开采沉陷领域进行了应用，但还有诸多不足之处需要进一步研究，尤其是西北黄土高原地区的矿区沉陷监测问题。红柳林煤矿位于陕北黄土高原北部，近年来由于开采导致的地面沉降现象严重影响了当地的生态环境19。基于此，采用 SBSA-InSAR 技术对红柳林煤矿 15216 工作面采空区地面沉降进行监测，分析该区域沉降特征，为该区域地面沉降防治和地质灾害防治提供依据。1研究方法研究主要采用小基线集时序 InSAR 监测方法（Small Baseline Subsat InSAR，SBAS-InSAR）。该方法是 2002 年由 BERARDINO 等20在合成孔径雷达差分干 涉 测 量 技 术（Difference Interferometric SyntheticAperture Radar，InSAR）基础上改进得到的，主要是在形成干涉对时设置一定的时空基线阈值，从而减少时空失相关误差的影像，最后通过 SVD 分解法将形变相位与其他误差相位分离开来，得到正确的形变相位，再将相位转为沉降值，SBSA-InSAR 数据处理流程图如图 1 所示。2研究区概况红柳林煤矿位于陕北黄土高原北部（图 2），地处陕西省榆林市神木县中部，东隔黄河与山西省兴县裴家川乡相望，西与内蒙古伊金霍洛旗的巴旱采当为邻，南隔黄河与山西省兴县大峪口乡相望，北与内蒙古自治区伊金霍洛旗的乌兰木伦庙毗连。井田地理 坐 标 为 东经 11010 21 11024 15，北 纬385313385730。15216 综采工作面撤架巷对应地表位置位于毛驴滩村北约 1 300 m 处，工作面走向长度 2 364 m，倾向长度 348 m，面积 822 672 m2，地质储量 604.25 万 t，回采率 93%，可采储量 561.9 万 t。采用走向长壁式采煤法，双向端部斜切进刀方式。15216 综采工作面计划服务年限为 9 个月，2021 年 56 中 国 矿 业第 32 卷10 月开始正式回采，2022 年 7 月回采结束。工作面地表以梁峁冲沟地貌为主，地表植被覆盖良好。地势总体呈现北高南低，工作面地表西北部受雨水冲刷形成多条冲沟，向南汇入毛驴滩沟，毛驴滩沟自西北向东南斜穿工作面南部，该沟上游局部基岩裸露，有泉眼出露，常年流水。因此，对该开采工作面进行地表沉降观测具有重要意义。3研究数据源与关键方法 3.1数据源经过数据查询，研究区域内哨兵一号卫星升轨数据轨道号为 11（121）无降轨数据（图 3），属于单一轨道数据。哨兵数据覆盖范围大，监测频次高，为每 N+1 幅 SAR 数据主影像选择影像配准、裁剪生成 M 幅差分干涉图去除平地、地形相位差分干涉滤波外部 DEM干涉点目标提取回归分析解算线性形变计算回归分析解算非线性形变计算视线向年平均形变速率及时序累积沉降量地理编码SVD 分解干涉相位计算DEM 与主影像配准高程模拟相位相位解缠差分干涉计算形变量计算数据预处理残余高程改正残余大气相位分离垂直向转换图 1SBAS-InSAR 技术数据处理流程图Fig.1 Flow chart of SBAS-InSAR technical data processing 1101730E1102000E1102230E1101730E1102000E1102230E研究区范围陕西省神木市15216 工作面385355N385545N385735N385355N385545N385735N0124 km图 2研究区地理位置图Fig.2 Geographical location map of the study area第 8 期李博，等：红柳林煤矿采空区地面沉陷 InSAR 监测与分析 57 12 天 1 景，可以源源不断地向用户提供数服务，便于进行科学研究和实践应用，满足地表时序形变监测要求，具体的数据参数见表 1。图 3SAR 影像覆盖研究区示意图Fig.3 Schematic diagram of SAR image coverage study area 表 1 Sentinel-1A 影像参数表Table 1 Parameters of Sentinel-1A image发射时间2014 年 4 月 3 日轨道高度/km693轨道倾角/（）98.18重访周期12 d（双星编组重访周期 6 d）中心频率/GHz5.405波长/cmC（5.6）模式SMIWEWWV分辨率/m（RA）5552025100520幅宽/km80250400100 研究所下载的覆盖研究区范围内的影像依据工作面开采与停采时间，自 2021 年 8 月 31 日2022年 6 月 2 日，共 21 景，具体数据见表 2；重访周期为12 d，将下载的覆盖研究区域的卫星 SAR 数据导入GAMMA 软件，生成 SLC 及相关参数文件。3.2关键步骤1）选取公共主影像。在对数据进行处理之前，首先根据时间基线、空间基线和多普勒质心频率基线选取一幅主影像，即选取获取的所有 SAR 影像中的任意一景作为主影像，依次计算该主影像与其他辅影像之间的时间基线、空间基线以及多普勒质心频率基线参数，当三基线参数的和最小且满足垂直基线小于 800 m 时，则选为公共主影像。2）影像的配准。选择影像时间偏中间且为冬天的数据以确保配准质量，选取 2021 年 10 月 5 日影像作为主影像。在哨兵数据配准过程中，需要使用外界 DEM 数据为参考，利用多种方法迭代以提高配准精度，其中包括计算精化偏移量常数、计算查找表、重采样、计算偏移量和偏移量校正等步骤。3）差分干涉图生成。根据影像的参数文件选择时间基线和空间基线较短的影像进行干涉图的生成，结合外界 DEM 利用地球椭球和基线模型生成相位趋势，并将其去除以达到去平地相位。4）滤波、相位解缠。基于 SBAS 技术处理数据时，一般采用自适应滤波（Goldstein）方法，该方法目前发展也较成熟。由于相位缠绕在（，）之间，因此需将缠绕相位转换为绝对相位，相位才能获得正确的物理解释。相位解缠是小基线集技术数据处理的核心步骤，其精度易受研究区域地表地物相干性以及数据本身质量的影响。在进行相位解缠前一般选择相干性较好的点作为参考点来进行解缠，从而提高相位解缠的精度。一般采用最小费用流法或枝切法进行相位解缠，获取研究区域的实际相位。使用精密基线进行滤波解缠，解缠时需设置相干性阈值，为了对多源数据结果进行对比，实验将相干性阈值设为 0.1，以确保保留更多数据，但是同时会存在阴影、叠掩等解缠错误。滤波窗口设置为 32，指数为 0.6。5）回归分析去除高程改正值。通过回归分析提取出点对应的高程改正相位值，并进行作差去除。6）去除大气。通过空间域低通滤波和时间域高 表 2 Sentinel-1A 影像数据Table 2 Data of Sentinel-1A image编号时间成像模式飞行方式编号日期成像模式飞行方式12021-08-30IW升轨122022-02-02IW升轨22021-09-11IW升轨132022-02-14IW升轨32021-09-23IW升轨142022-02-26IW升轨42021-10-05IW升轨152022-03-10IW升轨52021-10-17IW升轨162022-03-22IW升轨62021-10-29IW升轨172022-04-03IW升轨72021-11-10IW升轨182022-04-15IW升轨82021-11-22IW升轨192022-04-27IW升轨92021-12-04IW升轨202022-05-09IW升轨102022-01-09IW升轨212022-06-02IW升轨112022-01-21IW升轨 58 中 国 矿 业第 32 卷通滤波分离出大气相位和非线性形变相位以及噪声相位，并对大气相位进行去除。7）SVD 分解。通过 SVD 法将多主影像分解为单主影像，并重新进行回归分析，得到最终的形变相位。8）转垂直沉降。将获得的视线向形变相位通过入射角投影关系转换到垂直方向上。4监测结果分析 4.1年平均形变速率图 4 为年平均沉降速率图。由图 4 可知，矩形方框代表 15216 工作面，线条 ab、cd 分别代表沿工作面走向和倾向的两条剖线，十字点 Z1、Z2 分别代表沿走向和倾向提取的 2 个特征点。图 5 为 SAR 解缠图。由图 5 可知，在解缠后的干涉图上出现明显的干涉条纹，说明该地方形变量较大。红柳林煤矿 15216 工作面自南向北掘进采煤，地表在回采初期已经发生形变。其中，沉降盆地中心出现空白区域，代表该区域产生大梯度形变，在 SAR 影像上表现为失相干区域。在 InSAR 技术可监测的形变范围内，沉陷盆地中心的最大年平均沉降速率达到0.30 m/a。0 0.30.61.2 km110190E38560N38550N38560N38550NcdbZ1Z2a110200E图例特征点剖线年平均沉降速率/（m/a）0.300.270.270.240.240.210.210.180.180.150.150.120.120.090.090.060.060.030.030.030.030.060.060.090.090.120.120.1515216 工作面110190E110200E图 4年平均沉降速率图Fig.4 Plot of annual average subsidence rate 为了进一步分析该工作面的沉降特征，特提取了沿走向和倾向两条剖线方向的沉降曲线，如图 6和图 7 所示。由图 6 和图 7 可知，沿走向呈现出两头小中间大的沉降漏斗特征，最大沉降量达到了0.16 m，经实地勘察符合开采沉陷特征。沿倾向方向沉降趋势与走向大致相同，中间部分沉降量最大达到约0.162 m。4.2地表沉降与地下开采关联性分析15216 工作面自 2021 年 10 月 7 日开始回采，因此选取 2021 年 9 月 11 日2022 年 6 月 2 日的影像进行时序处理（图 8）。由图 8 可知，从 2021 年 9 月11 日开始监测，工作面的掘进方向是从南到北，随着工作面的掘进，沉降量级和范围呈现出越来越大的趋势，量级上表现为中间大两边小的近椭圆形沉降盆地，至 2022 年 6 月 2 日，中心最大沉降量级达到0.22 m。图 9 中沉降范围超出了工作面的范围，主要是由于邻近工作面的采动影响以及覆岩的连续性影响。为了进一步分析工作面的沉降特性，对走向和倾向上的特征点 Z1-Z2 进行时序分析（图 9）。由图 9 可知，Z1 点位于靠近沉降盆地中心位置，沉降量较大。从 2021 年 8 月开始监测，起始沉降量 图 5SAR 解缠图Fig.5 Unwinding diagram in SAR 0.26160140120100806040200.54 0.82 1.09距离/km沉降量/mm1.38 1.69 1.99 2.27 2.54图 6走向 ab 剖线Fig.6 Heading towards the ab section line 0.191601801401201008060400.400.610.81距离/km沉降量/mm1.021.23图 7倾向 cd 剖线Fig.7 Inclined cd profile line第 8 期李博，等：红柳林煤矿采空区地面沉陷 InSAR 监测与分析 59 110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E（a）20210830（b）20211029（c）20211204（d）202202140 0.3 0.61.2 km110200E110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E0 0.3 0.61.2 km110200E110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E0 0.3 0.61.2 km110200E110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E0 0.3 0.61.2 km110200E（e）20220403（f）20220602110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E0 0.3 0.61.2 km110200E110190E38560N38550N38560N38550N110200E110190E0 0.3 0.61.2 km110200E时序形变量/m15216 工作面图例0.220.210.210.180.180.150.150.120.120.090.090.060.060.030.03000.030.030.060.060.090.090.12图 8时序沉降图Fig.8 Temporal subsidenct diagram 60 中 国 矿 业第 32 卷为 0 m，2021 年 8 月2021 年 11 月期间为缓慢沉降期，沉降量较小，沉降速率较为稳定。从 2021 年 12月至 2022 年 1 月期间进入了加速沉降期，沉降速率达到最大。短期内沉降量达到了约0.04 m，此后沉降速率有减缓的趋势，呈波动式沉降，至 2022 年 5 月后沉降速率又开始增大，并逐渐保持稳定，至 2022年 8 月最大沉降量达到了约0.108 m。Z2 点比 Z1 点更靠近沉降盆地中心，且 Z2 点的沉降趋势与 Z1 点大致相同，最大沉降量达到了约0.15 m，但沉降加速期比 Z1 点长，这与工作面回采进度以及开采沉陷具有一定的滞后性有关。从 Z1 点、Z2 点的沉降趋势可以看出，工作面从2021 年 10 月份开始回采，刚开始回采的两个月，地表沉降较稳定，量级较小。到 2021 年 12 月底，开始发生加速沉降，这是因为刚开始回采时对地层扰动传播到了地表，地表开始发生加速下沉，此后随着工作面回采的推进，地表沉降量级持续增大，沉降速率较高，说明地下开采对地表沉降造成了一定的影响，且这种影响有约两个月的滞后期才会传播到地表21。通过分析各特征点沉降趋势与开采进尺月份的关系，表明特征点的沉降趋势与工作面位置、开采情况和开采进尺相一致，证实了监测结果的可靠性。5结论为了及时预防矿区开采沉陷造成的地面塌陷等灾害，通过 SBAS-InSAR 技术对陕北红柳林煤矿 15216工作面采空区进行监测，采取 2021 年 8 月 11 日2022年 6 月 2 日的 Sentinel-1A 数据获取了工作面的开采沉陷信息，得到结论如下所述。1）研究区在监测时间内出现了明显的沉降现象，且随着工作面采动的推进，沉降范围和量级都呈现持续增大的趋势，地表沉降与地下开采进度有较强的时空相关性，在地下开采进行到两个月左右，扰动开始传播至地表发生加速沉降，符合开采沉陷的规律。2）监测得到研究区的年平均沉降速率最大为0.30 m/a，最大累积沉降量达到了0.22 m。3）沉降范围和趋势均符合当地开采沉陷现状，说明了 SBSA-InSAR 技术可以在矿区开采沉陷监测中得到应用。参考文献（References）：康红普,徐刚,王彪谋,等.我国煤炭开采与岩层控制技术发展40 a及展望J.采矿与岩层控制工程学报，2019，1（2）：7-39.KANG Hongpu,XU Gang,WANG Biaomou,et al.Forty years devel-opment and prospects of underground coal mining and strata controltechnologies in ChinaJ.Journal of Mining and Strata Control Engi-neering，2019，1（2）：7-39.1 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点100120140160日期8060沉降量/mm40200（b）Z2 点图 9Z1 点、Z2 点时序沉降图Fig.9 Time series subsidence diagram of Z1 point and Z2 point第 8 期李博，等：红柳林煤矿采空区地面沉陷 InSAR 监测与分析 61 南:安徽理工大学,2015.孟磊.地表移动观测站的数据处理及变形规律分析D.淮南:安徽理工大学,2015.7 朱建军,李志伟,胡俊.InSAR变形监测方法与研究进展J.测绘学报，2017，46（10）：1717-1733.ZHU Jianjun,LI Zhiwei,HU Jun.Research progress and methods ofInSAR for deformation monitoringJ.Acta Geodaetica et Carto-graphica Sinica，2017，46（10）：1717-1733.8 葛大庆.区域性地面沉降InSAR监测关键技术研究D.北京:中国地质大学（北京）,2013.9 陆会燕,李为乐,许强,等.光学遥感与InSAR结合的金沙江白格滑坡上下游滑坡隐患早期识别J.武汉大学学报（信息科学版），2019，44（9）：1342-1354.LU Huiyan,LI Weile,XU Qiang,et al.Early detection of landslides inthe upstream and downstream areas of the Baige Landslide,the JinshaRiver based on optical remote sensing and InSAR TechnologiesJ.Geomatics and Information Science of Wuhan University，2019，44（9）：1342-1354.10 黄淞波,常占强,谢酬,等.表碛型冰川的时序InSAR识别方法与形变监测研究J.测绘科学，2022，47（1）：102-111,120.HUANG Songbo,CHANG Zhanqiang,XIE Si,et al.Deformationmonitoring and recognition of debris-covered glacier by 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