基于SBAS-InSAR技術的礦區(qū)開采損害鑒定研究

張 建，嵇文磊，周錦華

(1.開灤(集團)內(nèi)蒙古投資公司 紅樹梁煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100；2.大地工程開發(fā)(集團)有限公司，北京 100102)

煤炭地下開采過程中會破壞上覆巖層應力平衡進而使巖層和地表產(chǎn)生移動變形，若地面建構筑物位于移動變形區(qū)內(nèi)，建構筑物與地基之間的平衡狀態(tài)可能遭到破壞從而導致建構筑物損害，威脅生命財產(chǎn)安全[1，2]。合理鑒定采動區(qū)建構筑物的開采損害對礦區(qū)安全有重要的實踐意義。

開采損害鑒定主要包括煤礦開采邊界和影響程度的確定，傳統(tǒng)的損害鑒定方法一般分為兩類[3]：一類是在有真實開采資料情況下，通過地表移動變形預計手段確定損害邊界以及程度，并按規(guī)程進行修復賠償。此外，也可通過布設一定數(shù)量觀測站，根據(jù)由觀測站計算得到的移動角值參數(shù)(如邊界角、移動角、裂縫角)確定損害邊界并留設保護煤柱。第二類是在沒有真實開采資料情況下，根據(jù)地表裂縫特征、建構筑物裂縫特征等確定建構筑物是否受開采影響。然而，上述開采損害鑒定方法一方面受限于觀測站布設和觀測情況(人工依賴程度高，實時性、可追溯性不強)，另一方面依賴經(jīng)驗模型的準確性以及人工經(jīng)驗。近年來，InSAR因其獨有的全天候、大范圍、高時空分辨率監(jiān)測優(yōu)勢在地表形變監(jiān)測中應用廣泛[4-7]。同時，隨著SAR數(shù)據(jù)獲取能力和處理技術不斷提升，學者們通過在長時間序列下地表散射特性穩(wěn)定的目標點上建立模型，借助相關算法求解形變速率，從而實現(xiàn)時間序列地表形變監(jiān)測，即時序InSAR[8-11]。因此，借助時序InSAR的可追溯性以及高效可靠的監(jiān)測優(yōu)勢能夠有效確定開采沉陷邊界，從而實現(xiàn)礦區(qū)開采損害的合理鑒定[12]。

基于此，本研究將在開采損害鑒定工程實踐中引入時序InSAR技術，借助其長時間、可追溯優(yōu)勢實現(xiàn)沉陷區(qū)歷史形變恢復以及影響邊界確定。同時，通過傳統(tǒng)的預計手段與時序InSAR監(jiān)測結果形成互補，并相互驗證。最后，通過實地調(diào)查確定了該方法的可靠性。

1 研究方法

1.1 SBAS-InSAR技術形變監(jiān)測

短基線集干涉測量技術(SBAS-InSAR)是一種經(jīng)典的時序InSAR處理方法，該技術最初由Berardino等[13]提出，通過對覆蓋研究區(qū)域一定數(shù)量的SAR影像進行自由組合，同時設定時空閾值以克服時空失相干，達到獲取較高質(zhì)量差分干涉圖的目的。隨后，借助最小二乘準則以及奇異值分解(SVD)算法聯(lián)合求解小基線集，最終獲取研究區(qū)域在時序上的形變特征。大量研究表明，SBAS-InSAR技術能夠有效地抑制時空失相干以及大氣效應，監(jiān)測精度較高，在礦區(qū)地表形變監(jiān)測中得到了廣泛應用[14-17]。

1.2 邊界角提取

目前，開采損害鑒定主要通過邊界角來圈定。邊界角是指在充采或接近充采條件下，地表移動盆地主斷面上盆地邊界點至采空區(qū)邊界連線與水平線在煤柱一側的夾角[18]。以邊界角來進行開采損害鑒定，能夠最大程度地保障建構筑物業(yè)主的權益。

實驗中為準確提取邊界角，結合SBAS-InSAR監(jiān)測與現(xiàn)行規(guī)范[19]中所指定的預計方法以實現(xiàn)增強互補。首先，考慮到InSAR所監(jiān)測的地表形變實質(zhì)上是地表真實變形沿雷達視線向(Line of Sight，LOS)上的一維投影。為方便計算，本研究忽略地表水平移動分量對雷達視線向形變的貢獻，依據(jù)入射角信息將LOS向形變直接轉(zhuǎn)化為垂直向沉降。具體見式(1)。

W=dLOS/cosθ

(1)

式中，W為垂直向沉降；dLOS為LOS向形變觀測值；cosθ為入射角的余弦值。

在獲取垂直向沉降后即可確定盆地邊界點，為顧及InSAR監(jiān)測精度，將對形變區(qū)進行掩膜，并統(tǒng)計非形變區(qū)標準差(STD)，隨后設置一定的置信區(qū)間確定盆地邊界下沉值。

然而，顧及到InSAR監(jiān)測結果不可避免地受失相干作用而存在一定的監(jiān)測“空洞”，故將借助概率積分模型預計地表形變、確定角值參數(shù)，從而與InSAR監(jiān)測形成互補。概率積分模型最早由波蘭學者李斯特威尼申引入開采沉陷預計中，隨后由中國學者劉寶琛、廖國華發(fā)展并最終創(chuàng)立。該方法認為巖層是非連續(xù)介質(zhì)，將開采引起的巖層和地表移動視為隨機過程，通過單元開采移動變形—主斷面半無限開采移動變形—主斷面有限開采移動變形及至全盆地移動變形的推導，建立了適用于任意形狀工作面的開采沉陷預計模型。

1.3 采動損害判定

上述邊界角提取過程充分結合了InSAR監(jiān)測和預計模型的優(yōu)勢。然而，若需準確率定建構筑物是否受到損害以及損害程度，實地調(diào)研是一種可靠的驗證方式。因此，本實驗將在前序監(jiān)測計算與理論分析的基礎上開展現(xiàn)場調(diào)研工作，實現(xiàn)采動損害的有效判定。

2 工程實例

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 研究區(qū)地形地貌

研究區(qū)域為山西東坡煤礦，鑒定村莊位于井田東北部，村莊有近500戶居民。村莊所處地形地貌類型為丘陵，地表大部分被黃土覆蓋，地勢總體北高南低。由于黃土臺地受強烈的侵蝕、切割作用，加之又無有效的植被保護，因此多形成梁、塬、峁及黃土沖溝等黃土高原地貌景觀。村莊西部發(fā)育一條近南北向黃土沖溝，溝底至兩側陡崖有基巖出露，村莊位于沖溝東側，村莊北部為相對平緩的黃土塬。研究區(qū)域地貌如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域地貌Fig.1 Topography of the study area

2.1.2 研究區(qū)地層情況

研究區(qū)地層自下而上分別為：奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組；石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組；二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組；第三系上新統(tǒng)靜樂組和第四系。石炭系上統(tǒng)太原組為井田主要含煤地層，鑒定村莊區(qū)域松散層厚度約15 m左右，如圖2所示。

圖2 鑒定村莊地質(zhì)剖面Fig.2 Geological profile of the village

通過前期資料收集，該礦主采4和9兩個煤層。4煤采用綜采全部陷落法管理頂板，采厚2.9～3.9 m，開采深度在202～272 m之間，煤層傾角3°左右；9煤采用綜采放頂煤，全部陷落法管理頂板，采厚12～13 m，開采深度在264～312 m之間，煤層傾角3°左右；煤礦對鑒定村莊分別留設了4煤層和9煤層保護煤柱，且礦井開采活動未進入鑒定村莊保護煤柱。在鑒定村莊煤柱西側和南側主要開采了4煤和9煤十個工作面，開采時間為2008年3月—2014年11月。煤層開采與鑒定村莊相對位置如圖3所示。

圖3 煤層開采與鑒定村莊相對位置Fig.3 Relative location of coal seam mining and the village

2.2 SAR影像數(shù)據(jù)準備

為充分發(fā)揮InSAR技術的可追溯性優(yōu)勢，收集了覆蓋研究區(qū)域且時間跨度十三年的SAR歷史影像，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)。值得說明的是，雖然上述三種數(shù)據(jù)并未覆蓋整個時間周期，但分析開采工作面時間耦合性發(fā)現(xiàn)，開采間斷期發(fā)生的地表形變遠離村莊，對數(shù)據(jù)使用無大的影響。經(jīng)過一系列預處理之后即可得到各傳感器的單視復數(shù)影像(SLC)，此后通過設置一定的時空閾值進行小基線集自由組合，最終形成干涉。時空基線如圖4所示。

圖4 干涉對時空基線Fig.4 Baseline graph of interference against space-time

3 監(jiān)測結果分析

3.1 研究區(qū)InSAR監(jiān)測結果

在生成的干涉圖基礎上，經(jīng)過濾波、相位解纏、去軌道趨勢以及時空濾波并借助奇異值分解獲取研究區(qū)時序形變。各傳感器監(jiān)測結果如圖5—圖7所示。

圖5(a)為研究區(qū)在2007年1月至2011年3月期間地表累積形變，監(jiān)測時段內(nèi)，礦區(qū)主要開采4煤的1、2號工作面和9煤的7號工作面，結合工作面開采信息發(fā)現(xiàn)地表形變與其具有較高的一致性。經(jīng)計算，該處最大形變?yōu)?.22 m。此外，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)東坡煤礦附近采空區(qū)存在較明顯的地表形變，視線向最大形變達到0.14 m，但鑒定村莊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)變形信息。

圖5(b)為研究區(qū)在2011年12月至2013年6月期間地表累積形變，監(jiān)測時段內(nèi)，礦井主要開采4煤的3、4號工作面以及9煤的7、8、9號工作面。區(qū)域形變主要集中在工作面邊緣，且形變量級最大為0.13 m。然而，由于數(shù)據(jù)時間分辨率限制，監(jiān)測結果受失相干因素影響較大，監(jiān)測“空洞”明顯。此外，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)東坡煤礦附近采空區(qū)地表形變明顯趨緩，視線向最大形變僅為0.05 m，一定程度上說明了該處巖層移動區(qū)域已趨于穩(wěn)定。該期間鑒定村莊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)變形信息。

圖5(c)為研究區(qū)在2016年10月至2019年4月期間地表累積形變，監(jiān)測時段內(nèi)，礦井主要開采4煤5號工作面、9煤的6、9、10號工作面。區(qū)域形變與地下工作面開采具有明顯一致性，形變量級最大為0.12 m。該期間鑒定村莊區(qū)域未發(fā)現(xiàn)變形信息。

3.2 基于InSAR技術的村莊沉降邊界界定

在前序InSAR監(jiān)測結果基礎上，為盡可能減少InSAR觀測誤差對沉降邊界劃定的影響，采用濾波窗口為3×3大小的中值濾波對三個監(jiān)測時段的形變結果進行后處理。隨后，根據(jù)文中所述邊界提取方法分別確定三個監(jiān)測時段內(nèi)形變邊界。監(jiān)測時段內(nèi)村莊地區(qū)累積沉降以及劃定的沉降邊界如圖6所示。

圖6 鑒定村莊累計沉降和沉陷邊界Fig.6 Cumulative settlement and subsidence boundary maps of the village

由圖6(a)可知，2007年1月至2011年3月期間鑒定村莊均在粉色線條右側，即地表沉降并未延伸至鑒定村莊范圍，因此認為該時段內(nèi)開采活動并不會導致村莊內(nèi)建構筑物產(chǎn)生損害。同樣地，圖6(b)(c)所代表的監(jiān)測時段內(nèi)，地表沉降邊界并未延伸至鑒定村莊范圍。綜上所述，本次利用覆蓋鑒定村莊及周邊地區(qū)ALOS PALSAR、RADARSAT-2、Sentinel-1共計96 景SAR數(shù)據(jù)監(jiān)測了該地區(qū)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 三個時間段的時序沉降。結果表明上述三個時間段內(nèi)，沉降邊界均未延伸到鑒定村莊，即研究煤礦開采在上述時段的開采活動很難造成鑒定村莊的房屋損壞。

3.3 基于概率積分模型的村莊沉降邊界界定

前面基于InSAR技術劃定的沉降邊界一定程度上表明了鑒定村莊未受采動影響，然而受形變梯度、時空失相干等因素影響，InSAR所劃定的沉降邊界可能有所缺失。故將結合概率積分模型預計地表形變、劃定角值參數(shù)，從而確定完整的沉降邊界，如圖7所示。根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》相關規(guī)定，下沉值為10 mm的點作為采煤沉陷盆地邊界，并將地表下沉量大于10 mm的區(qū)域均認為受開采沉陷影響。由圖7可知，利用煤礦實測數(shù)據(jù)計算得到的下沉10 mm等值線未進入村莊(圖中粉紅色線條)。綜合InSAR監(jiān)測結果所界定的沉降邊界可確定煤礦在某村莊保護煤柱以外的開采不會造成該村房屋損害。

圖7 礦區(qū)開采下沉等值線Fig.7 Contour map of the mining subsidence

3.4 現(xiàn)場驗證

為準確判定鑒定村莊是否受采動損害，采取現(xiàn)場驗證的方法對鑒定村莊西側和南側近某煤礦開采區(qū)域的房屋進行現(xiàn)狀調(diào)查(房屋位置如圖7綠色多邊形所示)，共調(diào)查28戶，房屋多為磚窯結構，通過實地調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)房屋因開采造成的損害跡象。

4 結 論

1)以覆蓋研究區(qū)域的22景ALOS-PALSAR 1影像、7景RadarSAT-2影像以及67景Sentinel-1影像為數(shù)據(jù)源，利用小基線集InSAR技術處理獲取了2007年1月至2019年4月時間跨度長達13年的礦區(qū)地表時序形變結果。

2)結合InSAR監(jiān)測結果與概率積分模型計算結果確定了開采損害邊界，與某村莊實地位置比較發(fā)現(xiàn)村莊位于開采損害邊界以外。監(jiān)測結果和理論分析表明，開采活動并未對村莊建構筑物造成影響。

3)實地調(diào)查確定了所調(diào)查的28處房屋均未發(fā)現(xiàn)建構筑物因開采所造成的損害跡象，一定程度上驗證了文中監(jiān)測結果與理論分析的可靠性。