山区采动地表时空动态机理与反演研究

About one third of coal mining sites in China are located in mountainous areas. Some dynamic features, such as subsidence, fracture, collapse and slippage, occur on the ground surface due to the underground mining. In the rainy season, landslide and debris flow could also happen in the steep slope areas, causing serious impact on local ecological environment and people's lives and property. Therefore, it is critical importance to monitor the extent of surface damages over time in order to take appropriate actions to mitigate these damages. Temporal GIS(TGIS) is widely used，and the advantages of D-InSAR are almost real time and more accurate, which can be used to monitor surface subsidence, thus TGIS and D-InSAR provide unique opportunities to study dynamic changes of the ground movements. This project aims to: 1) design and develop the spatio-temporal data models to monitor and simulate the dynamics of the surface damages during the underground exploitation based on the observational data，surface damage records and serial mining events combined with surface DEM from photogrammetry，D-InSAR and GPS techniques; 2) establish a spatio-temporal database in the mining area; 3)build a functional model between slippage parameters and mining geological conditions, including surface slope, the overburden thickness, mining depth, coal thickness and the area of the coalface, which can be used to research and improve the rule of mountain ground movement. The completion of this project will have important theorical and practical significance for mining safety production and ecological environment control.

我国约有三分之一的煤矿位于山区，受地下开采影响，山区地表呈现缓慢下沉、裂缝、塌陷、滑移，在一些坡度较大的地区，伴随雨季会引发滑坡、泥石流等地质灾害，给当地生态环境和人民生命财产安全造成了严重影响，因此需要实时掌握山区采动地表的损害程度，并采取相应的治理决策。当今时态GIS的广泛应用与D-InSAR技术准实时高精度变形监测为研究山区采动地表时空演变过程提供了契机，本项目旨在分析已有山区煤矿地表移动观测资料的基础上，运用D-InSAR技术结合GPS、摄影测量等手段对采动山区地表动态变形进行反演，充分考虑山区地表损害特征、地质采矿资料以及矿井开采序列事件，设计适用于表达山区采动地表的时空数据模型，构建山区采动地表时空动态数据库，建立滑移影响参数与采矿地质条件的函数模型，进一步完善山区地表移动规律。本课题的完成对指导山区矿业安全生产、生态环境治理有重要的理论与现实意义。

本项目通过分析大同焦煤矿、大宁矿、赵庄矿等矿区地表移动观测站资料，结合现场调研与各矿区相关地质采矿资料搜集，对3个矿区的地表移动观测站资料进行了综合分析，并结合开采沉陷预计、InSAR数据反演地表变形，研究了山区煤炭开采区地表移动动态变化规律，结合GIS与遥感对山区地表移动变形进行了深入研究。. 通过对大同焦煤矿地表移动观测资料分析，基于格网分区对该矿区地表整个区域由外到内快速生成地表三角网，对按照三角剖分寻找第三点的算法进行改进，优化构网速度。根据钻孔数据由地表三角网扩展到表土层五面体单元结构，结合有限单元法与开采沉陷预计，提出一种基于断裂三角网的采动破坏边界自动识别算法，由此实现了山区煤矿开采地表沉陷破坏区域的三维可视化动态模拟。. 基于大宁矿地表观测站实测资料，获取了该区域ALOS-1影像数据，应用D-InSAR技术结合矿区10米分辨率DEM反演了井下工作面推进过程中地表时序变形过程，并反演了超前影响角、边界角参数等参数。将非局部均值图像修复（Non-Local Means）算法引入InSAR干涉图滤波方法中，并利用InSAR特有的相干图像对传统Non-Local Means滤波进行了改进，结果表明改进的滤波算法优于传统的干涉图滤波方法，特别是在噪声密度过大的区域，滤波效果更好，并将该算法应用于D-InSAR反演赵庄矿1309工作面开采引起的地表变形过程中，结果表明，InSAR技术监测的结果与实测数据相符。. 鉴于InSAR技术在监测长时间序列地表沉降中的不足，利用SBAS技术对1309工作面地表变形，经与实测数据及D-InSAR反演结果对比，发现SBAS方法的监测结果优于D-InSAR监测结果。将SBAS技术应用于Sentinel-1A SAR数据对拾西村地面监测，经验证3D解缠效果优于2D解缠效果，并发现地下开采引起的地面沉降值与时间（天数）基本呈线性关系。将SBAS技术应用于反演大宁矿多个相邻工作面开采引起地表变形，结果表明，受到相邻工作面开采的影响，采空区地表开采沉陷衰退期时间延长，形变速率峰值出现时间与邻近工作面推进时间密切相关，在凹形地貌位置地表呈现上升，是由于同时受山区复杂地形影响，部分凹形部位地表在采动山体侧向应力作用下将承受水平压缩变形而发生地表附加上升，体现出山区采动地表变形规律的复杂性。