基于SBAS-DInSAR的大宁矿区多工作面开采地表沉陷规律研究

华怡颖 胡晋山 康建荣 徐 郡

（江苏师范大学地理测绘与城乡规划学院，江苏徐州221116）

煤炭资源开采在推动我国经济迅速发展的同时，也给矿区生态环境带来了严重的负面影响［1-2］。井下工作面的不断推进，使得矿区周围原始应力平衡被破坏，矿区出现了一系列地质灾害，如地表裂缝、山体滑坡、地表塌陷等［3］，这些灾害严重威胁了矿区居民的生命财产安全。

相较于传统的变形监测手段（如精密水准测量、GPS 监测等）仅能获取点目标的形变信息［4-6］，合成孔径雷达差分干涉测量（DInSAR）技术能够获取大面积、连续的地表形变信息，具有覆盖范围广、观测成本低、全天时、全天候等特点，目前该技术已经被广泛应用于各种变形监测领域［7-12］。DInSAR 技术的基本原理是通过获取两幅SAR 影像对地面同一区域生成干涉图，并对干涉图进行差分处理，从而精确得到地表发生的细微形变［13-14］。然而，常规DInSAR 处理方法受时间、空间失相干和大气延时相位的影响，难以在长时间地表缓慢变形监测中得到理想结果［15-18］。短基线差分干涉（SBAS-DInSAR）继承了常规DIn-SAR 技术的优点，且受垂直基线的影响较小，并能有效减小空间失相干和大气相位影响，在地表变形监测方面更便捷，更具有优势［19-21］。本研究以大宁矿区为例，采用短基线差分干涉（SBAS-DInSAR）技术对多工作面上方的地表沉降进行分析，并利用研究区内工作面上方布设的地表移动观测站的实测数据检验SBAS-DInSAR 反演结果的可靠性。具体来说：选择部分观测点并提取这些观测点所对应的SBASDInSAR 反演形变值，将实测值与SBAS-DInSAR 反演值进行了对比分析并计算差值，发现SBAS-DInSAR反演出的下沉变化趋势与实测数据基本相符，且二者差值较小，反映出采用SBAS-DInSAR 技术反演矿区地表沉陷具有较好的可靠性。

1 研究区概况

大宁矿区位于山西省晋城市阳城县北部，地处太行山南端与中条山东北缘的结合部，区内地形以低山—丘陵为主，地势西高东低，为北方山地丘陵地貌（图1）。该区属东亚季风区半干旱大陆性气候，四季分明，夏季多雨，春秋季多风少雨，冬季寒冷。

研究矿区井田南北宽4～6 km，东西长5～12 km，井田面积38.822 5 km2。井田内主要的含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含煤地层总厚度为124.18 m，煤层平均厚度10.41 m，煤层倾角5°～10°。研究区包含5个工作面，位于井田东部，如图1所示，从西至东编号分别为P101、P102、P103、P104、P105，各工作面开采情况如表1所示。为了监测矿区采动沉降情况，在P102 工作面上方布设了3 条观测线，分别为走向A线、倾向B线和倾向C线。A线总长度为830 m，布设37 个观测点；B 线总长度为660 m，布设30 个观测点；C 线总长度为680 m，布设36 个观测点。

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2 数据源与研究方法

2.1 数据源

试验使用的雷达影像为研究区9 景PALSAR 数据，时间 跨 度为2007 年1 月3 日—2008 年7 月8 日。数据为L 波段，入射角为38.7°，波长23.5 cm；L 波段具有良好的穿透性，可以更好地对植被覆盖的茂密区进行监测［22］。同时，为了减少地形相位的影响，试验选用了美国地质调查局发布的30 m×30 m 分辨率DEM数据。

2.2 研究方法

试验使用SARScape 软件进行SBAS-DInSAR 数据处理，处理流程包括生成连接图、干涉工作流、轨道精炼和重去平、短基线第一步反演、短基线第二步反演和地理编码等步骤。设置临界基线最大值为45%，时间基线最大值为365，生成像对连接的时空基线图（图2）。其次对所有配准的干涉像对进行干涉处理，包括相干性生成、去平、滤波和相位解缠4个步骤，其中设置解缠相关系数阈值为0.2，并用Goldstein滤波方法进行滤波处理。引入外部DEM 数据进行轨道精炼和重去平之后，进行短基线反演，第一次反演估算形变速率和残余地形，第二次反演计算时间序列上的位移。最后对SBAS 结果进行地理编码，得到的主要产品有LOS 方向上的平均形变速率、平均形变加速度、累计形变量等。

3 可靠性分析

为了验证SBAS-DInSAR 反演的可靠性，本研究选取了布设在P102工作面上方的地表移动观测站的实测数据进行验证。首先提取每个观测站对应的SBAS-DInSAR 反演值，去除反演结果为无效值的观测站实测数据；其次由于DInSAR 技术对地表大尺度形变不敏感性，所以去除大尺度形变点，选择形变量较小的观测数据进行验证；最后对实测数据进行筛选之后选取了倾向C 线上的10 个观测点C4、C13、C14、C15、C17、C22、C27、C30、C31、C34，并由东向西重新编号为1～10 号点，1 号点位于P102 工作面东侧地表，2～6 号点位于P102工作面上方地表，7～10号点位于P102工作面西侧地表。观测时间为2006 年12 月23 日—2007 年6 月3 日。将上述10 个测点数据与SBASDInSAR反演结果进行比较，结果如图3、表2所示。

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由图3 可知：SBAS-DInSAR 反演出的下沉变化趋势与实测数据基本相符。结合布设的观测点位置进行分析，发现P102 工作面东侧地表1 号点下沉缓慢，2 号点处出现了快速下沉现象，3～10 号观测点均有较大沉降且沉降量先增加后减小，说明P102 工作面上方地表及西侧地表沉降较为剧烈。分析原因是由于P102 工作面在2007 年5 月开采结束，这段时间内矿区地表移动活跃，P102 工作面开采诱发了相邻西部P101 工作面采空区地表继续发生形变，因此2～10 号点下沉值较大且具有先增加后减小的趋势。5号点的下沉值差值最大为39.909 mm，而观测点的总体平均误差为6.6 mm 左右，相对于整个矿区沉降程度来说误差较小。导致SBAS-DInSAR反演下沉值与实测值出现偏差的原因，主要有以下几点：

（1）SAR 数据受周期性影响，获取形变场的时间采样率难以控制，因此SBAS-DInSAR 反演的沉降结果为2007年1月3日—2007年7月6日的矿区地表形变值，而实测值是2006 年12 月23 日—2007 年6 月3日的矿区地表形变值，二者在时间上有差异。

（2）由于地面散射点的相干性随时间、空间而变化，所以相干点在空间维度上分布存在不确定性，因而小尺度空间上的形变值具有不稳定性。

（3）SBAS-DInSAR 技术利用相干区域法减少相位噪声，降低了空间分辨率，难以对点状目标进行精准的变形监测，所以在提取观测站的相应测点数据时易出现偏差。

总体上，从SBAS-DInSAR 反演结果的整体趋势和监测效果来看，与实测数据基本相符，说明采用SBAS-DInSAR技术反演地表沉降具有可靠性。

4 结果分析

4.1 研究区沉降速率分析

通过SBAS-DInSAR 数据处理之后，获得2007 年1月3日—2008年7月8日期间大宁矿区LOS（卫星视线）方向沉降量ΔD：

式中，ΔH 为LOS 方向形变，mm；α 为卫星入射角，（°）。

可将卫星视线方向的平均形变速率转换到垂直方向的平均形变速率，结果如图4 所示。从图4 中可以看出研究区东部沉降较大，P102 工作面地表沉降速率最大，最大沉降速率为-196 mm/月，并且由于工作面开采作业，导致周围地表也出现了较大沉降，最大沉降速率为-144 mm/月。

4.2 时序累计沉降值分析

由于SBAS-DInSAR反演出的时序累计沉降值中P103 工作面大部分点为无效值，而P104、P105 工作面在本研究时间段内尚未进行开采作业，因此以反演结果较好的P101、P102 工作面为研究对象，分析P102、P103 工作面开采时间段内对相邻已采工作面地表稳定性的影响。

图5 是以2007 年1 月3 日为影像获取起始时间，其他监测时间分别相对于起始时间的时序累计形变量分布情况。分别提取P101、P102 工作面各期的最大累计下沉值，计算每期相对于上一期的最大累计下沉值变化量、影像获取时间变化量，得到了P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）。

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结合研究区工作面开采情况（表1）和P101、P102工作面每期最大下沉速率（表3、表4）进行分析可知，2007 年1 月 至2007 年2 月中旬，P102 工作面开采 工作已推进大半，从图5（a）中可以看出P102 工作面上方地表沉降剧烈，速率为-92.8 mm/月，此时，该工作面上方地表移动仍处于活跃阶段，且影响了相邻已采工作面P101 及周围地表稳定，P101 工作面上方地表最大下沉速率为-54.7 mm/月；从图5（b）中可以看出，至2007年7月P102工作面开采结束，P103工作面开始由南向北开采，受到相邻工作面（P103）开采诱发，导致已采工作面（P102）结束开采2个月内的地表移动仍未进入衰退阶段，下沉速率为-13.4 mm/月，最大下沉值为-199 mm；至2008 年1 月P103 工作面开采即将结束，从图5（e）中可以看出，该工作面的持续开采使得周围地表下沉范围扩大，相邻工作面P101、P102 地表持续发生沉降，最大下沉值为-275 mm；从图5（h）中可以看出，至2008 年7 月P103 工作面开采结束5个月后，P102工作面及周围地表的最大沉降量为-310 mm，且2008 年1—7 月间P101、P102 工作面累计沉降量均大于-30 mm，所以P101、P102 工作面上方地表仍在缓慢下沉，地表未达到稳定。由此可以说明，由于相邻工作面开采的影响，使得已采工作面上方地表移动衰退期延长。

4.3 矿区沉降特征分析

为了更直观地对矿区多工作面的开采沉降特征进行分析，将P102工作面上方地表作为研究对象，在SBAS-DInSAR 反演结果中，选择了P102 工作面上方走向A 线和倾向B 线地表移动观测站上的连续点数据来拟合地表沉降值。由于P103工作面的反演结果大多为无效值，因此去除倾向B 线上位于P103 工作面上方地表的观测点，重新选取观测点25～30 号点，使其位于P102、P103 工作面中间地表。本研究绘制的走向A 线时序累计沉降值折线图和倾向B 线时序累计沉降值折线图如图6和图7所示。

由图6 可知：随着时间的推移，P102 工作面走向方向上地表累计下沉值逐渐增大；1～8 号点在P102工作面北侧地表，远离P102 工作面地表的1 号点几乎没有发生沉降，越靠近工作面地表的观测点沉降值越大，在6 号点附近有一处快速下沉现象，说明越接近工作面开采区域，下沉速率越大；9～37 号点在P102 工作面上方地表，工作面由南向北开采，所以越靠近北部开采区沉降值越大，下沉速率越快，随着观测点向南排列，观测点的地表时序累计沉降值变小，地表下沉速率变慢；走向A线累计沉降变化曲线出现了下沉盆地特征，说明P102 工作面地表在一定范围内沉降速率较快，下沉盆地靠近工作面北部，这是因为工作面由南向北开采，南部区域已开采结束，北部开采区域下沉速度较快，累计沉降值也较大。

由图7 可知：随着时间的推移，P102 工作面倾向方向上地表累计下沉值逐渐增大；1～5 号点在P102工作面西侧地表，远离P102 工作面的1 号点沉降缓慢，随着观测点越接近P102 工作面，地表下沉值越大；6～24号点在P102工作面上方地表，沉降值达到最大，说明P102 工作面上方地表移动较剧烈；25～30 号点在P102 工作面东侧地表，随着观测点远离P102 工作面，沉降值由大到小，地表下沉速率由快变慢；在倾向方向上，P102 工作面出现了下沉盆地特征，越靠近开采工作面地表下沉速率越快，下沉值越大。

5 结 论

（1）利 用SBAS-DInSAR 技 术 对 大 宁 矿 区9 景PALSAR 影像进行处理，得到研究区垂直形变速率、时序累计形变量等信息。利用实测数据对SBASDInSAR 反演的沉降结果进行验证，通过选择合适的观测点，提取其对应的SBAS-DInSAR反演值，对比分析SBAS-DInSAR 反演值与实测值，并计算差值进行误差分析。研究表明，采用SBAS-DInSAR 技术监测矿区多工作面地表形变具有一定的可靠性。

（2）分析了研究区2007年1月—2008年7月间的地表沉降速率，其中研究区东部地表移动活跃，最大沉降速率可达-196 mm/月。重点对矿区东部多工作面上方地表进行了时序累计沉降分析，发现2007年1月—2月中旬P102工作面正在开采，此时开采工作面（P102）影响了相邻已采工作面（P101），使其上方地表发生沉降。至2007 年7 月P102 工作面开采完毕，受相邻P103 工作面开采影响，P102 工作面上方地表移动未进入衰退阶段，地表下沉速率为-13.4 mm/月。直至2008 年7 月，P101、P102 工作面上方及周围地表仍受开采工作面影响，处于缓慢下沉状态，尚未达到稳定。SAR影像处理结果表明，在矿区多工作面地表开采工作中，受相邻工作面开采的影响，已采工作面采空区继续发生沉降，上方地表移动衰退期延长，且矿区工作面上方地表沉降出现了下沉盆地特征。