基于SBAS-InSAR技术的矿区开采损害鉴定研究

2024-05-10嵇文磊周锦华

煤炭工程 2024年4期

张建，嵇文磊，周锦华

(1.开滦(集团)内蒙古投资公司红树梁煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017100；2.大地工程开发(集团)有限公司，北京 100102)

煤炭地下开采过程中会破坏上覆岩层应力平衡进而使岩层和地表产生移动变形，若地面建构筑物位于移动变形区内，建构筑物与地基之间的平衡状态可能遭到破坏从而导致建构筑物损害，威胁生命财产安全[1，2]。合理鉴定采动区建构筑物的开采损害对矿区安全有重要的实践意义。

开采损害鉴定主要包括煤矿开采边界和影响程度的确定，传统的损害鉴定方法一般分为两类[3]：一类是在有真实开采资料情况下，通过地表移动变形预计手段确定损害边界以及程度，并按规程进行修复赔偿。此外，也可通过布设一定数量观测站，根据由观测站计算得到的移动角值参数(如边界角、移动角、裂缝角)确定损害边界并留设保护煤柱。第二类是在没有真实开采资料情况下，根据地表裂缝特征、建构筑物裂缝特征等确定建构筑物是否受开采影响。然而，上述开采损害鉴定方法一方面受限于观测站布设和观测情况(人工依赖程度高，实时性、可追溯性不强)，另一方面依赖经验模型的准确性以及人工经验。近年来，InSAR因其独有的全天候、大范围、高时空分辨率监测优势在地表形变监测中应用广泛[4-7]。同时，随着SAR数据获取能力和处理技术不断提升，学者们通过在长时间序列下地表散射特性稳定的目标点上建立模型，借助相关算法求解形变速率，从而实现时间序列地表形变监测，即时序InSAR[8-11]。因此，借助时序InSAR的可追溯性以及高效可靠的监测优势能够有效确定开采沉陷边界，从而实现矿区开采损害的合理鉴定[12]。

基于此，本研究将在开采损害鉴定工程实践中引入时序InSAR技术，借助其长时间、可追溯优势实现沉陷区历史形变恢复以及影响边界确定。同时，通过传统的预计手段与时序InSAR监测结果形成互补，并相互验证。最后，通过实地调查确定了该方法的可靠性。

1 研究方法

1.1 SBAS-InSAR技术形变监测

短基线集干涉测量技术(SBAS-InSAR)是一种经典的时序InSAR处理方法，该技术最初由Berardino等[13]提出，通过对覆盖研究区域一定数量的SAR影像进行自由组合，同时设定时空阈值以克服时空失相干，达到获取较高质量差分干涉图的目的。随后，借助最小二乘准则以及奇异值分解(SVD)算法联合求解小基线集，最终获取研究区域在时序上的形变特征。大量研究表明，SBAS-InSAR技术能够有效地抑制时空失相干以及大气效应，监测精度较高，在矿区地表形变监测中得到了广泛应用[14-17]。

1.2 边界角提取

目前，开采损害鉴定主要通过边界角来圈定。边界角是指在充采或接近充采条件下，地表移动盆地主断面上盆地边界点至采空区边界连线与水平线在煤柱一侧的夹角[18]。以边界角来进行开采损害鉴定，能够最大程度地保障建构筑物业主的权益。

实验中为准确提取边界角，结合SBAS-InSAR监测与现行规范[19]中所指定的预计方法以实现增强互补。首先，考虑到InSAR所监测的地表形变实质上是地表真实变形沿雷达视线向(Line of Sight，LOS)上的一维投影。为方便计算，本研究忽略地表水平移动分量对雷达视线向形变的贡献，依据入射角信息将LOS向形变直接转化为垂直向沉降。具体见式(1)。

W=dLOS/cosθ

(1)

式中，W为垂直向沉降；dLOS为LOS向形变观测值；cosθ为入射角的余弦值。

在获取垂直向沉降后即可确定盆地边界点，为顾及InSAR监测精度，将对形变区进行掩膜，并统计非形变区标准差(STD)，随后设置一定的置信区间确定盆地边界下沉值。

然而，顾及到InSAR监测结果不可避免地受失相干作用而存在一定的监测“空洞”，故将借助概率积分模型预计地表形变、确定角值参数，从而与InSAR监测形成互补。概率积分模型最早由波兰学者李斯特威尼申引入开采沉陷预计中，随后由中国学者刘宝琛、廖国华发展并最终创立。该方法认为岩层是非连续介质，将开采引起的岩层和地表移动视为随机过程，通过单元开采移动变形—主断面半无限开采移动变形—主断面有限开采移动变形及至全盆地移动变形的推导，建立了适用于任意形状工作面的开采沉陷预计模型。

1.3 采动损害判定

上述边界角提取过程充分结合了InSAR监测和预计模型的优势。然而，若需准确率定建构筑物是否受到损害以及损害程度，实地调研是一种可靠的验证方式。因此，本实验将在前序监测计算与理论分析的基础上开展现场调研工作，实现采动损害的有效判定。

2 工程实例

2.1 研究区概况

2.1.1 研究区地形地貌

研究区域为山西东坡煤矿，鉴定村庄位于井田东北部，村庄有近500户居民。村庄所处地形地貌类型为丘陵，地表大部分被黄土覆盖，地势总体北高南低。由于黄土台地受强烈的侵蚀、切割作用，加之又无有效的植被保护，因此多形成梁、塬、峁及黄土冲沟等黄土高原地貌景观。村庄西部发育一条近南北向黄土冲沟，沟底至两侧陡崖有基岩出露，村庄位于冲沟东侧，村庄北部为相对平缓的黄土塬。研究区域地貌如图1所示。

图1 研究区域地貌Fig.1 Topography of the study area

2.1.2 研究区地层情况

研究区地层自下而上分别为：奥陶系中统上马家沟组；石炭系中统本溪组、上统太原组；二叠系下统山西组、下石盒子组，上统上石盒子组；第三系上新统静乐组和第四系。石炭系上统太原组为井田主要含煤地层，鉴定村庄区域松散层厚度约15 m左右，如图2所示。

图2 鉴定村庄地质剖面Fig.2 Geological profile of the village

通过前期资料收集，该矿主采4和9两个煤层。4煤采用综采全部陷落法管理顶板，采厚2.9～3.9 m，开采深度在202～272 m之间，煤层倾角3°左右；9煤采用综采放顶煤，全部陷落法管理顶板，采厚12～13 m，开采深度在264～312 m之间，煤层倾角3°左右；煤矿对鉴定村庄分别留设了4煤层和9煤层保护煤柱，且矿井开采活动未进入鉴定村庄保护煤柱。在鉴定村庄煤柱西侧和南侧主要开采了4煤和9煤十个工作面，开采时间为2008年3月—2014年11月。煤层开采与鉴定村庄相对位置如图3所示。

图3 煤层开采与鉴定村庄相对位置Fig.3 Relative location of coal seam mining and the village

2.2 SAR影像数据准备

为充分发挥InSAR技术的可追溯性优势，收集了覆盖研究区域且时间跨度十三年的SAR历史影像，包括22景ALOS-PALSAR1影像(2007年1月—2011年3月)、7景RadarSAT-2影像(2011年12月—2013年6月)以及67景Sentinel-1影像(2016年10月—2019年4月)。值得说明的是，虽然上述三种数据并未覆盖整个时间周期，但分析开采工作面时间耦合性发现，开采间断期发生的地表形变远离村庄，对数据使用无大的影响。经过一系列预处理之后即可得到各传感器的单视复数影像(SLC)，此后通过设置一定的时空阈值进行小基线集自由组合，最终形成干涉。时空基线如图4所示。

图4 干涉对时空基线Fig.4 Baseline graph of interference against space-time

3 监测结果分析

3.1 研究区InSAR监测结果

在生成的干涉图基础上，经过滤波、相位解缠、去轨道趋势以及时空滤波并借助奇异值分解获取研究区时序形变。各传感器监测结果如图5—图7所示。

图5(a)为研究区在2007年1月至2011年3月期间地表累积形变，监测时段内，矿区主要开采4煤的1、2号工作面和9煤的7号工作面，结合工作面开采信息发现地表形变与其具有较高的一致性。经计算，该处最大形变为0.22 m。此外，监测发现东坡煤矿附近采空区存在较明显的地表形变，视线向最大形变达到0.14 m，但鉴定村庄区域未发现变形信息。

图5(b)为研究区在2011年12月至2013年6月期间地表累积形变，监测时段内，矿井主要开采4煤的3、4号工作面以及9煤的7、8、9号工作面。区域形变主要集中在工作面边缘，且形变量级最大为0.13 m。然而，由于数据时间分辨率限制，监测结果受失相干因素影响较大，监测“空洞”明显。此外，监测发现东坡煤矿附近采空区地表形变明显趋缓，视线向最大形变仅为0.05 m，一定程度上说明了该处岩层移动区域已趋于稳定。该期间鉴定村庄区域未发现变形信息。

图5(c)为研究区在2016年10月至2019年4月期间地表累积形变，监测时段内，矿井主要开采4煤5号工作面、9煤的6、9、10号工作面。区域形变与地下工作面开采具有明显一致性，形变量级最大为0.12 m。该期间鉴定村庄区域未发现变形信息。

3.2 基于InSAR技术的村庄沉降边界界定

在前序InSAR监测结果基础上，为尽可能减少InSAR观测误差对沉降边界划定的影响，采用滤波窗口为3×3大小的中值滤波对三个监测时段的形变结果进行后处理。随后，根据文中所述边界提取方法分别确定三个监测时段内形变边界。监测时段内村庄地区累积沉降以及划定的沉降边界如图6所示。

图6 鉴定村庄累计沉降和沉陷边界Fig.6 Cumulative settlement and subsidence boundary maps of the village

由图6(a)可知，2007年1月至2011年3月期间鉴定村庄均在粉色线条右侧，即地表沉降并未延伸至鉴定村庄范围，因此认为该时段内开采活动并不会导致村庄内建构筑物产生损害。同样地，图6(b)(c)所代表的监测时段内，地表沉降边界并未延伸至鉴定村庄范围。综上所述，本次利用覆盖鉴定村庄及周边地区ALOS PALSAR、RADARSAT-2、Sentinel-1共计96 景SAR数据监测了该地区2007年1月15日—2011年3月13日、2011年12月17日—2013年6月21日、2016年10月14日—2019年4月24日三个时间段的时序沉降。结果表明上述三个时间段内，沉降边界均未延伸到鉴定村庄，即研究煤矿开采在上述时段的开采活动很难造成鉴定村庄的房屋损坏。

3.3 基于概率积分模型的村庄沉降边界界定

前面基于InSAR技术划定的沉降边界一定程度上表明了鉴定村庄未受采动影响，然而受形变梯度、时空失相干等因素影响，InSAR所划定的沉降边界可能有所缺失。故将结合概率积分模型预计地表形变、划定角值参数，从而确定完整的沉降边界，如图7所示。根据《建筑物、水体、铁路及井巷煤柱留设与压煤开采规范》相关规定，下沉值为10 mm的点作为采煤沉陷盆地边界，并将地表下沉量大于10 mm的区域均认为受开采沉陷影响。由图7可知，利用煤矿实测数据计算得到的下沉10 mm等值线未进入村庄(图中粉红色线条)。综合InSAR监测结果所界定的沉降边界可确定煤矿在某村庄保护煤柱以外的开采不会造成该村房屋损害。