基于ESBAS-InSAR技术的矿区沉降监测与断层活化研究

《Advances in Space Research》：Research on Subsidence Monitoring and Fault Reactivation in Mining Areas Using ESBAS-InSAR Technology

　　

本研究利用28景Sentinel-1A升轨合成孔径雷达（SAR)影像（成像时间2024年1月8日至12月21日），采用小基线集干涉合成孔径雷达(SBAS-InSAR)与增强型小基线集干涉合成孔径雷达(ESBAS-InSAR)技术，对安徽省阜阳市刘庄煤矿171107工作面开采引起的地表形变进行监测，重点分析断层活化对采动地表沉降的影响机制。研究结果表明，ESBAS-InSAR方法通过协同反演永久散射体(PS)与分布式散射体(DS)，显著提升了低相干及强形变区域的数据覆盖度；该方法在沉降中心附近存在监测误差增大的趋势，经高斯曲线拟合校正后，走向与倾向方向的累积平均误差分别降至15.8 mm与17.04 mm。剖面分析揭示，采动诱发了F4正断层与F_1-2逆断层的活化，分别形成阶梯状与漏斗状异常变形区。本研究强调了断层活化在塑造沉降模式中的重要作用，为煤矿地质灾害监测预警提供了理论依据与技术支撑。

煤炭资源的大规模集约化开采导致矿区地表广泛沉降，引发覆岩位移、破裂及垮落等复杂变形过程，进而诱发滑坡、地裂缝及地表塌陷等地质灾害，严重威胁人民生命财产安全。断层作为地壳中的地质构造，在采动扰动下极易发生活化，其应力场改变将进一步影响围岩运动与应力分布，使断层附近出现异常沉降梯度区，加剧采矿风险。尽管数值模拟研究已揭示断层倾角、位置对活化及地表沉降的影响规律，但目前针对断层活化与采动地表沉降关系的动态监测研究仍显不足，尤其缺乏融合多时相SAR数据与地质构造信息的高精度监测手段。

在此背景下，研究人员以安徽省阜阳市颍上县刘庄煤矿171107工作面为研究对象，利用2024年1月8日至12月21日期间获取的29景Sentinel-1A升轨SAR影像，开展SBAS-InSAR与ESBAS-InSAR技术的地表形变监测对比研究，并结合概率积分法(PIM)沉降预测与水准测量数据，深入探讨F4正断层与F_1-2逆断层活化对采动地表沉降的影响机制。该研究成果发表于《Advances in Space Research》。

研究所采用的关键技术方法如下：研究数据来源为Sentinel-1A卫星C波段SAR数据，选取VV极化、升轨模式、重访周期12 d、入射角32.8°的影像序列；辅以30 m分辨率的SRTM-DEM进行地形相位去除；地面验证数据为90个地表移动观测站的水准测量数据，分别于2024年6月5日与12月18日施测。方法层面，研究首先运用SBAS-InSAR技术，通过设置空间基线阈值5%、时间基线阈值100 d生成87组干涉对，经Goldstein滤波、最小费用流法相位解缠、GACOS大气校正及DEM相位去除后，采用奇异值分解(SVD)与最小二乘法获取时序形变；进而采用ESBAS-InSAR技术，通过PS-DS协同反演实现低通(LP)与高通(HP)信号分离，以SBAS提取DS点的大尺度形变趋势与残余大气相位，PSI获取PS点的高频位移细节，经联合反演实现区域沉降至局部细微变形的全覆盖监测；最后采用基于高斯曲线拟合的误差校正方法，建立沉降中心距离与监测误差的函数关系，通过加权平均（权重依据走向与倾向方向累积均方根误差确定）实现结果校正，并结合概率积分法预测模型划定沉降边界，开展多维度对比验证。

研究结果部分按以下方面展开：

一、刘庄煤矿沉降结果分析。通过SBAS-InSAR获取7064个监测点，而ESBAS-InSAR通过PS-DS协同反演将监测点增至25 917个，数据覆盖度提升267%。2024年期间，ESBAS-InSAR获取的最大年平均形变速率达?241 mm/a，显著高于SBAS-InSAR的?170 mm/a，表明其在强形变检测方面的优势。概率积分法预测的漏斗状沉降盆地与实际监测结果总体吻合，但在F4断层左侧与F_1-2断层下方分别识别出Ⅰ号与Ⅱ号异常变形区，超出预测边界，初步判断与断层活化相关。

二、异常变形分析。时序累积变形分析表明，17107工作面于3月15日复工后，周边区域于3月20日出现沉降现象，但异常变形区直至5月7日方才响应，滞后约两月，证实异常变形主要由该工作面采动引发而非邻近工作面残余沉降所致。力学机制上，采空区形成导致断层剪切应力增量Δτ超过抗剪强度c+σ_ntan?，触发断层滑移活化，进而改变应力传递路径并放大沉降效应。

三、InSAR监测结果校正。水准验证显示，当形变量小于?40 mm时ESBAS-InSAR与水准测量吻合较好；超过该阈值后误差随沉降加剧而增大，走向与倾向方向累积平均绝对误差分别为72.41 mm与76.56 mm。采用Chen等提出的基于高斯曲线拟合的校正方法后，走向与倾向方向误差分别降至15.8 mm与17.04 mm，精度提升约80%，验证了校正方法的有效性。

四、断层影响下的沉降分析。AA′剖面线横穿F4正断层与Ⅰ号异常变形区，0?589 m区段呈现阶梯状沉降，最大变形点M达?68.68 mm；DD′剖面线横穿F_1-2逆断层与Ⅱ号异常变形区，0?643 m区段呈现漏斗状沉降，最大变形点N达?60.34 mm。CC′与BB′剖面线在正常区域则无明显异常。对比表明，工作面位于F4断层上盘时形成阶梯状异常变形，位于F_1-2断层下盘时形成漏斗状异常变形。

讨论部分，研究人员首先从技术层面肯定ESBAS-InSAR克服传统SBAS-InSAR局限性的能力，PS-DS协同反演显著提升数据覆盖度，经高斯校正后精度提高近80%。其次，断层影响层面证实F4正断层与F_1-2逆断层分别在采动约两月后活化，形成两种典型异常变形模式，扩展了沉降边界。该结果与既有数值模拟结论一致：断层倾角影响活化可能性（35°最敏感），本研究中F4断层倾角27°?80°、F_1-2断层倾角0°?39°，虽活化但呈现不同形态，间 supports不同倾角对沉降形态的调控作用；Guo等提出断层扩大地表移动范围，本研究观测到的异常变形区超出预测边界印证了该结论。此外，Zhang等（1995）的理论计算表明，当断层倾向与沉降盆地降低方向一致时，上盘（ basin外侧）沉降大于内侧，反之亦反，本研究监测结果与之高度一致；Huang等（2024）在万年矿F13断层的研究中同样观测到阶梯状变形特征，与本研究结论直接吻合。

研究结论概括如下：第一，ESBAS-InSAR技术通过PS-DS协同反演，将监测点从7064个增至25 917个，在低相干与强形变区域表现优异；第二，17107工作面3月15日复工后，至年末累积最大沉降达?976.98 mm，断层影响导致沉降边界外扩；第三，经90个地表移动观测站水准数据验证，校正后精度提升近80%；第四，依据工作面与断层相对位置，F4正断层上盘区呈阶梯状异常变形（最大?68.68 mm），F_1-2逆断层下盘区呈漏斗状异常变形（最大?60.34 mm）。研究建议当地采矿主管部门在划定沉降边界时充分考虑断层活化效应，并对异常变形区采取安全措施。