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基于标准差椭圆法的中岭煤矿集中开采区地表形变时空演化分析

2024-09-12 80 上传者：管理员

摘要：为更进一步掌握煤矿开采区因地下采煤活动诱发的地表变形程度及其多年时空变化情况，及时发现地质灾害隐患和时空分布格局对煤矿开采强度大的矿区人民科学的规避潜在地质灾害、矿山安全生产等具有重要意义。因此，本文，选取了覆盖研究区的2007—2010年12景ALOS PALSAR L波段与170景2014—2021年Sentinel-1A C波段雷达影像变形数据基于标准差椭圆方法分析了研究矿区地表LOS向(Line of sight,LOS)形变时序变化与时空演化特征。监测结果表明：(1)监测区2007—2021年以来形变速率最大年出现在2014—2015年，最大沉降变形速率为-102.72 mm/y,形变主要集中分布在监测区北部、相对沉降速率出现先增大后减小的趋势；(2)由标准差椭圆方法分析可知监测区地表相对沉降形变中心空间上在观测期间(2007—2021年)整体往北东方向移动了447.52 m,形变中心有朝着北东方向扩大、演化的趋势。结论：本文利用标准差椭圆方法成功模拟了监测区地表多年变形空间演变格局，研究结果可为多年煤矿开采地区进一步掌握其地表变形区分布具有一定参考意义。

关键词：
SBAS-InSAR
地质灾害
时空演化
标准差椭圆方法
矿区形变
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1、引言

高强度、大范围煤层的持续开采会引起其上覆岩层的应力重新分布，造成岩层移动和破断，最终导致地表沉陷、地裂缝、滑坡等地质环境问题(崔希民等，2021;赵毅鑫等，2022;鞠金峰等，2022)。地表持续不稳定变形增加了矿山安全开采的隐患，时刻威胁着矿区人民的生命和财产安全，研究矿区煤炭资源开采历史悠久，至今大型矿井仍然处于生产状态，区内滑坡、崩塌、地面沉降和地裂缝等地质灾害频发，因此有必要对其开展长时序形变监测与时空演化分析，这对煤矿矿山的日常安全生产、提高矿区人民合理规避矿致灾害认识等具有重要意义(陈萍，2015;况忠等，2022;李思发等，2022;安全等，2023a)。

传统地面测量技术主要有水准测量、GPS测量、三角高程测量等，存在监测周期长，大区域面上形变监测成果不连续等不足，且耗费了大量的人力、物力等(朱茂等，2019;张宏雪等，2021;何秀凤等，2021)。合成孔径雷达干涉测量(synthetic aperture radar interferometry, InSAR)技术的出现弥补了传统测量的不足，随着InSAR技术的不断改进、优化，适宜于大范围、长时序高精度监测山区地表形变的小基线合成孔径干涉雷达测量技术(small baseline subset interferometric synthetic aperture radar, SBAS—InSAR)得到广泛应用与推广(孟庆凯等，2016;夏锐等，2022;周定义等，2022),近年来SBAS—InSAR技术在矿区地表形变时序监测方面应用广泛(肖亮等，2019;马涛等，2020;王凤云等，2022),但在长时序、多源雷达波段结合监测及时空演化方面还存在进一步完善的空间。

因此，本文基于SBAS—InSAR技术与标准差椭圆方法以及覆盖研究区的2007—2010年12景ALOS PALSAR L波段与170景2014—2021年Sentinel-1A C波段雷达影像数据，基于自然邻域插值法与ArcGIS平台分析了研究矿区地表LOS向(Line of sight ,LOS)形变时序变化与时空演化特征，其分析结果对煤矿矿山的安全生产、进一步缩小矿区人民规避矿致灾害易发空间等方面具有重要参考意义。

2、研究方法

2.1 研究区概况

监测区主要位于贵州省西部煤矿集中开采区纳雍县中岭镇，局部涉及勺窝乡、雍熙街道，张家湾镇以及阳长镇(图1),是典型的矿致地质灾害频发区之一(105°12′7.49″E105°19′26.27″E,26°39′29.34″N26°45′25.42″N),面积约95.35 km2。区内出露的地层有上二叠统峨嵋山玄武岩组、龙潭组、大隆组、下三叠统飞仙关组、永宁镇组以及第四系，但主要分布二叠、三叠系地层。监测区煤炭开采历史悠久，多年的持续开采形成了许多地下采空区，由于历史条件的限制和不合理的开采致使许多老采空区后期治理不善，在降雨或人为等因素下部分老采空区上覆地层再次处于不稳定状态，以至于部分采空区表面频繁发生崩塌、滑坡及地面塌陷或沉降，矿区地质灾害的频繁发生时刻威胁着矿区居民的生命和财产安全。

图1 研究区概况图

Fig.1 General situation of the study area

1—乡镇；2—断层线；3—乡镇边界；4—地质界线；5—研究实验区；6—解译崩滑范围；7—中岭煤矿采空区；8—Sentinel-1A覆盖范围；9—ALOS PARSAR数据覆盖范围

2.2 研究方法

2.2.1 本文提取监测区地表多年形变的方法采用SBAS—InSAR技术(HOOPER A,2008)。由于该模型现已比较成熟，此处不再赘述(计算公式详见张丰等，2022;安全等，2023b)。

2.2.2 本文模拟形变空间演化的方法为标准差椭圆方法，该方法是Lefever在1926年提出的，主要通过椭圆的中心、面积、长短轴、方位角随时间的变化来分析研究对象的中心、范围、形状、方向等时空演化格局和变化趋势。以研究实验区范围提取形变速率变化量为权重，求解标准差椭圆的中心、面积、长短轴、方位角计算公式如下(耿丹等，2022)。

标准差椭圆的中心

式中，(SX,SY)即为标准差椭圆的中心，(xi,yi)是时序点i的坐标，

是所有时序点平均中心，n是时序点的数量。

标准差椭圆的方位角

式中，θ即为标准差椭圆的方位角，

是所有时序点坐标(xi,yi)与所有平均中心

标准差椭圆长轴和短轴的标准差

式中，σx和σy分别为沿长轴和短轴的标准差。

3、数据采集与分析

3.1 数据采集

研究采用Sentinel-1A幅宽：250 km与ALOS PALSAR 幅宽：520 km SLC级雷达影像为数据源，Sentinel-1A辅助精轨数据以相应区域相应时段的 POD 精密定轨星历数据为基准，地形相位的去除采用美国宇航局(NASA)提供的SRTM数据，分辨率为30 m×30 m, 部分相关参数见表1。Sentinel-1A与ALOS PALSAR时间序列形变信息的获取主要在GAMMA软件环境中完成，GAMMA软件处理部分相关参数见表1。

表1Sentinel-1A与ALOS PALSAR部分参数

3.2 数据分析

由SBAS-InSAR技术处理监测区各期沉降形变速率结果如表2 所示。从表2中可以看出，监测区2007年至2021年以来形变速率最大年出现在2014—2015年，最大沉降变形速率为-102.72 mm/y。整体上看，监测区从2007年至2021年以来，沉降速率出现先增大后减小的变化趋势。出现这种变化规律的原因主要是煤矿开采初期，受开采扰动的上覆岩层极不稳定，这个时期的地表形变速率变化最大，随着时间的累积，受开采扰动的上覆岩层空隙不断被充填压实，力学性质变得较为稳定，随着时间的推移，在没有受到极端天气影响下地表形变速率变化逐渐区域稳定。本次监测区形变速率的变化规律符合煤矿开采沉陷规律，监测结果较为可靠。

表2 2007—2021年监测区各期形变速率最值结果统计

3.3 2007—2021年矿区形变时序分析

基于ArcGIS平台，对得到的每一期次LOS向形变累积量采用自然邻域插值法获取研究矿区连续面上的LOS向形变累积量栅格，再结合各期次形变累积量空间变化格局，以Sentinel-1A 2019—2021阶段形变累积量图为基准图分别创建典型变形区特征监测点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P10,以分析各阶段时序形变累积量的变化特征。数据处理结果如图2-图3所示。

图2 典型形变区时序观测点图

图3 典型形变区观测点形变累积量时序变化图

从图2中可以看出，2007—2021年以来实验矿区形成了2个比较稳定的形变中心，另外在形变监测点P9、P10处随着时间的推移形成了两个新的形变中心，且形变的规模在逐渐扩大，形变中心亦有往实验矿区北东方向发展的趋势。从图3中可以看出，P1—P10观测点形变累积量在2007—2017年期间变化量比较大、地表处于不稳定状态，2017—2018年至2019—2021年期间观测点形变累积量变化量逐渐减小，地表逐渐趋于稳定，但形变仍在持续变化中。总体上来看2007—2021年以来，实验矿区北部持续发生着微小的相对沉降变化，形变累积变化量在减小，形变区地表逐渐趋于稳定，但实验矿区北东方向正在孕育新的相对沉降形变中心，且该区域人类活动较活跃，后期的形变状况值得注意。

3.4 基于标准差椭圆的矿区形变时空格局演化分析

为进一步分析实验矿区2007—2021年期间地表相对沉降形变的时空演变特征，以矿区相对沉降形变速率为权重，计算标准差椭圆变化面积、长短轴、方位角等参数以分析地表形变随时间推移的空间演化规律(处理结果见表3、图4、图5)。

表3 2007年7月—2021年12月标准差椭圆参数表

从表3中可以看出，以2007—2010年为基期，2014—2015年、2017—2018年标准差椭圆短轴长、面积在减小、长轴长在增加，表明上述变化时间段地表相对沉降变形比较活跃，结合图4、图5来看，2014—2015年标准差椭圆形状明显较扁，而2017—2018年标准差椭圆形状与其他几期的形状大致相似，说明该期虽然地表仍在发生相对沉降变形，但沉降速率有所变缓且趋于较稳定趋势。从标准差椭圆方位角变化来看，以2007—2010年为基期，2007—2021年以来，以正北方向为0°,90°方向为正东依次类推，除2016—2017年标准差椭圆方位角为正向即顺时针变化外，其余各期次皆为负向即逆时针方向变化，但总体上是逆时针方向变化。从图5即标准差椭圆中心变化及方位角变化图来看，2007年7月至2021年12月以来，随着时间的推移，标准差椭圆中心总体趋势是往北东方向移动，且截至2021年12月整体移动了447.52 m。同时也间接表明了实验矿区地表的不稳定性逐渐向北东方向移动，今后北东方向的矿区地表微小变形应值得进一步关注。

图4 沉降变化标准差椭圆图

图5 标准差椭圆中心变化及方位角变化图

4、结论

本文基于SBAS—InSAR技术与标准差椭圆方法以及覆盖研究区的2007—2010年12景ALOS PALSAR L波段与170景2014—2021年Sentinel-1A C波段雷达影像数据，分析了研究矿区地表LOS向形变时序变化与时空演化特征，采区0.5 m三调影像、野外调查核实与地下开采状况的实测资料等多渠道验证了监测结果的可靠性。监测结果表明：

(1)实验矿区2007—2021年形变主要集中分布在北部、相对沉降速率出现先增大后减小的趋势。

(2)P1—P10观测点形变累积量在2007—2017年期间变化量比较大，2017—2018年至2019—2021年期间变化量逐渐减小，地表逐渐趋于稳定，但仍在持续发生形变。

(3)实验矿区地表相对沉降形变中心在观测期间往北东方向移动了447.52 m, 形变中心有朝着北东方向扩大、演化的趋势。

参考文献:

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