馬 軍

(淮北礦業(yè)集團(tuán) 通防地測部，安徽 淮北 235000)

鐵路下壓煤問題是世界上各產(chǎn)煤國共同面臨的難題。采用先進(jìn)的對地觀測InSAR技術(shù)，獲取煤礦開采附件的鐵路歷史及當(dāng)前地表沉降信息，優(yōu)化地表移動觀測站，結(jié)合地表實(shí)測、井下開采、地質(zhì)采礦資料綜合分析開采沉陷影響規(guī)律，明確采動因素對濉阜鐵路的影響，制定相應(yīng)保護(hù)煤柱范圍，為煤礦的開采布局提供技術(shù)依據(jù)和保障。在青東礦較厚松散層，地表沉降范圍大的地區(qū)科學(xué)合理留設(shè)保護(hù)煤柱，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益巨大。

除了鐵路下采煤保護(hù)煤柱、開采方法等方面的研究外，鐵路形變監(jiān)測也是一項(xiàng)重要工作。然而，傳統(tǒng)的地表形變監(jiān)測方法工作量大、成本高、易受天氣和實(shí)地地表情況的制約，難以做到實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。因此，采用DInSAR非接觸式的遙感手段技術(shù)，動態(tài)獲取高精度的采動區(qū)鐵路時(shí)序形變，對于保障鐵路通行安全具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 DInSAR技術(shù)原理

DInSAR技術(shù)是InSAR技術(shù)的發(fā)展與延伸。InSAR技術(shù)在獲取地表幾何信息時(shí)，假設(shè)了影像成像間隔期間沒有發(fā)生地表形變，若在實(shí)際情況中，地表發(fā)生了形變，則此時(shí)干涉圖中的干涉相位組成可由下式表達(dá)：

φint=φdef+φflat+φatm+φorb+φtopo+φnoise

式中，φdef為地表形變相位，φflat為平地相位，φatm為大氣相位，φorb為軌道相位，φtopo為地形相位，φnoise為噪聲相位。

平地相位可以通過基線信息估算，軌道相位可通過精密軌道數(shù)據(jù)來校正，地形相位可通過DEM模擬，而忽略大氣和噪聲的影響后就能得到形變相位。為獲得地表形變相位而將其他相位組分去除的過程就是合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量(DInSAR)技術(shù)。DInSAR技術(shù)一般分為二軌法、三軌法和四軌法，這三種方法的差異主要在于二軌法使用外部DEM來去除地形相位，而三軌法和四軌法均是利用其中兩幅影像組成干涉對來生成DEM。

圖1 二軌法原理示意圖

DInSAR技術(shù)主要流程包括SAR影像配準(zhǔn)、干涉圖生成、去平地效應(yīng)、相位差分、干涉圖濾波、相位解纏、地理編碼等。目前，鐵路下采煤方案設(shè)計(jì)已取得了很大的進(jìn)步，InSAR礦區(qū)形變監(jiān)測的研究也有一定的進(jìn)展，但在理論、方法和實(shí)用性等方面還有很多的問題需進(jìn)一步研究。通過DInSAR技術(shù)原理可以看出其受大氣延遲及時(shí)空基線失相干等因素的影響，監(jiān)測精度受到限制，各類時(shí)序InSAR技術(shù)的不斷提出能夠較好的克服這些因素的影響。

2 SAR數(shù)據(jù)的選取及與水準(zhǔn)測量成果的對比分析

由于濉阜鐵路為國家二級鐵路，濉阜鐵路從青東礦井田范圍內(nèi)穿過，從鐵路南側(cè)的82采區(qū)地表巖移觀測資料發(fā)現(xiàn)，利用概率積分法留設(shè)的鐵路保護(hù)媒柱范圍內(nèi)靠近鐵路附近部分點(diǎn)已下沉15～20 mm，實(shí)測10 mm范圍線比概率積分法預(yù)測范圍大。為保護(hù)鐵路運(yùn)營安全及鐵路煤柱的合理留設(shè)，分析工作面開采對濉阜鐵路的影響以及地表沉降與工作面距離之間的關(guān)系?；幢钡V業(yè)聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)分別利用傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量和DInSAR技術(shù)兩種方法共同監(jiān)測，進(jìn)行對比分析，從而科學(xué)合理留設(shè)濉阜鐵路保護(hù)煤柱。

圖2 利用概率積分法預(yù)測與實(shí)測數(shù)據(jù)比較圖

兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析：

水準(zhǔn)測量優(yōu)點(diǎn)：精度高，可達(dá)到毫米級，可隨時(shí)隨地監(jiān)測、收集數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：現(xiàn)場布點(diǎn)困難，測點(diǎn)難以保存，工作量大，布點(diǎn)受現(xiàn)場客觀條件限制，點(diǎn)數(shù)具有一定的局限性。

DInSAR技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：通過軟件技術(shù)處理后精度可達(dá)厘米級甚至局部可達(dá)毫米級，DInSAR影像資料獲取容易，可獲取區(qū)域面狀信息。缺點(diǎn)：精度相對高精度水準(zhǔn)測量而言精度低，影像資料需要購買，費(fèi)用高，成本大。

兩種方法成果的對比分析：

利用2016年4月7日～2018年1月15日38景Sentinel-1A數(shù)據(jù)。基于StamPS方法獲取青東礦地表形變情況，選擇2017年1月8日的影像為主影像，共形成37個(gè)干涉對。由于這段時(shí)期跨越兩個(gè)夏季，從而導(dǎo)致基于單一主影像的StamPS方法獲取的高相干點(diǎn)過少，不能有效地分析鐵路形變以及地表下沉與工作面距離之間的關(guān)系。為了提高相干點(diǎn)的數(shù)量，選擇基于多主影像的StamSBAS方法獲取這段時(shí)間的地表形變情況，38景Sentinel-1A影像共組成108個(gè)干涉對。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有傳統(tǒng)觀測資料的不足，分析濉阜鐵路沉降規(guī)律，首先利用已有的鐵路沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證StamSBAS監(jiān)測結(jié)果。通過對Sentinel-1A數(shù)據(jù)監(jiān)測時(shí)間和水準(zhǔn)數(shù)據(jù)測量時(shí)間進(jìn)行對比，選取2016年4月19日～2017年11月28日的StamSBAS監(jiān)測結(jié)果與2016年4月25日～2017年11月27日的鐵路水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行對比，為了獲取相應(yīng)水準(zhǔn)點(diǎn)位置的StamSBAS監(jiān)測結(jié)果，采用反距離加權(quán)法對StamSBAS監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行插值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，StamSBAS鐵路監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)測量結(jié)果二者沉降趨勢一致。但StamSBAS監(jiān)測結(jié)果的最大下沉值為16.1 mm，且最大下沉位置與水準(zhǔn)測量偏差較大。兩者之間的最大偏差為15.1 mm，最小偏差為0.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.9 mm，均方根誤差為7.7 mm。通過二者之間的定量評價(jià)結(jié)果可知，StamSBAS監(jiān)測結(jié)果較為可靠，精度可以達(dá)到厘米級。

圖3 部分測點(diǎn)不同時(shí)間下沉分布圖

經(jīng)分析，鐵路實(shí)測與預(yù)測下沉變化趨勢相同。在開采初期，距離工作面距離較近處，預(yù)測值小于實(shí)測值；隨著工作面推進(jìn)，預(yù)測值與實(shí)測吻合越好，到工作面快結(jié)束時(shí)(2017年1月13日)，預(yù)測值與實(shí)測值吻合很好，當(dāng)工作面結(jié)束后，距離工作面大于870 m以內(nèi)，鐵路預(yù)測下沉大于實(shí)測下沉。

圖4 不同時(shí)間鐵路傾斜分布圖

3 鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)的安全技術(shù)范圍確定

由實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2018年6月20日～2018年11月20日半年時(shí)間內(nèi)，鐵路下沉量增加較小。以2018年6月20日為起點(diǎn)的下沉差見下圖，從2018年6月20日后，鐵路沉降增加量很小，除個(gè)別點(diǎn)沉降差大外，大多數(shù)點(diǎn)沉降差在1～2 mm，說明鐵路下沉已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

圖5 鐵路下沉差分布圖

移動角與基巖采厚比成線性關(guān)系，隨著基巖采厚比增大，移動角增大，回歸關(guān)系為：

基于DInSAR技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)的融合，經(jīng)大量數(shù)據(jù)分析，對工作面開采影響的邊界角與移動角進(jìn)行科學(xué)計(jì)算后得出，對于濉阜鐵路保護(hù)煤柱采用以下方法進(jìn)行留設(shè)科學(xué)合理，經(jīng)分析計(jì)算，最終保護(hù)煤柱留設(shè)計(jì)算方法為：

(1)首先采用移動角初步留設(shè)濉阜鐵路保護(hù)煤柱；

(2)根據(jù)留設(shè)的保護(hù)煤柱大小，計(jì)算濉阜鐵路地下開采和沉降量，采用工后沉降控制指標(biāo)評估濉阜鐵路的安全性，確定濉阜鐵路最終保護(hù)煤柱范圍；

(3)最后保護(hù)煤柱線向外擴(kuò)充80 m，確定為最終保護(hù)煤柱。

4 結(jié) 語

采用DInSAR技術(shù)監(jiān)測建下壓煤開采地表及建筑物沉降變形是可行的技術(shù)；采用地面常規(guī)水準(zhǔn)監(jiān)測勞動強(qiáng)度大、監(jiān)測基點(diǎn)不穩(wěn)定，采用DInSAR技術(shù)可避免這些問題；國內(nèi)煤礦區(qū)在地表移動觀測建立中同樣存在占用耕地、觀測點(diǎn)位難保存等缺陷，采用DInSAR技術(shù)不需要地面點(diǎn)或只需要少量地面點(diǎn)，對于長期、大范圍監(jiān)測開采沉陷具有廣闊的實(shí)用價(jià)值。

總之，為安全、科學(xué)起見，應(yīng)布設(shè)鐵路觀測站進(jìn)行持續(xù)沉降觀測，同時(shí)進(jìn)行地層詳細(xì)勘探、地層沉降監(jiān)測等，不斷更新監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)測模型，為鐵路保護(hù)煤柱留設(shè)、保障鐵路安全運(yùn)行提供技術(shù)支撐。