贾文志
(潞安化工集团漳村煤矿,山西 长治 046032)
漳村煤矿经过多年的开采,在矿区范围内形成大面积的条带状或椭圆状塌陷,因此要对采空区的地表移动进行研究。受开采的影响,岩层的地表移动过程比较复杂,煤层埋深、厚度、覆岩特性以及开采方法都会影响地表沉陷。目前,采用差分干涉技术(D-InSAR)[1-4],通过卫星获得差分雷达监测图像的相位信息,从而得到地表形变值,精度能达到毫米级,具有空间持续覆盖、高度自动化、高度监测的能力,以掌握采空区地面沉降规律,促进矿井的持续安全生产。
漳村煤矿工作面东西长度为13.6 km,南北宽度为3.62 km,井田面积约39.248 7 km2。井田属低山丘陵地带,地表冲沟呈南北向发育,局部沟谷地段有煤系地层出露。从地形上看,西部地势高东部地势低,相对高度差约154.60 m,最高点位于矿区的西部,海拔约+1 027.60 m,最低点位于矿区的东北部,海拔约+873 m,一般地形标高在+900~+950 m。可开采的3 号煤层平均厚度为6.33 m。采煤时主要采用长壁采煤综合机械化方法进行,顶板管理采用全部垮落法进行。
为了得到准确的地面沉降监测数据,采用D-InSAR 技术方法进行数据处理。首先获取地表发生形变前后的整体SAR 影像,对影像进行干涉后得到干涉曲线图,再对干涉曲线图进行差分处理后得到差分干涉曲线图,最后将位于目标沉降点附近的地表沿线形变量提取出来。其流程如图1。
图1 D-InSAR 数据处理流程
对目标的距离向和方位向距离用干涉雷达来测量,但仅通过测量距离不能得到准确的位置和基准面高程,因此要对同一区域不同位置进行重复测量。
对同一区域的两张和多张图像组合起来呈现在空间域中,把其中一张影像作为主影像,其他作为辅影像,用辅影像作为参考,与主影像进行配准,完成影像的自动配准。
对配准后的数据进行差分干涉,分辨率为90 m,得到数据的干涉图并输出。
在干涉图中,对高度一样的平地利用基线距的计算方法,观察干涉条纹的高度变化,看是否随平地距离向和平地方位向的高度变化而呈周期性的变化,进一步计算和去除干涉图中的平地效应数据。
采用Goldstein 法对去平后的干涉图进行滤波和去噪,消除因外界干扰而引起的相位噪声,同时根据位相质量计算生成干涉的相干图。
对相位主值或相位差值进行相位恢复,以2π为模进行相位干涉,如果干涉相位的最小变化幅度超过2π,则相位重新转换开始滤波循环。因此,采用最小费用流法,对经去平和滤波后的相位进行解缠,使相位差值在2π 以内。
为了进一步揭示地面沉降的物理地球编码相关特性,综合形变合成相位,对之前校准和解缠后的相位进行编码转换,变成相位形变数据,并对形变数据进行地理编码转换,使其通过转换编码转换到地理坐标系下。
在MAPGIS 软件中,载入3 号煤层地表形变图并进行编辑加工,从而分析矿区的地面沉降信息。根据监测结果,3 号煤层的中东部地区是主要沉降区,与矿区的开挖方向大致相同。D-InSAR 技术能很好地监测出煤层地面沉降信息,根据矿井开发规划图,3 号煤层的形变量是从东向西逐渐增大,根据形变量关系,矿区的最大沉降量为48 mm,主要集中在采区中心靠西的位置,总沉降面积为1.21 km2。为了准确地分析沉降量变化规律,绘制沿走向沉降剖面图如图2,沿倾向沉降剖面图如图3。
图2 沿走向方向
图3 沿倾向方向
从图3 可以看出,地面沉降量的整体变化呈U型对称分布,在开采中心矿区的沉降量达到最大值,从中心向两侧沉降量开始依次减小。
采用D-InSAR 技术进行监测,能直观准确地反映出监测区域的总体形变特征,但监测精度严重制约着该技术的应用范围。通过收集矿区内采用GPS技术监测点的资料,与采用D-InSAR 技术监测结果进行对比,结果见表1。使用D-InSAR 技术得到的监测数据是各个高相干监测点的形变信息。因此,基础监测数据选取GPS 技术监测点周围的25 组数据,对数据进行加权求平均值,然后将最终数据作为D-InSAR 技术的监测结果值,进行监测精度分析。
从表1 可以看出,与GPS 技术相比,采用D-InSAR 技术得到的监测精度误差在3.3 mm 以内,能准确反应矿区沉降分布,满足矿区沉降形变监测精度控制要求。可见,D-InSAR 技术的监测结果可靠。
表1 D-InSAR 技术与GPS 技术监测结果对比表
为了研究漳村煤矿在开采过程中地面沉降情况,采用D-InSAR 技术获取矿区地面沉降监测数据,利用干涉图监测地面形变特征,结果如下:
(1)地面沉降量的变化整体呈U 型分布,在开采中心沉降量达到最大值,沉降量从中心向两侧依次减小,大体上呈对称分布。
(2)结合GPS 监测点的资料,对地面沉降结果进行监测精度分析。结果表明:与采用GPS 技术相比,采用D-InSAR 技术得到的监测精度误差在3.3 mm 以内,能准确反映矿区沉降分布,满足矿区沉降形变监测精度控制要求,为矿区合理开采提供了保障。