InSAR技术在矿山采空塌陷调查中的应用

彭鹏

摘要：本文以安徽省淮南煤矿区为例，编程订购10期RadarSAT-2雷达影像数据，采用D-InSAR技术，获取了采空塌陷的范围与沉降速率。结果表明：1.D-InSAR技术可以有效地识别出光学遥感未能识别的潜在或未稳沉的塌陷区，经实地调查，结果真实可靠，与野外具有一致性。2.可以定量估算出采空塌陷区的沉降速率，本区最大沉降速率为4.9cm/24天。3.InSAR技术在地下开采监测方面与传统的测量技术相比，表现出极大的优势，具有快速、准确、大范围、成本低的特点，应用前景广阔。

关键词：采空塌陷；InSAR；遥感RadarSAT-2

前言

矿产资源的开采造成的采空塌陷对生态环境造成一定影响，成为严重制约矿区可持续发展的重要因素，它不仅破坏土地资源、导致生态环境恶化，而且影响人民的生产、房屋生活设施，进而诱发一系列社会、经济问题（图1、图2）。当前，生态文明建设已成为社会关注的热点，如何对生态环境进行恢复，如何快速的识别采空塌陷区的范围和沉降速率，成为治理和监测的首要目标。常规的水准测量、GPS测量监测矿区采空塌陷的技术存在监测周期长、成本高、无法达到区域全覆盖监测等问题。

近些年发展起来的合成孔径雷达干涉测量技术（Inter-ferometric SAR，InSAR）具有全天时、全天候的特点，可以从空间直接获取大范围、高精度的形变信息、高效可重复的动态监测，广泛地应用到地表形变、采空塌陷、地震形变、冰川移动、火山运动以及山体滑坡等方面。InSAR技术可以快速、准确、省时的监测到塌陷区的动态变化，节省大量资金，和传统的测量方式相比，有很大的优越性（表1）。本文以淮南煤矿区为例，采用二轨法对研究区采空塌陷进行信息提取与分析，为掌握和治理采空塌陷区提供基础资料与技术支持。

1.研究区概况和以往形变概况

研究区位于安徽省淮南市，坐标范围为东经114°50′～118°10′、北纬32°20′～34°40′之间。全市总面积2121km²，市辖田家庵、大通、谢家集、八公山、潘集五区和凤台县以及毛集综合实验区，总人口210万人。淮南是中国五大煤田之一。淮南目前已发展成为以煤炭、电力为主体，兼有纺织、电子等门类较为齐全的新型工业城市。淮南煤矿区长期矿产资源开采给社会带来巨大效益的同时也严重地破坏了周边的环境，采空塌陷就是直接表现，已成为影响和制约矿业城市可持续发展的重要因素。至2002年，全市范围内采煤塌陷区面积已近50km²。其中，形成水面的面积为13km²，占塌陷总面积的30%左右，主要分布在大通、谢家集、八公山、潘集4个区和凤台县。

2.数据源

采用的雷达数据为2012年～2013年编程订购加拿大MDA公司的RADARSAT-2（20～30m）作为主数据源，RA-DARSAT-2宽波束模式，分辨率为距离向30m，方位向26m，图像为150^x150km，面积为22500km²，极化方式有HH、VV、HV和VH，本次选用VV，入射角为20°～45°，其基本信息见表2。

3.数据处理

对于采空塌陷快速形变类型，本次以GAMMA软件为数据平台，采用二轨法对获取的数据进行差分干涉处理，获取了采空塌陷的范围和沉降速率，主要步骤包括：（1）选取两期影像，利用主辅图像生成干涉图，去除平地效应，干涉条纹图中包含地形信息和形变信息；（2）将DEM数据转换为相位值，并获得模拟干涉条纹图；（3）从主辅图像生成的干涉条纹图中减去利用DEM模拟的干涉条纹图；（4）对差分干涉相位图进行处理，获得地表形变量；（5）将获取的地表形变图转换到地理坐标系中。通过以上处理，获得了干涉强度图、干涉图等图件（图3、图4），可以看出，获得效果较好。

4.采空塌陷区分析

通过常规差分干涉处理，获得了研究区的差分干涉图（图5），从图上可以准确的识别已发生的塌陷和潜在的塌陷区域，且通过干涉纹理测算出塌陷的沉降量（表3）。

从图5可以看出：淮南煤矿区采空塌陷区域主要集中分布于大通区的大通——九龙岗一带、谢家集区和八公山区的大山镇——八公山——谢家集——李郢孜一带、潘集区的董圩-泥河一带、凤台县的观音——岳张集——新集——刘集一带。根据塌陷区的分布，结合收集的矿山资料，采空塌陷区主要是由大型煤矿刘庄矿业区域、谢桥煤矿区域、张集煤矿区域、顾北煤矿区域、顾桥煤矿区域、丁集煤矿区域、潘集第三煤矿区域、潘集第一煤矿区域、新集二矿区域、新集三矿区域、李咀孜煤矿区域等矿山开采所形成。

5.野外实地验证

通过野外调查，结合2012年度的光学遥感影像和工作区矿山开采现状分布图等资料，进行综合分析，对采用常规差分干涉方法提取的采空塌陷区与实际情况做对比分析，其结果与实际情况吻合，结果真实可信。

如顾桥煤矿区域，通过遥感影像可以看出，在矿区内地表已经出现小范围塌陷，积水（图6），经过雷达差分干涉处理，发现此位置在2012年2月4日与2012年2月28日期间出现沉降，沉降量达到4.5cm/24天，通过后续3、4月的差分干涉图对比，发现采空区塌陷范围在逐步加大，与实地调查的结果一致。

通过差分干涉处理，获取图7所示煤矿区域沉降量为4.2cm/24天，结合光学遥感数据和雷达数据提取的采空塌陷区域（图8），进行野外实地调查，发现此区域地势明显低于周围，地上电线杆已发生倾斜，已开始形成塌陷（图9）。

5.结论与展望

（1）InSAR技术可以有效地识别出光学遥感未能识别的或潜在的采空塌陷区；可以估算出沉降区域沉降速率，通过实地调查和已有资料的对比分析，结果与实际情况一致，真实可靠。

（2）通过大量数据积累，采用InSAR技术，可以做到长时序的区域地面塌陷进行大范围的监测，为工矿企业和政府管理部门及时掌握塌陷分布和数量，也为地质灾害预警提供新的监测技术方法。