差分干涉技术在漳村煤矿地面沉降监测中的应用

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。

1 矿井概况

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。

2 数据处理

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

2.1 基线估算

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。

2.2 影像配准

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。

2.2 生成干涉图

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。

2.3 去平地效应

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。

2.4 噪声滤波

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。

2.5 相位解缠

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。

2.6 相位转形变及地理编码

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。

3 监测结果与监测精度分析

3.1 监测结果

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。

3.2 监测精度分析

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

4 结论

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。