InSAR形变监测在开采沉陷损害鉴定及稳定性评价中的应用

2024-01-15陈冉丽王红军刁鑫鹏张宝金

测绘通报 2023年12期

陈冉丽,王红军,刁鑫鹏,张宝金

(1. 石家庄铁路职业技术学院,河北石家庄 050041; 2.河北省桥隧工程施工智能控制技术创新中心,河北石家庄 050041; 3. 河北省高校桥隧智慧建造应用技术研发中心,河北石家庄 050041;4. 中国矿业大学,江苏徐州 221116)

大规模、高强度的煤炭开采往往会破坏地层的原始应力平衡,随着采空区范围扩大,引起地表的移动变形[1-2]。由开采导致的地表沉陷易造成工民用建(构)筑物损害,严重威胁着人民的生命财产安全并制约了矿区城市的可持续发展。同时,随着部分矿区的煤炭资源枯竭和国家去产能政策的实施,一些早期矿井已逐步进入闭井阶段,而关闭矿井除了可能引起次生沉陷外[3],还面临着采煤塌陷地的治理再利用,矿区国有设施回收等诸多问题。因此,合理开展覆岩移动监测工作对于后期采煤沉陷区稳定性评价、矿区生态修复及政府回收土地二次开发利用等工作均具有重要的现实意义。

目前常规地表沉降监测的主要方法是在矿区内布设“十”字形地表移动观测站[4],定期利用精密水准测量或RTK获取监测点的高程变化情况,这种监测手段虽然精度高、应用广泛,但实际工程中仍面临着观测点易丢失、时效性差、成本高等问题。合成孔径雷达干涉测量(interferometry synthetic aperture radar, InSAR)是一种新型的卫星对地观测技术,它仅对同一区域的多景SAR影像进行复共轭相乘即可提取大范围、毫米级的地面形变信息,具有全天时、高精度、自动化等优势[5-6]。其中小基线集(small baseline subsets InSAR, SBAS-InSAR)技术能够有效消除大气效应、时空失相干影响[7-8],即使在永久散射体密度较低的矿区也能获取更为精确的长时序形变结果。文献[9]基于D-InSAR技术构建了倾斜煤层开采地表沉陷监测模型,实现精确提取地表下沉、倾斜和水平移动值;文献[10]应用D-InSAR技术开展了盘州市地下非法采煤活动,准确识别了开采位置和时间;文献[11-17]将SBAS技术成功应用于矿区地表形变的精细化监测、沉降时空演化揭示和建(构)筑物的稳定性分析。此外,文献[18-20]对InSAR矿区形变监测也做了重要的研究工作。

现有研究主要集中在矿区地表的形变监测,但对于InSAR在采动条件下建(构)筑物的损害鉴定及关闭矿井后地表稳定性评价的应用相对较少。针对以上问题,本文通过列举3个案例,首先明确InSAR技术在矿区形变监测领域的精度和可靠性,其次将InSAR技术应用于采空区稳定性评价和矿区开采损害鉴定,分析结果对于安全、有效、合理地利用废弃矿井资源和保证建(构)筑物及人民生命财产安全具有重要的理论意义和实用价值。

1 InSAR煤矿沉陷监测精度分析

为了将InSAR地面沉陷监测技术应用于矿区地表稳定性评价,需要分析其形变探测精度及可靠性。以安徽北部某煤矿为研究区[21],在开采工作面上方地表布置了移动观测站(点位分布如图1所示),并在2010-01-13至2010-02-28期间进行了三等水准测量工作;同时选取观测时段内覆盖研究区的2景L波段的ALOS PALSAR影像,进行二轨法D-InSAR的干涉处理,最终解译得到工作面开采的沉降信息(如图2所示)。InSAR精度分析的技术流程如图3所示。

图1 地表沉陷区等值线及地面观测点分布

图2 煤矿开采工作面地表联合地理要素的沉陷

图3 InSAR精度分析技术流程

由于水准测量是获取的“点”状沉降信息,而InSAR反演的是“面”状的形变场,两者无法直接进行比较。同时,InSAR技术在沉降梯度较大的位置(即采空区中心)往往会出现空值的情况,因此需要先对InSAR解译成果进行插值运算,补全形变场的“空洞”,然后提取水准点所处位置的InSAR形变像元。该案例共统计分析了35个水准测点,其中水准测值与InSAR结果最小差值为1 mm,最大差值为27 mm,有29对数据差值在10 mm以内,两组数据的平均差值为7 mm,说明InSAR监测能满足开采沉陷损害溯源及稳定性评价的精度要求。

2 InSAR在关闭矿井地表沉陷稳定性评价中的应用

淮南某矿区的最后一个采煤工作面已于2018年10月停采,研究区位置如图4所示。根据已掌握的经验分析,到目前为止,该工作面上方地表已经趋于稳定,即整个矿区地表不再发生明显沉陷。为进行后续关停矿区的交接工作,亟须对该区域地表稳定性进行评价。因此本案例选取覆盖研究区的9景Sentinel-1A雷达影像(见表1),利用SBAS-InSAR技术获取了2018-10-18至2019-04-16的地表垂直向形变时间序列结果(如图5所示)。

表1 评价区域SAR影像数据

图4 评价区井上下对照

图5 InSAR监测地表垂直形变总下沉

从图5的解译结果可以得到,在评价区范围内,存在较多的解译失相干区域,其位置主要为沉陷积水区,SAR影像在成像过程中产生了镜面反射而使卫星无法接收后向散射,造成信息的缺失;除了评价区东侧部分区域存在垂直沉陷量约为50 mm的较为集中的垂直向变形外,其他区域的形变量低于30 mm。

为直观分析采空区地表的残余变形情况,在评价区域内做了3条的剖线(剖线位置如图6-图8所示)。其中,剖线1位于西部的采空区上方;剖线2位于东部采空区上方,其位置所在的工作面于2018年4月6日回采,2018年10月结束;剖线3位于评价区中部保护煤柱上方地表,覆盖工业广场。图9为3条剖线上的地表沉陷情况。

图6 剖线1位置(评价区西部地表)

图7 剖线2位置(评价区东部地表)

图8 剖线3位置(评价区中部地表)

图9 各剖线地表垂直向位移曲线

综合分析图5-图9的沉陷监测结果可以得到:

(1)评价区东部零星区域连续6个月的地表沉降量达到50 mm,根据矿方资料显示,发生沉陷的位置恰好处于最后一个开采工作面附近。由于本文试验中InSAR所监测的最终时间节点(2019-04-16)仅距离矿区的停采时间不到一年,该时段内工作面上方地表有可能产生残余沉降。但据估计,截止到2020年10月,该区域已经大体恢复稳定。

(2)除上述区域外,评价区范围内地表沉陷量均小于30 mm,且沉陷曲线与未开采区域的地表变形情况没有明显差异性,结合采空区稳定性评价指标,认为该区域地表已稳定。

3 InSAR在村庄开采损害鉴定中的应用

安徽省淮南市某村庄临近采空区,该矿区已于2015年6月停采,但现周边部分房屋建筑出现不同程度的裂缝(房屋损坏情况如图10所示),亟须鉴定房屋损坏与地下开采扰动的关系,以便后续受损村民及时获得合理补偿,解决煤炭企业与建(构)筑物业主之间的矛盾,科学采取维修加固等技术措施。

图10 村庄房屋损害情况

边界角作为确定地表移动盆地影响范围的角量参数,在煤矿生产建设工作中起到了重要作用,如保护煤柱留设、矿区采动损害范围划定等[22]。结合矿方提供的资料和“三下”采煤规程,经计算获取了淮南该矿区的边界角,并划定了其开采影响范围。如图11所示,工作面开采的影响理论上已经波及至村庄的部分区域,并造成房屋不同程度的损伤,主要以Ⅰ级为主,最高出现Ⅳ级。同时为了确定矿区停采后地表的稳定性,以覆盖该区域的8景Sentinel-1A影像(时间跨度为192 d)为数据源,利用SBAS技术获取了研究时段内评价区地表的时序累积形变信息。为便于数据解译,根据评价范围,事先对原始数据进行裁剪,得到裁剪后的影像强度信息如图12所示。

图11 井上下对照及开采影响范围

图12 评价区及周边SAR影像强度信息

图13为研究时段内解译的地表累积垂直位移形变量(沉陷量)。为直观显示所解译区域的变形情况,分别在图13中的3个位置绘制相应时间段内的沉陷曲线,如图14-图16所示,其中,A-A′线代表村庄位置,B-B′、C-C′线代表非开采影响区位置(对照)。

图13 解译时间段内的地表累积垂直位移形变图(沉陷)

图14 A-A′地表沉陷曲线(代表村庄村位置)

图15 B-B′地表沉陷曲线(代表非沉陷影响位置)

图16 C-C′地表沉陷曲线(代表非沉陷影响位置)

由图14-图16可知,在研究期内,村庄范围内的地表变形量处于-18～-1 mm,非沉陷影响区的形变量大致处于-15～ 3 mm,说明村庄地面变形情况与未开采区域已不存在明显差异(上述所解译的地表变形与InSAR技术自身的解译精度有关)。同时,依据评价指标,村庄相应位置地表的稳定性状态为稳定,可以采取后续措施。