基于SAR与水准数据的鄂尔多斯矿区开采沉陷规律研究
多年来对煤炭资源的高强度开采，使我国东部矿区煤炭资源的储量日益减少，甚至面临煤炭资源枯竭的风险，煤炭工业的战略西移已成为保障国家能源安全的重大需求。我国西部矿区煤炭资源储量丰富，且建有多个国家大型煤炭基地，具备承接国家煤炭工业战略西移重任的条件，未来发展前景广阔。但是，由于东西部矿区地质采矿条件的差异，使得西部矿区采动引起的地表移动变形规律与东部矿区有所不同，为指导后续西部矿区煤炭资源的开发利用以及采空区地面建构筑物的保护工作，本文以内蒙古鄂尔多斯矿区的营盘壕煤矿、转龙湾煤矿、石拉乌素煤矿为研究对象，开展西部矿区地表沉降监测方法以及地表移动变形规律的研究，基于合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技术并结合水准实测数据和概率积分法，对研究区地表形变进行了监测，揭示了研究区地表的移动变形规律。主要研究工作和成果如下： （1）分析了研究区的地质采矿资料和观测站实测数据，总结了沿各工作面地表观测线的移动变形规律。本文对营盘壕煤矿2101、2201工作面，石拉乌素煤矿221上03、221上08工作面，转龙湾煤矿23103工作面地面观测站的水准实测数据进行了整理和分析，绘制了沿各工作面地面观测线的动态下沉、倾斜、曲率变化曲线以及各观测线上地表最大下沉点的动态下沉与下沉速度曲线，反演得到了各工作面的概率积分法预计参数。 （2）研究了一种融合时序相位优化与非局部均值滤波的相位优化方法。本文在时序相位优化方法和自适应空间非局部均值滤波相位优化方法的基础上，通过引入结构相似性指数对非局部均值滤波加以改进，并将改进后的滤波方法与时序相位优化方法相结合，构建了一种融合相位优化方法。经验证，融合相位优化方法可有效对分布式目标（Distributed Scatterer，DS）像元相位进行优化，显著提升干涉图的质量，其相位优化效果优于特征值分解和时序相位优化方法。基于此，本文将融合相位优化方法加入到DS-InSAR流程中，基于2017年9月至2019年6月覆盖营盘壕煤矿的54景Sentinel-1A SAR影像，获取了该时段内研究区地表的形变信息，经与水准数据对比，两者间的相关系数为0.97。 （3）研究了一种基于距离加权 GWO 的矿区概率积分求参方法。本文通过对灰狼的位置更新方程加以改进，解决了经典灰狼优化算法（ Grey Wolf Optimization Algorithm，GWO）在解决高维复杂多模问题时易过早收敛和求得低质量解的问题，构建了一种基于距离加权GWO的概率积分求参方法。经模拟实验和实际工程应用验证，本文方法求参结果准确可靠。基于此，本文利用该方法求取了转龙湾煤矿23103工作面的概率积分参数，进而预计得到了该工作面地表 完整的下沉盆地，弥补了DS-InSAR不能对矿区大梯度形变进行监测的不足。 （4）研究了一种融合DS-InSAR与概率积分法的全盆地地表沉降监测方法。针对DS-InSAR方法无法对下沉盆地中心区域的大梯度形变进行监测的限制，同时顾及概率积分法预计下沉盆地在边缘处收敛过快、监测精度不高的不足，本文提出了一种联合DS-InSAR与概率积分法的矿区全盆地地表沉降监测方法，并利用该方法获取了石拉乌素煤矿221上03工作面地表完整的下沉盆地。联合方法利用DS-InSAR技术对下沉盆地边缘的小梯度形变进行监测，下沉盆地中心附近的大梯度形变则是通过概率积分法预计得到，最后基于形变梯度理论，按照一定的阈值将两种方法的监测结果进行融合，来获取研究区地表完整的下沉盆地。实验结果表明，联合方法可有效弥补单一监测方法的不足，获取矿区地表完整的下沉盆地，其全盆地沉降监测精度与单一监测方法相比显著提高。
矿区开采;地表移动;沉陷规律;合成孔径雷达干涉测量;概率积分法
中国矿业大学;中国矿业大学(江苏)
硕士
大地测量学与测量工程
谭志祥
2023
中文
TD325.4
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）