联合位错模型的SBAS-InSAR方法及其应用于矿区地表沉降监测

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煤炭是中国最重要的能源,它严重影响着人们的生活水平和国民经济的发展,为国家提供了足够的能源安全保障。煤矿开采极易诱发各类地质灾害,从而对矿区人民的生命财产安全带来严重影响。因此,对矿区地表形变监测及对其开采面参数进行反演获得形变规律以及实现形变的预测,可有效防止矿区地质灾害的发生。常规的煤矿形变监测手段与方法通常选择使用水准仪、GPS等方法,虽然监测的精度比InSAR方法高,但是形变监测的范围较小,会产生很大的工作量,监测得到的测量点是离散点没有足够的密集度从而无法有效反映矿区的整体形变,一定程度上对煤矿形变监测方面的应用与研究造成了阻碍。自1980年代后期以来,合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术逐渐发展成为一种新的大地测量手段和方法,后续相继提出的一系列时序InSAR方法克服了DInSAR的很多局限性而被广泛应用于矿区地表形变的监测和预报工作中。为分析山西省的煤矿开采对地表形变所造成的的影响,利用Stacking时序InSAR方法基于Sentinel-1A数据初步获取了山西省的长达一年的时序地表形变结果,结果表明了煤矿开采是造成山西省地表形变的最大原因,实验结果也在一定程度上说明了煤矿开采所引起的山西省地表形变程度以及规模,对制定山西省煤矿合理开采计划以及煤矿安全预测具有一定的意义。不同煤层类型开采所引发的地表形变规律不同,利用SBAS时序InSAR方法分别针对山西省的店坪煤矿的9-209与110工作面和汾源煤矿的5-101工作面获取到时序地表形变结果,进行对比后发现:(1)煤矿开采所引起的地表形变程度与煤矿开采长度成正比,当煤矿开采长度达到一定程度时,煤矿开采所引发的地表沉降漏斗逐渐由一个变成两个,形变中心由工作面中心逐渐转移到工作面两端;(2)急倾斜厚煤层开采所引发的地表形变程度要比近水平薄煤层所引起的地表形变程度大,更容易造成地表塌陷。之后以上述SBAS时序InSAR结果作为观测值,基于Okada位错模型反演了汾源煤矿5-101工作面的开采参数,并将反演结果与实测参数作了对比,将正演结果与InSAR结果作了对比,验证了基于时序InSAR方法观测得到的地表形变结合Okada模型反演煤层工作面参数的可行性与可靠性。最后基于汾源煤矿5-101工作面的不同开采阶段的SBAS时序InSAR形变结果,利用Okada位错模型与高斯拟合曲线初步实现了煤矿开采参数的预测,提出了一种新的可行的煤矿形变预测手段,结果表明随着煤层的开采进度的推进,位错开口值的绝对值呈现先增大后减小最后趋于0的规律,当开采过程中开采长度到达一定值时,位错开口绝对值达到顶峰,形变加速度达到最大,之后随着开采的结束,位错开口绝对值逐渐减小,形变加速度也逐渐减小,并在开采结束一段时间后趋于0,地表形变也趋于平缓,同时也验证了Okada矩形位错模型结合高斯拟合曲线实现煤层参数预测这种新的较科学的煤矿地表形变预测手段的可行性与可靠性,对矿区形变预测与安全预测具有一定的意义。
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