1、2023年6月研究探讨DOI：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.03.002基于 InSAR 技术的输气管道工程穿越煤矿采空区形变特征分析研究钟储汉中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026摘要：针对国内某输气管道穿越煤矿采空区工程，基于20152021年哨兵1号的114景降轨InSAR数据，融合SBAS-InSAR和PS-InSAR技术进行数据处理，提高了采空区地表形变监测点的密度，获得了研究区域地表形变区的分布影响范围和形变信息，并进行了现场调查验证。结果表明，输气管道穿越采空区分布有A、B、C、D共4处沉降区域，其中B区域（沉降中心最大沉降速率约为377
2、mm/a）覆盖了拟建管道部分路段，影响长度约1.2 km，影响路段地表最大形变速率约为35 mm/a。基于InSAR技术获得了输气管道穿越煤矿采空区地表形变时空特征，揭示了监测分析时间段该煤矿采空区对拟建管道路由的影响范围和形变时间序列特征，为输气管道安全设计提供了技术依据。关键词：InSAR；管道；采空区；地表形变Analysis and research on deformation characteristics in goaf area of coalmines crossed by gas pipeline project based on InSAR technologyZHONG
3、 ChuhanSINOPEC Petroleum Engineering Corporation,Dongying 257026,ChinaAbstract：For a gas pipeline project crossing the goaf area of coal mines in China,InSAR data of 114 scenes of descending track ofsentinel 1 from 2015 to 2021 were obtained,and SBAS-InSAR and PS-InSAR technologies were used for dat
4、a processing,whichincreased the density of surface deformation monitoring points in the goaf area.The distribution influence range and deformationinformation of the surface deformation area in the study area were obtained,which were then verified by on-site investigations.Theresults show that there
5、are four subsidence areas,namely A,B,C,and D in which the gas pipeline passes through the goaf area.Specifically,the B area(the maximum subsidence rate of the subsidence center is about 377 mm/a)covers part of the proposed pipelinesection,and the impact length is about 1.2 km.The maximum surface def
6、ormation rate of the affected section is about 35 mm/a.Thepaper obtains the temporal and spatial characteristics of the surface deformation of the goaf area of coal mines crossed by gas pipelinesbased on InSAR technology,reveals the influence range and deformation time series characteristics of the
7、goaf area of the coal mine onthe route of the proposed pipeline during the monitoring and analysis period,and provides a technical basis for the safety design of thegas pipeline.Keywords：InSAR;pipeline;goaf area;surface deformation1工程概况某输气管道工程位于烟台市龙口市境内，沿线地形较为平缓，拟建管道经过北皂煤矿、桑园煤矿、梁家煤矿等矿井区域，拟建管道下方地层为煤矿
8、采空区，对管道建设和安全运营有重大影响。管道中线两侧场地多为耕地，分布有塌陷积水地段，拟建管道穿越采空区水平长度约为7 km。如何确定采空区地表形变区域对管道的影响是在煤矿采空区建设管道工程首先需要解决的问题。InSAR技术可以全天侯工作，具有高穿透性、高覆盖率、高分辨率等特点，能够以高分辨率监测大范围地形高度的细微变化1-2，可应用于地震、滑坡、地面沉降等地质灾害监测和地质灾害隐患早期识别中3-10。采用InSAR技术对管道穿越采空区地表形变区进行监测分析，可以识别出采空区地表形变区的分布影响范围，通过分析其形变规律，可对管道穿越煤矿采空区的建设和防治设计起到指导作用。本文采用 C 波段的哨
9、兵数据，使用 2015-07-012021-12-14 共 114 景哨兵 1 号 IW 成像模式下的降轨单视复数（SLC）数据，影像数据的极化方10第49卷第3期研究探讨式为VV，影像的覆盖范围远大于研究区域（见图1），使用 30 m 分辨率的 SRTM1 DEM 数据作为参考，DEM来获取地形信息。图1研究区域卫星影像范围2自然条件和地质概况研究区域地貌单元为滨海平原及海洋，北部为渤海，地形标高为 2.5943.20 m，总体来看呈北侧低、南侧高的趋势，地貌类型可以划分为平原地貌（滨海平原、冲积平原），以农田、苗木地、回填地为主，地势起伏较小。研究区域地层分区属华北-柴达木地层大区华北地层
10、区鲁东地层分区，场区出露的地层主要有第四系、太古界胶东群地层11。地表大部为第四系沉积物，下部由砂质黏土、黏土质砂和砂层组成，上部为海相砂层，向南部逐渐变为砂质黏土，局部出现煤矿采区塌陷形成的小型湖泊以及花岗岩堆砌路、高速公路、电站、农田和居民住所。第四系主要分为冲积层、海积层、残坡积层。冲积层主要分布在河流两侧及平原地区，主要由砂土、卵砾石、黏性土等构成；海积层主要分布在龙口北部沿海地带，主要由砂土及黏性土构成；残坡积层主要分布在丘陵、低山区，由松散状的砂质黏土、亚砂土等构成。研究区域拟建管道经过范围内含矿地层为古近纪五图群李家崖组，含矿地层平均总厚216 m，含煤6层，自上而下为煤上2、煤
11、上1、煤1、煤2、煤3及煤4。其中煤上2不可采，煤上1为局部可采的极不稳定煤层，煤1为大部可采的较稳定煤层，煤2为全区可采的较稳定煤层，煤3层为局部可采的极不稳定煤层，煤4为大部分可采的较稳定煤层。含矿地层中煤层平均总厚13 m，含煤系数6.2%；可采煤层平均总厚9.8 m，可采含煤系数4.5%。3采空区分布概况拟建管道经过区域分布有北皂煤矿、桑园煤矿、梁家煤矿等，采空区分布煤层评价场地下方分布有煤 1、煤 2、煤 4共三层煤采空区。北皂煤矿1983年12月建成投产，2017年6月20日闭坑，已经开采30多年。地下煤层开采后，采空区上方原有岩土体的应力平衡遭到破坏，上方岩土体失去支撑，向下陷落
12、，形成采空塌陷，采区范围内出现不同程度的地面塌陷。桑园煤矿主要开采煤层为煤 1、煤 2，煤层埋藏深度在 45325 m 之间，平均采厚2.3 m，形成约32.6104m3的采空区，该采空区地面投影面积为0.17 km2。桑园煤矿采空区开采方式为走向长壁后退式采煤方法，整体顶梁组合炮采放顶煤工艺进行回采，全部垮落法管理顶板。梁家煤矿1992年11月28日正式投产。生产水平为-450 m水平，采煤方法为走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，中央边界式通风方式，主、副井进风，风井回风。梁家煤矿主采煤层为煤2、煤4，开采标高-960-80 m，矿井正常涌水量67.5 m3/h。由于地下煤层开采后，
13、采空区上方原有岩土体的应力平衡遭到破坏，上方岩土体失去支撑，向下陷落，形成采空塌陷12，采区范围内出现了不同程度的地面塌陷，很多塌陷区已经进行了治理，目前采空区局部区域还在持续形变。研究区域煤矿采空区范围及拟建管道路由示意见图2。图2煤矿采空区范围及拟建管道路由示意煤矿采空区拟建管道示意N揭示拟建管道经过区域地表形变范围和形变规律，为管道设计和安全运营提供指导，同时也是本次研究需要解决的重点问题。钟储汉：基于InSAR技术的输气管道工程穿越煤矿采空区形变特征分析研究112023年6月研究探讨4InSAR处理方法D-InSAR技术是InSAR技术应用的一个重要拓展，它利用对同一地区的多景 SAR
14、 影像或两景SAR 影像与数字高程模型（DEM）进行差分干涉处理的技术，被广泛用来监测地表形变，并应用于测量地震形变、火山运动、地表沉降及山体滑坡等。通过两次或多次干涉测量得到地表形变的技术称之为差分干涉测量（D-InSAR）技术13。D-InSAR 技术是通过对不同时间获取的多景 SAR影像进行共轭相乘计算，得到同名点之间的干涉相位，其基本原理如图3所示。图3差分干涉几何关系示意A1A2BHrd从图3中可以导出以下关系：r=（/4）def=（/4）（int-flat-topo-atmo-nosie）式中：r为所要求解地面目标点的LOS向形变信息；为雷达波长；def为地表形变引起的相位；int
15、表示像素点干涉总相位；flat为平地相位；topo是由地形起伏引起的地形相位；atmo为大气延迟相位；nosie为观测噪声引起的相位。将平地相位、地形相位、噪声相位、大气相位去除，即可得到地表形变相位14。D-InSAR 技术是一种非常实用的地表形变监测技术，但是不同时期地表物体的散射属性和雷达传感器时间的不同，降低了干涉相对的相干性，同时观测值数量的限制也制约了这项技术的应用。为了解决 D-InSAR技术存在的问题，2001年Ferreti等提出了 PS-InSAR技术，采用多时相 SAR影像，通过对离散稀疏的永久散射点进行分析，获得可靠的相位信息，进而反演精确的地表形变和高程信息，该方法能
16、较好克服或降低去相关问题和大气延迟影响15-17。2002年，Berardino等提出了短基线子集（SBAS）方法，SBAS-InSAR 技术与 PS-InSAR 技术相比极大地降低了对SAR影像数量要求，并有效解决了空间基线失相干的问题。通过提高采样率对时空基线在设定范围中的干涉影像对，使用最小二乘法对单个基线进行求解，再由奇异值分解法对基线集合进行解算得到时序形变和相干点平均形变18-20。采用振幅离差指数识别PS点，能够保证PS点干涉相位的可靠，对于长时间序列（本次研究监测分析时间为20152021年）情况，PS点分布稀疏，不能够很好地反应地表形变场的分布，此外该方法只能识别在时间序列中一直保持高质量相位的点，不能保证短时段内保持高质量的点21。本文研究区域属于野外地区，多为耕地，本文干涉相位组合方法不采用单参考影像方式，而是采用临近3景影像进行组合，确保了干涉相位在短期内也具有高质量，除了PS点外，还根据增加多视视数能够有效减弱干涉相位噪声的思想，引入了每个点的多视差分相位，通过组合多视差分干涉相位和单视差分干涉相位，融合PS-InSAR和SBAS-InSAR技术，去掉高程残差