基于D-InSAR技术的杨伙盘矿区地表形变监测与分析

马立龙 蔡瑞庆 张帆 李倩文

摘 要：【目的】煤炭资源的开采引发一系列的生态环境问题，地面塌陷问题尤为严重，而地表形变监测是修复生态环境问题的首要工作。【方法】InSAR技术作为一种面监测技术，已成功应用到煤矿地面塌陷监测中，本研究利用雷达差分干涉测量（D-InSAR）技术，计算2020年8月至2022年10月间共31景Sentinel-1A数据。【结果】在监测期内，开采工作面的地表共形成3个形变中心，分别位于301和303盘区的工作面，地表在煤矿开采后进入快速形变期，之后开始缓慢形变，直至趋于稳定状态。【结论】D-InSAR技术对于此类地面塌陷问题，相较于点监测技术，具有先天的优势，能够快速、准确地获取整个工作面的形变情况，对煤矿生态环境问题的改善起到了指导作用。

关键词：杨伙盘煤矿；D-InSAR；Sentinel-1A；地表形变监测；工作面

中图分类号：TD327；P237；P642.26  文献标志码：A  文章编号：1003-5168（2024）03-0037-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.008

Monitoring and Analysis of Surface Deformation in Yanghuopan

Mining Area Based on D-InSAR Technology

MA Lilong1 CAI Ruiqing1 ZHANG Fan2 LI Qianwen2

（1.Xinjiang Bureau of Geo-exploration & Mineral Development the Third Geological Group，Korla 841000，China;2. Xi'an Meihang Remote Sensing Information Co.， Ltd.， Xi'an 710100，China）

Abstract： [Purposes] The mining of coal resources has caused a series of ecological and environmental problems， and among them， the problem of ground collapse is particularly serious， and the monitoring of surface deformation is the primary work to repair ecological environment. [Methods] InSAR technology has been successfully applied to the monitoring of coal mine surface collapse as a surface monitoring technology， and 31 Sentinel-1A data fromAugust 2020 to October 2022 were calculated by using radar differential interferometry （D-InSAR） technology to monitor surface deformation in Yanghuopan Coal mine in this paper. [Findings] During the monitoring period， according to the monthly shape variables obtained by D-InSAR technology， three deformation centers were formed， which were located in the working face of the 301 and 303 panels respectively， and the surface of the coal mine entered the rapid deformation period after mining， and then began to deform slowly until it reached a stable state. [Conclusions] D-InSAR technology has a congenital advantage over point monitoring technology for this kind of ground collapse problem， which can quickly and conveniently obtain the deformation of the whole working face， and plays a reference role in improving the ecological environment monitoring..

Keywords： Yanghuopan Coal Mine; D-InSAR; Sentinel-1A; surface deformation monitoring; working face

0 引言

我國的煤炭等矿产资源较为丰富，但开采的同时，也会引起较多的生态环境问题。例如地面塌陷及其引发的一系列次生灾害，导致农田被破坏［1］，发生崩塌或滑坡等［2］，给人民的生产生活带来了严重的经济损失，甚至会危及人民生命财产安全［3-4］。因此，在地下煤炭开采过程中对矿区进行地表形变监测、分析及预测显得尤为重要［5-6］。

目前，在矿区地表形变监测方面，主要还是依赖于传统的水准及GPS测量，即在生产工作面上每隔一段距离布设一个水准点或GPS点进行测量。此方法一方面人工消耗成本高，周期长；另一方面两者都是基于点观测，对于矿区大范围、大区域的监测需要大量加密点通过拟合获取最终结果，无法保证精度［7-9］。合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术作为一种高效观测技术，不受天气、云雾的影响，具有大范围面监测的优势，很大程度上降低了人力、物力、财力的消耗［10-12］。

本研究基于D-InSAR技术，利用中分辨率Sentinel-1A数据对杨伙盘煤矿矿区地表形变进行监测分析，结合矿区的工作面分布等资料，提取矿区工作面开采沉陷形变场，分析沉陷变化规律。

1 研究区概况

杨伙盘煤矿位于陕西省神木市城北约30 km的府店一级公路北侧，行政区划属神木市店塔镇。工作区交通便利，西（安）—包（头）铁路、210国道西（安）—包（头）公路从杨伙盘煤矿西侧通过，神（木北）—朔（州）铁路及府店一级公路均从煤矿南缘黄羊城沟内通过，紧邻煤矿工业场地。

根据现有巷道布置情况，结合各煤层开采范围及煤层赋存特点，一水平3-1煤划分为4个盘区，分别为301、302、303、304盘区。3-1号煤层开采工作面分布情况如图1所示，301盘区工作面为30101～30120，302盘区工作面为30201～30208，303盘区工作面为30301～30304，304盘区工作面为30401～30405。2020年对30113、30115、30117、30112和30114工作面进行回采；2021年对30117、30114、30116、30301和30302工作面进行回采；2022年对30302、30303、30116、30118和30119工作面进行回采。

2 研究数据及方法

2.1 SAR数据

本研究使用的SAR数据为欧洲太空局Sentinel-1A卫星在TOPS成像模式下的宽幅干涉SLC数据，为目前最常用的中分辨率SAR数据，数据详细参数见表1。本次共收集的2020年8月至2022年11月间的31景升轨数据见表2，轨道号为113/126。

DEM数据为ALOS Global Digital Surface Model“ALOS World 3D-30 m”（AW3D30），水平分辨率为30 m（1弧秒），高程精度5 m。其是目前世界上最精确的3D地图，覆盖全球所有的土地尺度。精密轨道数据采用成像21 d之后发布的POD精密轨道数据。

2.2 D-InSAR技术方法

D-InSAR技术是以合成孔径雷达两次及以上数据提取的相位信息为信息源，获取地表三维信息和变化信息的一项技术。双轨D-InSAR是对同一研究区在形变发生前后获取的两幅SAR影像，进行干涉得到干涉图，干涉图中的相位值即为两次成像的相位差测量值。然后基于外部的DEM模拟地形相位，与干涉图进行差分处理，得到差分干涉图，最终提取目标点处地表沿视线向形变量，流程如图2所示。

D-InSAR技术主要是利用相位差信息来获取地形及形变信息［13］，相位差信息计算见式（1）。

[δ?=?1??2=4πλ（ρ1?ρ2）] （1）

式中：[δ?]表示相位差；[?]表示相位；[λ]表示波长；[ρ]表示斜距。

将卫星分别在两个轨道处获取的SAR图像做相干运算，获取形变前的地形差分相位信息，同理可以获取形变发生后的地形差分相位信息。将形变前后的地形差分相位信息作差分，就可以获取地表形变的干涉纹图。

3 结果与分析

通过D-InSAR技术获取工作面的30幅月度形变量图。由于工作面采煤的时间和强度情况不同，每个时间段的形变分布范围和量级均有差异，总体来说，形变主要分布在①、②、③三个区域，分别位于301和303盘区。例如，20210226—20210403时间段的形变量分布如图3所示。由图3可知，①、②区域均有形变，而③区域的工作面尚未进行开采，因此无形变分布。在①、②、③三个区域的工作面分别做一条剖线，形变分析如下。

①区域的月度形变分布如图4所示，工作面开采及形变时间间隔基本在2020年8月至2022年10月之间。涉及的工作面为30112、30114、30116、30118。本研究对30114工作面的开采情况进行说明。在2020年10月左右［图4（4）］，30114工作面开始开采，到2021年9月末［图4（14）］，开采导致的形变基本结束。在30114工作面上畫一条剖线，分析其在开采阶段的形变情况，如图5所示。在开采过后，地表沿着工作面随着时间推移逐段出现突变，最大形变量约为-40 mm，处于20210521—20210801时间段，主要是由于时间间隔较长。其余时间段的形变量级基本都在-30 mm范围内。

②区域的月度形变分布情况如图6所示，工作面开采及形变时间间隔为2020年8月至2021年5月，之后该区域的工作面地表无形变。开采的工作面主要有30115和30117工作面，而形变覆盖的工作面为30113、30115、30117和30119。本次对30117工作面的开采情况进行说明。大概在2020年11月左右［图6（5）］，30117工作面开始开采，到2021年5月末［图6（10）］，形变基本结束。在30117

工作面上画一条剖线分析其在开采阶段的形变情况，如图7所示。在开采过后，地表沿着工作面逐段出现突变，最大形变量约为-35 mm。

③区域的月度形变分布情况如图8所示，工作面开采及形变时间间隔为2021年5月至2022年10月。开采和形变涉及的工作面主要有30301、30302和30303工作面。本研究对30302工作面的开采情况进行说明。2021年10月［图8（6）］，30302工作面开始开采，到2022年5月［图8（13）］，形变结束。在30302工作面上画一条剖线，分析其在开采阶段的形变情况，如图9所示。在开采过后，地表沿着工作面逐段出现突变，最大形变量约为-45 mm。

4 结论

本研究利用传统的D-InSAR技术对杨伙盘煤矿地表进行了月度形变量监测，并结合工作面的开采情况进行了具体分析，得出以下结论。

①获取到2020年8月至2022年11月之间的31幅形变量分布图，形变随着开采工作面的采煤推进进行展布，可探测的最大形变量约为-63 mm。

②在监测期内，煤矿开采的工作面为30112、30114、30116、30118、30115、30117、30301、30302、30303。而形变覆盖的工作面比开采工作面范围广，30113和30119工作面也有形变分布。

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