鹤岗煤矿区地面沉降时空特征InSAR时间序列监测研究.pdf

书书书第 卷第 期（）年 月中 国 地 震 祝杰，李瑜，师宏波，等 鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究 中国地震，（）：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究祝杰李瑜师宏波刘洋洋韩宇飞邵银星王坦中国地震台网中心，北京 摘要随着煤矿资源的开采，鹤岗地区地面沉降现象逐渐加剧。以鹤岗煤矿区作为研究对象，收集 年 月 日 年 月 日的 景 影像，采用 时间序列 技术提取煤矿开采引起的地面沉降。对鹤岗煤矿区地面沉降在空间上的演化过程进行分析，重点研究了鹤岗南部富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿地表形变的时空演化特征，结果表明：鹤岗煤矿区的地面沉降呈现出不均匀、漏斗式的运动特征，提取的 个沉降漏斗全部对应鹤岗煤田开采区，最大形变位于新陆煤矿开采区，形变速率约 。在研究期内，自相对于第一景影像的沉降漏斗形成后，后续矿井开采沉降漏斗的空间形态基本保持不变。鹤岗南部富力煤矿和兴安煤矿 号形变点所在工作面的地表形变仍然处于快速下沉状态，有必要持续跟踪。关键词：鹤岗煤矿地面沉降 时空特征 文章编号 （）中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别 国家自然科学青年基金（）、中国地震台网中心青年基金（、）共同资助 作者简介 祝杰，男，年生，工程师，主要从事 、数据处理及应用分析等研究。：引言煤炭资源的开发对我国经济持续健康发展具有重要意义。但煤炭资源的大规模开发为各行各业带来巨大经济效益的同时，也给矿区的生态环境和土地利用造成了巨大影响，制约了矿业城市的可持续发展，其中矿区开采引起的区域地面沉降地质灾害尤为突出。针对这一问题，对煤矿开采沉陷进行实时动态监测，研究煤矿区的地表形变特征和时空演化规律，进而为地面沉降防控提供依据资料是一项重要工作。传统的水准测量、基岩标和分层标测量优点是方法简单、精度高，不足之处是观测数据时空分辨率低，测量成本高。全球导航卫星系统（，）测量的水平方向形变精度较高，不足之处是对垂直向 敏 感 度 较 差，且 目 前 受 限 于 空 间 分 辨 率 严 重 不 足。合 成 孔 径 雷 达 干 涉 测 量（，）技术具有全天时全天候成像、高时空分辨率、大范围连续监测、厘米甚至毫米的监测精度等特点，这些特点使得 技术在地震同震、震间和震后形变监测、地质灾害隐患早期识别、矿区地表沉陷监测、城市基础设施监测等方面开展了诸多成功实践（敖萌等，；张景发等，；许强等，；廖明生等，；单新建等，；伍吉仓等，），为煤矿区的开采沉陷监测提供了有力手段（张学东等，期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究 ；徐小波等，）。鹤岗是黑龙江四大煤城之一，为国家发展提供了重要的能源保障。随着鹤岗煤层开采不断延伸，地质环境问题日益突出。截至 年，鹤岗采空区面积 ，占煤田开发区域的 ，引起煤田区出现大面积非均匀地面沉降，威胁采空区居民的生命财产安全（龙精华，）。相关学者对鹤岗地区的煤矿开采沉陷进行了监测研究。金丽华等（）使用 景 分辨率的 数据，利用小基线集合成孔 径 雷 达干 涉测 量（，）算 法 提 取 年月 年 月鹤岗煤矿区 余万个监测点的形变信息，并对沉降结果精度和时空分布进行了统计分析。武丽梅等（）利用 年 月 年 月的 景 数据，提取了鹤岗市采煤沉陷区的地面沉降信息，监测到最大沉降速率达 ，沉降区范围呈逐年减小趋势。赵喜江等（）利用 年 月 年 月的 景 数据对鹤岗矿区进行地面沉降时序监测，发现鹤岗矿区地面沉降较为严重，最大累计沉降量达到了 ，个明显的沉降漏斗均位于主采区上方。前人研究均对鹤岗地区 年前的采煤沉陷情况进行了时序监测，使用的 数据较少（景左右），导致干涉相对时间基线较长，且仅分析了地面沉降在空间上的分布情况与变化趋势。本文利用覆盖鹤岗全部煤矿区的 年 月 日 年 月 日 景 数据，开展鹤岗煤矿区地面沉降时间序列 监测研究，发现在研究期内，鹤岗煤矿区的形变范围与前人结果基本相似，前人研究给定的最大形变速率位于南山煤矿，而本文提取最大形变速率位于新陆煤矿，形变速率也进一步增大。我们发现在兴安矿和峻德矿局部开采面形变出现了正向抬升，呈现 向条带状分布。本文使用了更多 数据进行小基线集解算，提取的形变速率更加连续完整，未出现明显的空洞现象，在此基础上，进一步分析了鹤岗煤矿区最新的地面沉降特征，尤其是鹤岗南部煤矿区，如富力煤矿、兴安煤矿、峻德煤矿的时空演化规律。研究区概况及数据准备 鹤岗煤矿区概况鹤岗市位于黑龙江省东北部，东临松花江，西邻伊春市，南接佳木斯市，北部与俄罗斯隔江相望，地处“两江一岭”（黑龙江、松花江、小兴安岭）围成的“金三角”区域，地势西北高东南低，是三江平原向小兴安岭山地过渡的上升地段。鹤岗市辖 个县级行政区，包括 个市辖区（向阳区、工农区、南山区、兴安区、东山区、兴山区）和 个县（萝北县、绥滨县）。鹤岗市煤矿资源丰富，煤矿区主要分布于市区东部，从北到南依次由兴山矿、益新矿、振兴矿、鸟山矿、南山矿、新陆矿、富力矿、兴安矿和峻德矿九大煤矿组成。为分析鹤岗煤矿区地面沉降在空间上的分布情况及时序演化特征，利用覆盖鹤岗煤矿区的 数据（图 ）开展鹤岗南部煤矿区地面沉降时序监测研究。数据准备选取 年 月 日 年 月 日 景 轨道的 数据进行雷达干涉处理，分析鹤岗煤矿区近年来的地面沉降分布情况及时空演化特征。的空间分辨率为 ，波段降轨 极化，主要参数如表 所示（赵超英等，）。去除地形相位所用的外部 数据为美国航空航天局提供的 数据，其余数据由 中国地震 卷图 鹤岗煤矿区地理位置及 影像覆盖范围表 数据基本参数指标参数指标参数 传感器 极化方式 成像模式 波长 轨道方向降轨空间分辨率 轨道号 影像周期 天图幅号 影像获取时间 年 月 日 年 月 日波段波段影像数量 景 和 两幅影像拼接而成，空间分辨率 。监测方法小基线集合成孔径雷达干涉测量技术由 等（）提出。方法将 影像序列按照一定规则组合成若干子集，同一子集内干涉像对的时间和空间基线较小，而各子集之间的时间基线和空间基线均较大。利用最小二乘法获取每个小基线集的地表形变时间序列，进而使用奇异值分解方法对多个子集进行联合求解，最终获得地表形变速率结果。基本原理是（杨成生等，；何秀凤，；廖明生等，）：假设有按照时间序列（，）顺序获取的 幅覆盖同一地区的单视复数 影像，从中选出一幅影像作为主影像，将其他影像进行配准，设定合适的时间基线阈值和空间基线阈值，将时间与空间基线都小于该阈值的影像组成若干集合，其中每幅影像至少可与其他 幅影像中的一幅形成干涉像对。对每个集合内的影像对分别进行差分干涉处理，得到 幅差分干涉图，可表示为 期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究 （）（）以 时刻作为初始时刻，对于任意差分干涉图 （，），任意时刻 相对于 时刻的差分相位为 （），在去除平地相位和地形相位后，坐标系下任一像元（，）对应的解缠相位可表示为（假设 ）（，）（，）（，）（，）（，）（）式中，为雷达信号波长；（，）和 （，）为在 和 时刻相对于 时刻的雷达视线向地表形变，即 （，）；用 （，）（，）来表示需要提取的形变序列，对应的相位为 （，），则有（，）（，）（）假设 ，分别为干涉处理时按时间序列排序主影像序列和辅影像序列，且满足 （，），则所有的差分干涉图相位可以组成观测方程，即 （）（），（）式（）定义了一个由 个等式构成的方程组，含有 个未知数，可将差分干涉相位的方程组改写为矩阵形式表示，即 （）其中，为 的系数矩阵。若所有数据同属一个小基线子集中，有 ，矩阵 的秩为，式（）的解在最小二乘约束下可用矩阵形式表示，即（）（）当矩阵 的秩小于 时，最小二乘解不唯一，此时需要对矩阵 进行奇异值分解，求解最小范数意义上的最小二乘解，将各时间段上的形变速率在时间域上积分，获得整个监测时间段的形变时序（闫怡秋等，）。处理技术流程如图 所示。鹤岗煤矿区 数据处理 影像配准在进行 数据处理过程中，首先找到鹤岗煤矿区所在的 图像中的 单元，将覆盖研究区的 单元生成 影像的单视复数产品（，）。卫星轨道控制在 的空间管道内，保证了足够小的空间基线，故在本文中不考虑 影像的空间基线的影响，选择 成像时间段内时间相对居中的 年 月 日观测数据作为参考主影像，将其余 景辅影像和外部 数据全部配准至参考主影像上。利用 软件中的 脚本进行 数据配准，根据精密轨道信息和地形信息计算配准查找表，再利用强度匹配和频谱差异方法精化配准查找表。迭代强度匹配直到方位向校正小于 个像素，然后迭代频谱差异方法直至方位向偏移值小于 个像素（屈春燕等，；吴文豪等，；祝杰等，）。干涉相对组合选取鉴于鹤岗煤矿区为采空区，地表形变量较大导致图像整体相干性不高，因此设定比较严 中国地震 卷图 处理流程格的时空基线阈值（空间基线 、时间基线 天）进行短基线干涉影像对组合，生成的 个干涉像对连接图如图 所示。从干涉连接图可以看出 个干涉像对连续未中断，分布比较均匀，空间基线最小的干涉对为 年 月 日 年 月 日的 ，最大干涉对为 年 月 日 年 月 日的 ，时间基线最小 天，最大 天。图 数据干涉对时空基线分布 期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究 差分干涉处理对 个干涉相对进行雷达干涉处理，距离向方位向视数比设置为?，保证数据解算中输出的相位图保持高分辨率。利用欧洲航天局提供的 精密定轨星历数据进行 数据轨道校正，去除轨道误差。利用 去除地形相位，得到 个差分干涉图。采用 自适应滤波方法对差分干涉图进行滤波，减弱大气和各类噪声误差。采用最小费用流算法进行相位解缠，相位解缠中相干性阈值设置为 ，对于相干性阈值以下的区域不进行解缠计算，采用高、低通滤波方法进一步消除大气延迟相位影响，得到差分解缠相位。时序形变计算检查差分干涉产出的 个相位解缠图的质量，剔除相位解缠错误和质量较差的干涉相对。然后基于解缠的相位建立观测方程，采用奇异值分解方法求解形变速率的最小二乘范数解，对求取的形变速率在时域上进行积分，得到形变时间序列结果。图 鹤岗煤矿区平均地表形变速率分布 地面沉降 时序监测结果及时空演化特征分析 时间序列结果及空间演化特征分析运用 时间序列技术提取鹤岗煤矿区 年 月 日 年 月 日的地表形变信息（杨梦诗等，）。鹤岗工农区欣虹小学周边环境较稳定，在所有干涉相对中相干性高，故将其设置为相位解缠起点。景 数据提取的地表沿雷达视线方向（，）的平均形变速率如图 所示，由图可以明显看出 提取的高相干点位空间分布密度高，典型形变区域的高相干点位呈现清晰、连续的分布状态，未发生明显空洞。中国地震 卷从鹤岗煤矿区 年 月 日 年 月 日近两年的地表平均形变速率可以看出，技术提取的近垂直向形变呈现明显的不均匀、不规则、漏斗式运动特征（，），最大形变位于新陆煤矿开采区（图 中最大沉降漏斗处），形变速率约 。地表抬升的形变速率最大达 ，位于兴安煤矿区（图 中形变点 与 处）。提取的 个地面沉降漏斗呈现离散分布、形态不一、边界清晰的特征，主要分布在鹤岗兴安区和南山区。典型的地面沉降漏斗区域与鹤岗九大煤矿开采区相对应，显示出煤矿资源开采加速了地面下沉运动。兴安矿和峻德矿局部开采面形变出现正向抬升，并呈现 向条带状，显示出煤矿区开采面调整对缓解开采沉降起到了显著效果。图 展示的是鹤岗煤矿区 年 月 日 年 月 日地表累计形变量的分布变化（，）。可以看出，在 年 月 日月 日的 天内地表形变量几乎为零；在 年 月 日 年 月 日的 天时间内，累计形变量分布图上开始出现 个离散且边界比较清晰的形变漏斗区，这些区域对应鹤岗煤矿开采区，漏 斗 的形 变量 在 ，其 中 新 陆 矿 地 面 沉 降 的 面 积 最 大，形 变 量 达 ；年 月 日 年月 日的 天时间内，鹤岗煤矿区 个形变漏斗的中心位置相对 年 月 日 年 月 日期间基本不变，范围正向外扩散，漏斗面积也随之逐渐增大，漏斗的形变量在 ；在 年 月 日 年 月 日的 天时间内，个形变漏斗区域相对于 年 月 日 年 月 日未进一步向外扩散。在局部区域，新陆矿累计形变量进一步增大，个大形变漏斗（）雏形显现，漏斗中心形变量达到 的量级。而鹤岗南部的兴安矿和峻德矿局部开采面形变出现正向抬升，抬升形变量约 ；在 年 月 日 年 月 日和 年 月 日 年 月 日期间，鹤岗煤矿区 个形变漏斗区域相对于 年 月 日 年 月 日同样没有明显的向外扩散。新陆矿 个大形变漏斗进一步向外围扩张，边界逐渐清晰，中心形变量分别达到 和 的量级。兴安矿和峻德矿局部开采面形变进一步正向抬升，呈现的形态似 向条带（向约 ，向约 ），南启 国道与骏德街道办事处交汇区，北至 国道与兴安路交汇区，最大形变量约 ，此处出现明显地面抬升，可能与兴安矿和峻德矿开采面调整导致地下水回流有关。综上，鹤岗煤矿区 年 月 日 年 月 日近两年的地面沉降呈现明显的不均匀特征，提取的 个地面沉降漏斗均位于矿井开采区域。在研究期内，自相对于第一景影像的沉降漏斗形成后，后续矿井开采面未在水平方向上延伸。随着煤层开采面进一步延深，漏斗区域的形变量进一步增大，至 年 月，新陆矿局部区域最大累计形变量增加至 量级，显著大于鹤岗其他 个煤矿的最大累计形变量，因此有必要对新陆矿的地面沉降趋势持续关注。兴安矿和峻德矿局部开采面出现了约 的正向抬升，体现出矿区较好的管控效果。鹤岗南部典型煤矿区形变时空特征分析下面通过沉降漏斗的空间形态特征和特征点的形变时间序列，分别对鹤岗煤田南部 个煤矿区（富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿）各自的形变时空特征进行分析（许强等，；，；，）。（）富力煤矿位于图 中红色标识区。从平均形变速率结果（图 ）可以看出，年 年 月，富力煤矿出现了 个明显的 向长度约 的大形变漏斗区域，面积约 期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究 中国地震 卷图 鹤岗煤矿区地面沉降空间演化过程 ，占富力矿区面积的一半，且形变区域有进一步向东扩展的趋势。从 号点位的形变量时间序列（图 （）可以看出，沉降漏斗的最大形变量达 ，形变序列在 年 月 年 月基本呈线性发展趋势，在 年 月 年 月形变速率有所减缓，速率趋近于零，但在 年 月后形变速率突然快速恢复至 年 月 年 月的水平，且速率有进一步增大的趋势。地面沉降时间演化经历了快速短期平稳恢复快速 个沉降变形过程。鉴于富力煤矿沉降漏斗的空间范围正在逐渐向外扩展，因此推测后续仍会有较大的沉降发生，形变趋势达到稳定可能需要更长的时间。有必要对富力煤矿的地表形变趋势重点关注。（）兴安煤矿位于图 中蓝色标识区。年 月 年 月兴安煤矿出现了 个明显的形变漏斗，呈离散分布，漏斗面积约 。其中北部 号点位所在的“月牙形”形变区域范围最大，面积约 ，最大形变量达 ；中部的 号点位形变区涉及的范围较小，面积约 ，最大形变量超 。北部 号点位（图 （）和中部 号点位（图 （）的形变量时间序列特征非常相似，具体表现为：在 年 月 年 月的形变量基本呈线性发展趋势，形变速率相对较大，但在 年 月形变量时间序列出现明显拐点，后续在 年 月 年 月形变速率持续减小，此期间的形变量仅 ，年 月后形变量持续减小，至接近于零。号点位和 号点位的地面沉降时间演化经历了快速趋于平稳 个沉降变形过程。南部 号点位的形变范围在兴安煤矿中最小，面积仅约 ，年 月 年 月地表形变速率总体保持持续快速状态（图 （）。综 期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究图 个特征点形变量时间序列 中国地震 卷上，兴安煤矿北部 号点位和中部 号点位所在开采面的地面沉降得到了一定程度的缓解，南部 号点位开采面的沉降趋势仍在持续增强，对于 号点位形变区域也需要进一步关注。（）峻德煤矿位于图 中黑色标识区。年 月 年 月，峻德煤矿出现了 个明显的沉降漏斗，呈近 向离散分布，沉降漏斗面积由北向南分别约 、和 ，总面积约 。个沉降漏斗的最大形变量均超过了 ，其中最大形变量为 号点位的 。综合 个点位的形变量时间序列特征发现，在 年 月 年 月，个点位的形变量基本均呈现线性发展的趋势，形变量比较稳定，期间部分点位的形变速率略有波动但变化量较小，不影响形变量时序曲线的整体趋势。峻德煤矿 个点位的形变量（图 （）（）在 年 月 年 月均呈现明显的减小，且逐步趋近于零，其中 号形变点甚至出现地表近垂直向反向向上运动的特征。综上，峻德煤矿地面沉降时间演化经历了快速减缓平稳 个变形过程，通过峻德煤矿 个点位的地表形变特征分析，初步认为峻德煤矿现阶段地面沉降在一定程度上得到有效控制，推测后续不会有较大的沉降发生。结语煤矿资源持续开采造成鹤岗煤矿区出现明显的地面沉降。利用覆盖鹤岗煤矿区的 景 数据，基于小基线集时间序列 技术，成功提取了鹤岗煤矿区 年 月 年 月的地表形变信息，详细分析了鹤岗煤矿区地面沉降的时空演变规律。在地面沉降分布基础上，进一步详细分析了鹤岗南部富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿的开采沉陷形势，主要结论如下：（）鹤岗煤矿区在 年 月 年 月出现比较严重的地面沉降现象，地表近垂直向呈现出不均匀、漏斗式的运动形态特征，最大垂直平均形变速率达 。提取的 个沉降漏斗边界清晰，集中在煤矿矿井开采区，显示了煤矿开采加速矿区开采区地面下沉运动。兴安矿和峻德矿局部开采面形变出现了正向抬升，呈现 向条带状分布。在非煤矿开采区域基本无地面沉降现象。（）年 月至 年 月，自相对于第一景影像的沉降漏斗形成后，随着时间推移漏斗的空间形态基本保持不变，但不同矿区沉降漏斗的累计形变量在空间范围上表现略有差异，新陆煤矿矿井区的累计形变量在 年 月后显著大于鹤岗其他 个煤矿的累计形变量，建议对新陆矿开采沉陷予以管控，预防发生更大的地质灾害。（）年 月后，富力煤矿和兴安煤矿 号形变点所在工作面的地表形变趋势仍处于快速下沉状态，预计未来沉降值还会进一步增大，形变趋势达到稳定需要更长的时间，有必要对达到稳定前的地表形变趋势进行持续动态跟踪。参考文献敖萌，张路，廖明生，等 基于方差分量估计的多源 数据自适应融合形变测量 地球物理学报，（）：何秀凤，何敏 对地观测数据处理方法与综合测量 北京：科学出版社金丽华，岳昊，武丽梅 基于 技术的城市地面沉降信息统计分析研究 测绘与空间地理信息，（增刊 ）：期祝杰等：鹤岗煤矿区地面沉降时空特征 时间序列监测研究廖明生，唐婧，王腾，等 高分辨率 数据在三峡库区滑坡监测中的应用 中国科学：地球科学，（）：廖明生，王腾 时间序列 技术与应用 北京：科学出版社龙精华 鹤岗矿区生态系统服务评估与权衡研究 博士学位论文 北京：中国矿业大学（北京）屈春燕，单新建，张国宏，等 时序 断层活动性观测研究进展及若干问题探讨 地震地质，（）：伍吉仓，宋鑫友，胡凤鸣，等 联合 和 观测位移反演 年汶川大地震断层位错模型参数 中国地震，（）：单新建，屈春燕，龚文瑜，等 年 月 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