第 30 卷第 3 期 采矿与安全工程学报 Vol.30 o.3 2013 年 05 月 Journal of Mining & Safety Engineering May 2013 文章编号 :1673-3363-(2013)03-0390-06 1 时序 DInSAR 在重复采动地表沉陷监测中的应用 刘振国 1, 卞正富 1, 吕福祥 2, 董保权 (1. 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏省资源环境信息工程重点实验室, 江苏徐州 221116; 2. 山西焦煤西山煤电集团公司, 山西太原 030053) 2 摘要基于 TerraSAR-X 高分辨率 SAR 数据, 利用时序 DInSAR 技术监测矿区开采沉陷, 探讨其在开采沉陷监测中的定量化应用 结合矿区工作面回采进度资料, 对时序 DInSAR 结果进行分析, 提取不同开采阶段的超前影响角 边界角 起动距等参数, 以认识和描述上覆岩层存在重复采动时的地表沉陷规律 利用在工作面上方角反射器位置上同步获取的 GPS 观测结果对 DInSAR 技术进行验证, 结果表明 X 波段 SAR 数据可以准确监测微小形变, 从而保证了开采沉陷影响范围监测及角量参数提取的可靠性 关键词时序 DInSAR; 重复采动 ; 超前影响角 ; 边界角 ; 起动距 ;TerraSAR-X 中图分类号 TD 353 文献标志码 A Subsidence monitoring caused by repeated excavation with time-series DInSAR LIU Zhen-guo 1,BIA Zheng-fu 1,LV Fu-xiang 2,DOG Bao-quan 2 (1.School of Environment Science and Spatial Informatics,Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering,China University of Mining & Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China; 2.Xishan Coal Electricity Group Co Ltd,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan,Shanxi 030053,China) Abstract The high resolution TerraSAR-X SAR data was used to monitor ground subsidence caused by underground coal mining activities with time-series DInSAR method. Analysis was made based on the detailed stoping records of the related working face. With the identified bounds of subsidence, some angular parameters, such as advanced influence angle, angle of subsidence and moving distance were derived. These parameters could be used to depict the evolution of ground subsidence caused by repeated coal excavation, which is quite different compared with subsidence caused by the first mining. In the end, terrestrial GPS surveying results, which were carried out at the same date when SAR image was acquired, were used to evaluate the DInSAR technology. The results confirm the reliability and validity of X-band SAR data in terms of subsidence boundary extraction and related angular parameters derivation, thus promoting the quantitative application of DInSAR technology. Key words time-series DInSAR; repeated excavation; advanced influence angle; angle of subsidence; moving distance; TerraSAR-X 收稿日期 :2012-02-08 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (51174191), 国家 十二五 科技支撑计划项目 (2012BAC10B03) 作者简介 : 刘振国 (1983-), 男, 江苏省徐州市人, 博士, 从事 InSAR 技术在矿山开采沉陷监测方面的研究 通信作者 : 卞正富 E-mail:zfbian@cumt.edu.cn Tel:0516-83590159
第 3 期刘振国等 : 时序 DInSAR 在重复采动地表沉陷监测中的应用 391 作为近年来新兴的空间对地观测技术, DInSAR 技术在矿山开采沉陷监测方面得到广泛应用 Carnec 等首次提出利用 DInSAR 技术监测地矿开采对地表产生沉降影响的理论方法 [1] ;Wright 等利用 ERS-1 存档数据, 将 DInSAR 技术用于监测 1992-1993 年间 Selby 煤田范围的地表沉降, 得出的差分干涉条纹与工作面位置 开采进度吻合较好, 并首次提出用 DInSAR 技术获取的地表形变资料改进开采沉陷模型的构想 [2] 其后,Perski 等利用 DInSAR 技术处理多期 ERS-1/2 数据, 对波兰 Upper Silesian 煤田地表沉降进行反演, 并将 DInSAR 观测结果同地面实测资料对比, 定性定量地分析干涉条纹的产生和空间分布形态, 指出干涉条纹的形态与地质采矿条件 ( 诸如回采工作线位置, 工作面推进速度, 上覆岩层性质以及老采空区的存在与否 ) 相关性较高 [3] Carnec 和 Delacourt 利用 1992-1995 年间的 ERS-1/2 存档数据, 分析法国 Gardanne 地区煤炭开采引起的地表沉降, 并尝试根据其中一幅相隔 15 d 的差分干涉图, 估算地表移动盆地走向边界角 [4] 随后,Linlin Ge 等 [5-7] [8] Wegmüller 等利用 EnviSAT(C 波段 ) JERS-1 和 PALSAR 数据 (L 波段 ), 并集成 GPS 观测资料, 在 GIS 软件辅助下, 对 DInSAR 观测结果验证, 结果显示与地面实测资料吻合 ; 我国学者吴立新等 [9] 董玉森等 [10] Yang [11] Cheng-sheng 等均将 DInSAR 技术成功应用于唐山 神木等矿区的地表沉降监测, 多次实例证明 InSAR 技术用于开采沉陷监测的可行性与可靠性 地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和空间过程 随着工作面的推进, 不同时间的回采工作面与地表上某一点的相对位置不同, 开采活动对其影响也不同 地表点的移动都会经历一个由缓 慢移动到剧烈移动, 然后慢慢衰退直到最终停止移动的全过程 [12] 1 研究区概况屯兰矿位于太原古交市西南, 距古交市城区约 6 km 井田范围内可采煤层共 9 层, 自上而下为 02, 03,2,4,6,7,8a,8,9 号煤, 现主采 2 号和 8 号煤层 2 号煤层厚 1.47~5.22 m, 平均 3.28 m;8 号煤层厚 1.25~5.81 m, 平均 3.41 m 为屯兰矿 8 号煤工作面, 盖山厚度 354~555 m 工作面走向长 1 739~1 776 m, 平均 1 757 m; 倾向宽 201 m; 煤层总厚 2.3~3.65 m, 厚度变化较大, 平均厚 3 m; 煤层倾角 3 ~7, 平均 5 如图 1 所示, 工作面上方为 2 号煤层采空区, 从南到北依次为 12212,, 和 采空区 ;8 号煤中, 与其相邻的是 18205 和 18203 采空区 在 回采后半段,8a 号煤层 工作面也开始回采 工作面回采过程中, 其上方及周围地表将受到重复采动影响 及周围工作面详细资料和回采情况参见表 1 图 1 工作面位置及周边回采工作面分布图 Fig.1 Location of and the surrounding mined-out area 表 1 工作面及其周围工作面回采资料 Table 1 Basic characteristic of and the surrounding working faces 工作面名称 煤层号 回采年月 走向长 /m 倾向宽 /m 采厚 /m 煤层倾角 /( ) 开采深度 /m 开采方式 8 号 2011.5-2012.10 1757 201 3.00 5 354-555 综采 8a 2012.6-817 198 1.46 4 313-493 综采 12212 2 号 2008.1-2008.7 1320.5 889 3.20 5 342-488 综采 12210 2 号 2006 1234 171 3.40 3 323-427 综采 2 号 2003-2004 1735 183 3.20 3 283-398 综采 2 号 2001-2002 1842 164 3.10 3 231-368 综采 2 号 1999-2000 1396 198 3.10 4 200-333 综采 18205 8 号 2009.12-2010.12 1592 205 3.25 5 301-468 综采 18203 8 号 2008.7-2009.10 1528 204 3.54 4 300-443 综采 18201 8 号 2007.6-2008.5 1475 294 3.68 5 298-482 综采
392 采矿与安全工程学报 第 30 卷 2 数据处理本次编程共获取 21 景 TerraSAR-X 影像, 时间跨度为 2012 年 4 月 5 日至 2012 年 11 月 22 日 ( 北京时间 ) 时序 DInSAR 数据处理思路如 : 1) 选择 2012-05-18 为主影像, 将其余 20 景数据配准到该参考几何下 ; 2) 选择时间和空间基线均较小的影像组成干涉像对 ( 如表 2 所示 ); 利用 2 轨 DInSAR 处理方法, 结合外部高分辨率 DEM, 对表 2 中的干涉像对进行处理, 生成 22 幅差分干涉图 ; 3) 对所有差分干涉图进行时序分析, 生成地表长时间序列累积沉降图 ; 4) 地理编码, 在 GIS 软件中将时序沉降图转换到当地坐标系下和矿区工作面资料作叠加分析 3 时序 DInSAR 监测结果分析 3.1 地表沉陷范围的分布根据时序 DInSAR 处理结果, 提取 工作面从 2012 年 4 月 4 日开始到 2012 年 7 月 13 日的沉降时序图, 如图 2 所示 表 2 TerraSAR-X 干涉像对组合与基线参数 Table 2 Interferogram pairs and the corresponding baseline 干涉像对 主影像 辅影像 时间基线 /d 空间基线 /m 1 2012-04-04 2012-04-15 11 18 2 2012-04-15 2012-04-26 11 141 3 2012-04-15 2012-05-07 22-101 4 2012-04-15 2012-05-18 33 10 5 2012-05-07 2012-05-18 11 113 6 2012-05-18 2012-05-29 11 22 7 2012-05-29 2012-06-09 11 12 8 2012-06-09 2012-06-20 11-182 9 2012-06-20 2012-07-01 11 78 10 2012-07-01 2012-07-12 11 68 11 2012-07-12 2012-07-23 11-155 12 2012-07-12 2012-08-14 33 12 13 2012-08-03 2012-08-14 11 152 14 2012-08-03 2012-08-25 22 96 15 2012-08-14 2012-08-25 11-58 16 2012-08-25 2012-09-05 11 107 17 2012-08-25 2012-09-16 22-46 18 2012-09-16 2012-09-27 11 3 19 2012-09-27 2012-10-08 11 7 20 2012-10-08 2012-10-19 11 71 21 2012-10-19 2012-11-10 22 30 22 2012-11-10 2012-11-21 11-61 (a) 2012.04.05-2012.04.27 (b) 2012.04.05-2012.05.08 (c) 2012.04.05-2012.05.30 12210 12209 4 月 25 日回采线 5 月 5 日回采线 5 月 25 日回采线 12209 12210 (d) 2012.04.05-2012.06.21 (e) 2012.04.05-2012.07.02 (f) 2012.04.05-2012.07.13 6 月 25 日回采线 7 月 5 日回采线 7 月 25 日回采线 图 2 工作面上方地表沉降时序图与工作面资料的叠加分析 Fig.2 Subsidence map overlaid with mining working faces 从图 2 可以看出, 随着工作面回采, 开采沉陷影响范围分布已偏离工作面走向主断面和倾向主断面, 明显朝着工作面北方向采空区一侧发育, 如图 2 中黑色箭头所示 因此, 若要通过工作面上方布设地表移动观测站来监测重复采动影响下的地 表沉陷规律, 需要考虑工作面周边采空区的分布情况, 且需要对观测站点分布进行加密 仅仅将观测站点埋设在工作面走向及倾向主断面上, 获取的观测资料及监测结果无法充分反映重复采动引起的开采沉陷规律
第 3 期刘振国等 : 时序 DInSAR 在重复采动地表沉陷监测中的应用 393 3.2 重复采动过程中的超前影响在工作面推进过程中, 工作面前方的地表受采动影响而下沉的现象, 称为超前影响 将工作面前方地表开始移动 ( 下沉 10 mm) 的点与当时工作面的连线, 此连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角 (ω), 开始移动的点到工作面的水平距离称为超前影响距 (l) 已知超前影响距和平均开采深度 (H 0 ), 便可计算超前影响角 [12], 其计算公式为 : 1 0 =tan H l (1) 根据地表沉降时序图和工作面回采资料等信息, 提取 工作面回采过程中的超前影响距 ( 角 ), 以描述地表沉陷范围的动态变化 主要流程如下 : 1) 收集并整理工作面回采进度资料 ( 如表 3), 找到距离 SAR 数据获取日期 ( 以 2012-4-26 为例, 其获取时间 2012 年 4 月 26 日 22 时为 UTC 时间, 换算到北京时间则为 4 月 27 日 6 时 ) 最近的回采进度线 (2012-4-25), 此时工作面皮带巷 轨道巷分别进尺 927 m 和 929 m; 验收日期 (2012 年 ) 表 3 工作面回采进度资料 Table 3 Detailed stoping records of 皮带巷进尺 /m 轨道巷进尺 /m 皮带巷累计进尺 /m 轨道巷累计进尺 /m 1 月 25 日 27 25 659.0 662.0 2 月 5 日 31 31 690.0 693.0 2 月 15 日 33 37 723.0 730.0 2 月 25 日 36 32 759.0 762.0 3 月 5 日 27 29 786.0 791.0 3 月 15 日 26 26 812.0 817.0 3 月 25 日 25 25 837.0 842.0 4 月 5 日 30 28 867.0 870.0 4 月 15 日 29 29 896.0 899.0 4 月 25 日 31 30 927.0 929.0 5 月 5 日 21 19 948.0 948.0 5 月 15 日 32 34 980.0 982.0 2) 计算时间差 : 从 2012 年 4 月 26 日 ~27 日, 2 d; 3) 2012 年 4 月 25 日 ~5 月 5 日, 工作面皮带巷 轨道巷分别进尺 21 m 和 19 m, 其平均速度分别为 2.1 m/d,1.9 m/d; 4) 推算 SAR 数据获取当天, 工作面皮带巷累计进尺 L SAR 皮 =927+2.1*2=931.2 m; 轨道巷累计进尺 L SAR 轨 =929+1.9*2=932.8 m; 平均进尺为 :L SAR = 0.5*(931.2+932.8)=932 m, 即为工作面在 2012 年 5 月 19 日的回采位置 ; 5) 基于 GIS 软件平台, 将地表沉降时序图与工作面资料叠加, 量测下沉 10 mm 边界到工作面边界的水平距离, 得到相应的超前影响距 ; 6) 从工作面回采地质说明书中提取煤层底板等高线, 检查并编辑程属性, 在 GIS 软件中生成工作面底板 DEM; 根据矿区地形图计算下沉 10 mm 边界处平均地表高程, 并与工作面回采位置上的标高作差, 求得高差 ; 7) 根据超前影响距和步骤 6) 中的高差, 计算 工作面不同回采阶段的超前影响角, 如表 4 表 4 工作面不同回采阶段超前影响距 ( 角 ) 计算 Table 4 Advaced influence distance and angle from DInSAR within different stoping periods 日期 2012 年 开采深度 /m 10 mm 下沉边界与工作面回采位置高差 /m 超前影响距 /m 超前影响角 /( ) 4 月 27 日 453 426 248 59.79 5 月 8 日 453 424 413 45.75 5 月 30 日 435 425 413 45.82 6 月 21 日 435 425 412 45.89 7 月 2 日 440 475 492 43.99 7 月 13 日 442 475 488 44.23 8 月 4 日 449 415 471 41.38 9 月 6 日 453 382 440 43.26 9 月 28 日 440 383 399 43.83 平均 45.99 3.3 工作面起动距的确定 工作面于 2012 年 5 月开始回采, 根据地表沉降时序图, 可监测到该工作面上方地表开始移动的时间, 从而确定起动距 对比图 2d 和图 2e, 可以发现, 随着 工作面的回采, 地表于 2012 年 7 月 2 日首次出现下沉现象, 到 2012 年 7 月 13 日, 由于 与 工作面地理位置较近, 其开采沉陷影响范围发生交叉 ; 至 2012 年 7 月 2 日, 工作面回采位置距开切眼 35.85 m, 此距离可以认为是 工作面的起动距 d 0, 此处平均采深 H 0 =468 m d 0 /H 0 =0.08, 远小于初次采动时的起动距系数区间 (0.25~0.5) 3.4 地表沉陷边界和边界角的确定在充分采动或接近充分采动的条件下, 地表移动盆地主断面上盆地边界点 ( 下沉值达到 10 mm 的点 ) 至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为边界角 [12] 由于发生在 工作面皮带巷一侧与 轨道巷一侧的沉降存在相互影响, 图 3 中仅量测 工作面停采线 轨道巷一侧的采空区距下沉盆地边界的距离, 以及 工作面
394 采矿与安全工程学报 第 30 卷 皮带巷 开切眼一侧距下沉盆地边界的距离 地表沉陷边界及边界角的计算结果如表 5 所示 310 m 217 m 355 m 图 3 地表移动范围边界至采空区距离的量算 Fig.3 Offset from the subsidence bounds to the mined-out area v=δh/t=137/121=1.13 mm/d 因此, 可认为自 2012 年 7 月 2 日以后,-1 观测点及周边地表沉降活动已进入衰退阶段 为了对比和验证利用 TerrSAR-X 数据监测沉陷边界的精度, 本文提取 -1 观测点在 2012 年 7 月 2 日以后相邻 11 d 的沉降量 ( 表 6), 以及 工作面上方地表及周边一定范围内的下沉图 ( 图 5) 表 6 根据 DInSAR 处理结果提取的 -1 位置处下沉量及下沉速度 Table 6 Subsidence and velocity at -1 from DInSAR results 干涉像对组合下沉值 /mm 时间间隔 /d 下沉速度 /(mm d -1 ) 07.02-07.13-0.305 11-0.028 08.15-08.26. -17.1 11-1.554 表 5 地表沉陷边界及边界角的量算 Table 5 Angle of subsidence derived from DInSAR results 工作面名称 量算位置 距沉陷边界距离 /m 沉陷边界地表与工作面高差 /m 边界角 / ( ) 09.17-09.28-21.7 11-1.977 10.08-10.19-9.5 11-0.863 11.11-11.22-3.7 11-0.337 停采线 355 356 45.08 轨道巷 217 408 61.99 开切眼 310 428 54.08 皮带巷 168 432 68.75 皮带巷 轨道巷 4 DInSAR 技术监测微小形变精度的检验 在 SAR 数据获取期间, 根据卫星过境日期, 在工作面上方同步进行了 GPS 测量工作, 以检验时序 DInSAR 技术的监测结果 图 4 为 工作面上方布设的 -1 点处 GPS 测量形变图 (a) 2012.07.02-2012.07.13 (b) 2012.08.15-2012.08.26 下沉 /m (c) 2012.09.17-2012.09.28 (d) 2012.11.11-2012.11.22 图 4-1 观测点 GPS 测量下沉时序图 Fig.4 Dynamic change in elevation at point -1 from GPS surveying 在工作面回采进度资料基础上, 结合图 4 可知, 从 2012 年 7 月 2 日 ( 此时工作面回采位置超过 -1 观测点 410 m, 历时 165 d) 到 2012 年 10 月 31 日 ( 工作面回采结束日期 ), 共计 121 d,-1 点累计下沉量 Δh 为 : Δh = -2.205-(-2.068) = -0.137 m 其平均下沉速度 (v) 为 : 图 5 2012 年 7 月 -11 月 工作面上方地表相邻 11 d 沉降图 Fig.5 Subsidence acquired from Interferogram pairs after July, 2012 over the working face 图 5 为 2012 年 7 月 -11 月工作面上方地表相隔 11 d 的沉降图 可以看到, 在 2012 年 7 月 2 日至 2012 年 7 月 13 日期间, 观测点 -1 不再受 工作面回采影响 ( 此时工作面回采位置超过该点 410 m, 历时 165 d) 同时, 工作面上方地表受采矿活动的影响已经发生沉降 综合图 5a 和图 5b, 可以断定 -1 点位附近再次发生沉降是受到 工作面回采的影响, 由于距离较远,
第 3 期刘振国等 : 时序 DInSAR 在重复采动地表沉陷监测中的应用 395 其下沉量较小 至 9 月 28 日,-1 点一直处于沉陷范围边界附近 ( 图 5c 和图 5d) 根据该点位置上不同时期的下沉速度 ( 表 6), 可以判断该点的移动过程进入衰退阶段, 并趋于稳定, 与该点 GPS 观测结果一致 二轨法 DInSAR 技术是本文数据处理的基础, 受雷达热噪声 时空失相干 外部 DEM 误差 大气延迟等多种因素的影响, 使得 DInSAR 时序沉降图表现出一定的噪声 ( 图 3, 图 5a, 图 5b) 观察图 5 可以发现, 时间失相干是本文 DInSAR 数据处理中重要的失相干源, 这是因为研究区 7,8 月份植被相对旺盛, 而且卫星过境时刻为当地时间早晨 6:30, 地表露水较多 此外, 图 5b 和图 5c 中 工作面停采线附近地表呈现一定程度的抬升现象, 需要到现场进一步考察, 以解释和验证 DInSAR 技术的监测结果 5 结论 1) 以西山煤电屯兰矿 工作面为研究对象, 探讨了 DInSAR 技术在矿区开采沉陷监测中的定量化应用, 结合工作面回采进度资料和地表沉降时序图, 分别提取了边界角 起动距和超前影响角等参数, 一定程度上可以反映地表沉陷盆地的动态演变过程 2) 利用工作面上方 GPS 观测资料对 DInSAR 结果进行检验, 表明 X 波段 SAR 数据在相干性得到保证的情况下, 对微小形变的监测精度较高, 从而保证了角量参数提取的可靠性 3) 随着浅层煤炭资源开采结束, 西山矿区相继开展深层煤的回采工作, 使得工作面上覆岩层和地表受到重复采动影响, 其破坏程度加剧, 破坏范围加大 参考文献 : [1] CAREC C,MASSOET D,KIG C.Two examples of the use of SAR interferometry on displacement fields of small spatial extension[j]. Geophysical Research Letters,1996,23 (24):3579-3582. [2] STOW R J,WRIGHT P A.Mining Subsidence Land Surveying by SAR Interferometry[C]// KOHLHAMMER G,GUYEE T D,DAESY D.Proceedings of 3rd ERS Symposium.European Space Agency Special Publication ESA SP-414,1997:525-530. [3] PERSKI Z.The Interpretation of ERS-1 and ERS-2 InSAR Data for the Mining Subsidence Monitoring in Upper Silesian Coal Basin[C]// FÜLÖPP G R,CLEVERS J,BEEK K J.International Archives of Photogrametry and Remote Sensing. Amsterdam : ISPRS, 2000 : 1682-1750. [4] CAREC C,DELACOURT C.Three years of mining subsidence monitored by SAR interferometry, near Gardanne,France[J].Journal of Applied Geophysics, 2000,43(1):43-54. [5] GE L L,HA S,RIZOS C.The Double Interpolation and Double Prediction (DIDP) Approach for InSAR and GPS Integration[C]// DOWMA I,JASSE L.International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Amsterdam:ISPRS,2000:205-212. [6] GE L L,CHAG H C,RIZOS C,et al.multi-pass Differential Radar Interferometry with the Aid of GIS [C]// ALTA O.International Archives of Photogrammetry.Remote Sensing and Spatial Information Sciences,Istanbul:ISPRS,2004:861-867. [7] GE L L,CHAG H C,Rizos C.Mine subsidence monitoring using multi-source satellite SAR images[j]. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing,2007, 73(3):259-266. [8] WEGMÜLLER U, STROZZI T, WERER C, et al.monitoring of mining-induced surface deformation in the Ruhrgebiet (Germany) with SAR interferometry[c]// STEI T I.Proceedings of IGARSS 2000,Hawaii: Institute of Electrical and Electronics Engineers,2000: 2771-2773. [9] 吴立新, 高军海, 葛大庆, 等. 工矿区地表沉陷 D-InSAR 监测试验研究 [J]. 东北大学学报,2005,26(8):778-782. WU Li-xin,GAO Jun-hai,GE Da-qing,et al. Experimental study on surface subsidence monitoring with D-InSAR in Mining Area[J].Journal of ortheastern university,2005,26(8):778-882. [10] 董玉森,GE Lin-lin,CHAG H C, 等. 基于差分雷达干涉测量的矿区地面沉降监测研究 [J]. 武汉大学学报,2007,32(10):888-891. DOG Yu-sen,GE Lin-lin,CHAG H C,et al.mine subsidence monitoring by differential InSAR[J].Journal of Wuhan University,2007,32(10):888-891. [11] YAG Cheng-sheng,ZHAG Qin,ZHAO Chao-ying, et al.monitoring mine collapse by D-InSAR[J].Mining Science and Technology,2010,20(5):696-700. [12] 何国清, 杨伦, 凌赓娣, 等. 矿山开采沉陷学 [M]. 徐州 : 中国矿业大学出版社,1991.