InSAR 监测技术在鹰手营子矿区稳定性分析中的应用

张成兵 张 鹏 赵激光

(1.河北省地矿局第四水文工程地质大队，河北沧州 061000;2.石家庄经济学院，河北石家庄 050031)

0 引言

河北省承德市鹰手营子矿区是一个在20世纪50年代末兴起的工矿区，自1957年开始大规模开采地下煤炭资源，并下辖四个煤矿，即营子矿一采区、营子矿二采区、马圈子矿和汪庄矿。在为国民经济发展作出巨大贡献的同时，也造成了矿区地表大面积沉降与塌陷，其直接后果是地面建筑物、道路、河流、土地、水源等遭受到不同程度的损坏，特别是民宅、学校、医院和水源受损严重，对人民群众的生产、生活构成威胁，严重地影响了当地社会经济的发展，承德市鹰手营子矿区矿山地质环境恢复治理已迫在眉睫［1］。

为了矿区的可持续发展，政府每年都对地面沉降进行监测，以便及时采取必要的防治措施。在众多的监测项目中，InSAR技术越来越被受到重视，该技术可以大面积的采样、测量时间短，同时成本也很低［2］。在垂直变形监测中InSAR技术的优点是显而易见的［3］，而且有监测成功的例子［4］。本文围绕鹰手营子矿区采矿塌陷状况，利用差分InSAR技术监测矿区煤矿开采沉陷的基本状况，选择RADARSAT-2和8 m分辨率雷达数据开展地表形变信息提取，研究矿区近期地面塌陷区的分布范围和变化特点，为地质环境评价提供基础资料。

1 数据获取

表1 RADARSAT-2卫星数据的基本特性

1.1 InSAR工作方法的选用

矿区地处冀北山地，属燕山山脉沉降带的过渡地带，地势西北高，东南低。境内山峦起伏，地形地貌复杂，山地多，平地少。最低海拔为460 m，最高为930 m，地势相差470 m。按照河北省地貌划分体系，矿区地跨侵蚀构造山地区中的剥蚀构造低山亚区和断陷盆地及河谷平原亚区。按地层岩性及地貌成因，又细分为以碳酸盐岩为主的低山小区、以火成岩为主的低山小区、以碎屑岩为主的低山小区、河谷平地小区［1］。

根据该矿区的位置和周边地形条件，选择利用较大入射角的高分辨率雷达数据进行差分干涉处理，提取一定时间间隔的地面变形信息。利用常规D-InSAR(差分干涉测量)将一定时间间隔内的两景雷达数据进行干涉处理，得到该段时间内沉降状况。对于沉陷快速的地区，效果很明显，干涉条纹的密度反映了沉降量的大小。而且所需要的数据量少，适合研究沉降大小。

1.2 InSAR工作原理与数据

“二轨”差分InSAR方法是利用试验区地表变化前后的两幅SAR图像生成干涉条纹图，再利用事先获取的DEM数据模拟地形相位的条纹图，从干涉条纹图中去除地形信息，从而得到求解的地表形变信息。

地表形变公式表示为式(1):

式中:φdisp——试验区地表变化前后的两幅SAR图像生成的干涉相位;

φsim——DEM数据的模拟地形相位;

ΔR——所要求解的地表形变信息。

本工作拟采用的雷达数据为RADARSAT-2卫星获取的精细模式下8 m分辨率雷达数据，其覆盖能力为50 km×50 km，满足矿区地表形变调查与监测应用。卫星数据的基本特性如表1所示。

RADARSAT-2可以提供11种波束模式，4种极化模式的雷达数据，它们的入射角在20°～60°之间变动，标称分辨率有1 m，3 m，8 m，25 m，30 m，50 m，100 m，每景影像的分辨率不同，入射角度可调，地面覆盖范围不尽相同(见表1)。基于RADARSAT-2这些基本特性，使得应用RADARSAT-2卫星数据制作大中比例尺的地形图、进行地物目标识别及分类、地质灾害监测预警等方面更加灵活、便捷。

2 监测结果

根据数据查询结果，符合该矿区的精细模式8 m雷达数据如图1所示，矿区位于整幅雷达数据的中间位置，满足监测需要。总的时间范围为1个月，矿区内共完成解译面积148 km2。监测结果表明，矿区内汪家庄镇以南、以西区域即矸石山堆积区，地面沉降速率较快，累计沉降量在10 mm～20 mm间;汪家庄镇东北即拟建主厂区一带，地面沉降速率相对较小，累计沉降量小于10 mm，这与矿区的开采现状相吻合。根据《采空区公路设计与施工技术细则》中采空区稳定性等级评价标准(见表2)，对矿区进行稳定性评价得到，汪家庄镇以南、以西区域为欠稳定区，汪家庄镇东北即拟建主厂区一带为基本稳定区。

表2 按地表沉降观测确定采空区场地稳定性等级评价标准

图1 地面沉降InSAR监测成果图

3 结语

通过InSAR技术的雷达数据监测资料，对矿区地表沉降进行了分析，结果表明，汪家庄镇以南、以西区域为欠稳定区，汪家庄镇东北即拟建主厂区一带为基本稳定区，与调查结果基本一致。

［1］ 河北省地矿局第四水文工程地质大队.河北省承德市鹰手营子矿区矿山地质环境治理工程勘查报告［R］.沧州:河北省地矿局第四水文工程地质大队，2011.

［2］ 何庆成，方志雷，李志明.InSAR技术及其在沧州地面沉降监测中的应用［J］.地学前缘，2006，13(1):179-184.

［3］ 路 旭，匡绍君，贾有良.用INSAR作地面沉降监测的试验研究［J］.大地测量与地球动力学，2002，22(4):66-70.

［4］ Zebker HA，Rosen P，Goldstein R M，et al.On the derivation of co-seismic displacement fields using differential radar interferometry the Landers earthquake［J］.JGR，1994，99A(1):1-26.

［5］ 中华人民共和国交通部.采空区公路设计与施工技术细则［S］.