地表開采沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘 "要：隨著地下礦產(chǎn)資源開采進(jìn)入迅猛發(fā)展時(shí)期，地表沉陷、滑坡、裂縫等問題引起研究者的關(guān)注。研究者力圖通過多期觀測(cè)及成果分析，探尋地表運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，從而預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。基于此，該文對(duì)近年來礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)的知識(shí)背景和理論方法進(jìn)行綜述，并結(jié)合工程案例分析傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、UAV-LiDAR、D-InSAR技術(shù)在地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。對(duì)不同技術(shù)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡單地總結(jié)，為相關(guān)領(lǐng)域的研究者提供最新研究進(jìn)展和技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：礦山開采沉陷；UAV-LiDAR；D-InSAR；地表沉陷監(jiān)測(cè)；觀測(cè)數(shù)值

中圖分類號(hào)：P237 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2023）20-0183-04

Abstract： With the rapid development of underground mineral resources exploitation， surface subsidence， landslides， cracks and other problems have attracted the attention of researchers. The researchers try to explore the law of surface movement through multi-period observation and result analysis， so as to prevent the occurrence of geological disasters. Based on this， this paper summarizes the knowledge background and theoretical methods of mine surface subsidence monitoring technology in recent years， and analyzes the application of traditional monitoring， UAV and InSAR technology in surface subsidence monitoring with engineering cases. This paper briefly summarizes the applicable scope， advantages and disadvantages of different technologies， and provides the latest research progress and technical reference for researchers in related fields.

Keywords： mining subsidence; UAV-LiDAR; InSAR; surface subsidence monitoring; observation value

地面沉陷監(jiān)測(cè)一般是指對(duì)地表運(yùn)移的監(jiān)測(cè)。在煤礦開采時(shí)，由于采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，不平衡的應(yīng)力分布會(huì)使圍巖與地表發(fā)生連續(xù)的移動(dòng)、變形與破壞，由此造成不同程度的開采沉陷。開展地表變形監(jiān)測(cè)，對(duì)于了解巖層和地表運(yùn)移規(guī)律、維護(hù)安全生產(chǎn)、有效利用礦產(chǎn)資源以及改善沉陷區(qū)環(huán)境具有至關(guān)重要的作用。目前，常見的沉陷監(jiān)測(cè)手段一般包括傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、UAV-LiDAR、D-InSAR等方式，通過設(shè)計(jì)合理監(jiān)測(cè)方案、布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)地表形變監(jiān)測(cè)。

近50年內(nèi)，測(cè)繪技術(shù)快速發(fā)展，許多新型的測(cè)量技術(shù)與手段不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外逐步發(fā)展的空間大地測(cè)量手段推動(dòng)了開采沉陷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。A.Chrzanowsk利用GPS技術(shù)較為全面地監(jiān)測(cè)了加拿大某礦區(qū)地表移動(dòng)。DSK煤礦公司運(yùn)用D-InSAR技術(shù)對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了大范圍監(jiān)測(cè)，獲得了地表沉陷信息量。澳大利亞Gelinlin等在使用GPS監(jiān)測(cè)時(shí)結(jié)合了D-InSAR技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)礦區(qū)開采造成的地表沉陷，并且得到高準(zhǔn)確度的地表沉陷數(shù)據(jù)。靳建明等分析了GIS技術(shù)應(yīng)用于開采沉陷領(lǐng)域中遇到的重點(diǎn)難題，并對(duì)GIS技術(shù)中各個(gè)功能模塊進(jìn)行了介紹，為求解回采區(qū)地表移動(dòng)變形問題作出了思路詳解。張亞鳳等運(yùn)用SBAS-InSAR系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某工作面開采時(shí)期的沉降情況進(jìn)行了分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，提出SAR干涉的影響因素。董玉森等使用差分雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)對(duì)沉降區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，獲取其沉降過程，并與澳大利亞Appin礦區(qū)沉陷情況進(jìn)行比較，得出了采礦技術(shù)對(duì)地表沉陷的影響關(guān)系。隨著多種監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，如何充分利用測(cè)繪技術(shù)突破理論研究與技術(shù)瓶頸，建立適應(yīng)國內(nèi)礦山開采環(huán)境的監(jiān)測(cè)方法成為亟需解決的重要問題。基于此，本文擬分類、匯總當(dāng)前沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)的近期進(jìn)展，介紹主流的技術(shù)應(yīng)用方案及案例分析結(jié)果。通過對(duì)不同方法的適用條件進(jìn)行總結(jié)，為相關(guān)研究者進(jìn)行方法選擇和參考借鑒。

1 "礦山地面沉陷監(jiān)測(cè)方法綜述

1.1 "常規(guī)測(cè)量方法

地表沉陷的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法是在地表設(shè)置觀測(cè)站，周期性地監(jiān)測(cè)礦區(qū)工作面上方地表的移動(dòng)變形，通過這種方法獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)勢(shì)。一般來說，測(cè)量通常可采用水準(zhǔn)直接測(cè)高和全站儀三角高程測(cè)量2種方法。水準(zhǔn)測(cè)量受地形起伏影響較大，轉(zhuǎn)戰(zhàn)多，施測(cè)慢，高程傳遞精度受垂直折光累積誤差、標(biāo)尺與儀器下沉誤差等影響，不利于地形崎嶇的丘陵、山地測(cè)量。全站儀三角高程測(cè)量方法受地形起伏影響較小，主要用于礦區(qū)水平位移變形的監(jiān)測(cè)。當(dāng)觀測(cè)精度ma≤±2.0″、邊長在2 km范圍內(nèi)，可替代四等水準(zhǔn)測(cè)量；當(dāng)觀測(cè)精度ma≤±1.5″、邊長在1.2 km范圍內(nèi)，可滿足三等水準(zhǔn)測(cè)量精度要求。后續(xù)的分析方法有線性回歸法、有限元法、灰色理論等，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)與擬合得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的變形趨勢(shì)。但該技術(shù)涉及一定的經(jīng)濟(jì)效益，地表觀測(cè)站需要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，觀測(cè)沉降周期越長，資源消耗越大。并且礦區(qū)觀測(cè)點(diǎn)還存在易損壞、丟失，不易保存等問題，使觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性受到影響。

1.2 "UAV-LiDAR測(cè)量技術(shù)

隨著無人機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，眾多學(xué)者提出無人機(jī)搭載三維激光掃描儀進(jìn)行地表變形監(jiān)測(cè)。UAV-LiDAR是以多旋翼無人機(jī)平臺(tái)為載體，配有一體化集成的高精度激光掃描儀、GPS、慣性測(cè)量單元（IMU）等設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠快速獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對(duì)影響數(shù)據(jù)的處理進(jìn)一步得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表沉陷變形和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境信息。通過設(shè)計(jì)無人機(jī)的航飛路線，得到整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，通過對(duì)同一個(gè)區(qū)域地表在不同時(shí)間進(jìn)行二次數(shù)字化掃描，得到2個(gè)時(shí)刻地表的數(shù)字地面模型DEM值，用2期DEM值相減，即可得出所監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表下沉數(shù)值。最后根據(jù)動(dòng)態(tài)求參原理，獲得地表移動(dòng)變形基本參數(shù)。這種技術(shù)受地形因素影響小，能夠通過激光穿透反射地表信息，不需固定測(cè)點(diǎn)、不懼地物遮擋，能夠獲得豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)還具備易操作、攜帶方便、成果與數(shù)據(jù)處理效率較高等優(yōu)勢(shì)。但UAV攝影測(cè)量技術(shù)對(duì)于相機(jī)分辨率依賴度較高，其高程精度普遍處于分米級(jí)水平，對(duì)于單點(diǎn)的監(jiān)測(cè)精度不高，一般適用于針對(duì)大面積區(qū)域的沉陷觀測(cè)。

1.3 "D-InSAR測(cè)量技術(shù)

InSAR/D-InSAR技術(shù)主要依靠微波成像的二維高分辨率雷達(dá)對(duì)地進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)到的地表為雷達(dá)視線方向在正東、正北和垂直向形變量的矢量和。這種技術(shù)通過將同一地區(qū)地表沉陷前后兩景雷達(dá)影像生成的干涉相位圖中的形變信息提取對(duì)比，去除干涉圖中由大氣延遲、平地效應(yīng)、軌道誤差、地形起伏及噪聲等因素引起的相位值，獲取地面目標(biāo)點(diǎn)在地表沉陷期間的形變量。具有分辨率高、覆蓋范圍廣、形變敏感度高等優(yōu)勢(shì)，此外其還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地全天候全天時(shí)的觀測(cè)。但在關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，其局限性也不可忽略。在實(shí)際操作過程中，InSAR系統(tǒng)易受到時(shí)空失相干與大氣延遲的影響，且對(duì)于垂直視線方向的形變感知度低，一般需要結(jié)合三維形變信息獲取實(shí)現(xiàn)對(duì)形變特征的全面記錄，并重復(fù)驗(yàn)證觀測(cè)數(shù)據(jù)、補(bǔ)償誤差影響。目前，提出的誤差消除方法包括小基線技術(shù)、永久散射體技術(shù)、臨時(shí)相干點(diǎn)技術(shù)，這些方法旨在將誤差項(xiàng)與地表形變信號(hào)有效分離，進(jìn)而獲得更加精準(zhǔn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2 "礦井地表沉陷監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用

2.1 "工程概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，采用綜采一次采全高工藝。南北長19 km，東西寬8.6～13 km，面積約為140.759 km2。井田位于鄂爾多斯高原的東部，區(qū)內(nèi)人口密度低、植被較少，屬沙漠-半沙漠地區(qū)。地形呈西北高、東南低的斜坡狀，最高點(diǎn)位于蘭家圪卜四隊(duì)東北處，海拔標(biāo)高為1 516.8 m；最低點(diǎn)位于勘探區(qū)東南部邊緣喇嘛廟河?xùn)|渠內(nèi)，海拔標(biāo)高為1 298.9 m；最大地形高差217.9 m。本文選擇3-1501工作面上方地表作為觀測(cè)對(duì)象，3-1煤層平均埋深760 m，最大可采厚度7.5 m，最小厚度6.1 m，平均厚度6.75 m。3-1501工作面在衛(wèi)星影像位置如圖1所示，其劃分如圖2所示。

2.2 "研究區(qū)地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)方案

針對(duì)礦區(qū)3-15采區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)技術(shù)的選擇，主要為傳統(tǒng)觀測(cè)、D-InSAR、UAV-LiDAR3種監(jiān)測(cè)方法。

2.2.1 "傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案

結(jié)合實(shí)際情況，確定測(cè)區(qū)走向觀測(cè)線5 500 m；傾向觀測(cè)線長2 300 m。在測(cè)區(qū)的邊界、停采線、開切眼、工作面正上方及盆地中心等關(guān)鍵區(qū)域布設(shè)點(diǎn)位。共布設(shè)3條監(jiān)測(cè)線，119個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)之間間距為25 m。開切眼一側(cè)邊界區(qū)域布設(shè)ZJ1～ZJ10測(cè)點(diǎn)；開切眼處布設(shè)ZJ11～ZJ20測(cè)點(diǎn)；停采線區(qū)域布設(shè)ZJ21～ZJ30測(cè)點(diǎn)；停采線一側(cè)的邊界區(qū)域布設(shè)ZJ31～ZJ40測(cè)點(diǎn)，具體位置如圖3所示。

2.2.2 "UAV-LiDAR監(jiān)測(cè)方案

確定地表監(jiān)測(cè)范圍為5 500 m×2 300 m，共12.65 km2。設(shè)計(jì)飛行高度為70 m，重疊率為30%，共飛行4個(gè)架次，單次用時(shí)60 min。

2.2.3 "D-InSAR監(jiān)測(cè)方案

選取哨兵1號(hào)（Sentinel-1）單視復(fù)數(shù)降軌SAR數(shù)據(jù)提供天氣、監(jiān)測(cè)區(qū)全天連續(xù)圖像，共監(jiān)測(cè)6次，周期為12 d。數(shù)據(jù)信息與UAV觀測(cè)時(shí)間保持一致，便于對(duì)比。

2.3 "數(shù)據(jù)分析

為分析傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)、UAV-LiDAR監(jiān)測(cè)、D-InSAR監(jiān)測(cè)這3種技術(shù)監(jiān)測(cè)礦區(qū)開采沉陷的優(yōu)劣勢(shì)，本文以傳統(tǒng)觀測(cè)站在工作面走向方向上布置的測(cè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)，提取自2021年7月8日—12月4日監(jiān)測(cè)到的沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

比較3種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于位于盆地中心區(qū)域的測(cè)站點(diǎn)ZJ40～ZJ50的下沉，UAV-LiDAR監(jiān)測(cè)的下沉量與下沉趨勢(shì)與傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果基本一致。而InSAR系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于實(shí)際下沉值，存在較大誤差。結(jié)合InSAR的技術(shù)原理推測(cè)，這是由于InSAR技術(shù)自身?xiàng)l件存在限制，使其對(duì)于地中心下沉形變梯度的監(jiān)測(cè)不夠準(zhǔn)確，故InSAR不適用于監(jiān)測(cè)沉降梯度較大的區(qū)域，即InSAR系統(tǒng)不能單一運(yùn)用于沉陷盆地中心大變形的監(jiān)測(cè)。

在下沉盆地邊緣位置的ZJ1～ZJ12和ZJ63～ZJ73測(cè)點(diǎn)處，InSAR監(jiān)測(cè)的下沉值與傳統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的趨近程度為98.25%，而UAV-LiDAR監(jiān)測(cè)的測(cè)站點(diǎn)ZJ58～ZJ73點(diǎn)位的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較大，且數(shù)據(jù)本身上下波動(dòng)幅度較大。這是由于測(cè)站點(diǎn)ZJ58～ZJ73位于沉陷盆地邊界位置，下沉值介于幾毫米到幾十毫米之間，UAV-LiDAR技術(shù)的監(jiān)測(cè)精度不足以支撐測(cè)量，故采用UAV-LiDAR技術(shù)監(jiān)測(cè)沉陷盆地邊界區(qū)域微小變形不夠準(zhǔn)確。由此來看，InSAR技術(shù)在監(jiān)測(cè)下沉變化較小的沉陷邊界區(qū)域相比于UAV-LiDAR監(jiān)測(cè)具有優(yōu)勢(shì)。

3 "結(jié)論

本文通過對(duì)礦區(qū)沉陷監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行介紹與對(duì)比，得到如下結(jié)論。

1）傳統(tǒng)觀測(cè)方法是通過布設(shè)觀測(cè)站的方式進(jìn)行地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)，對(duì)地表沉陷盆地最大下沉數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)不夠精準(zhǔn)；UAV-LiDAR技術(shù)在獲取開采沉陷盆地中心下沉情況中具有優(yōu)勢(shì)；而InSAR、D-InSAR及相關(guān)改良技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的監(jiān)測(cè)與分析，獲取數(shù)據(jù)周期短、速度快，且針對(duì)下沉盆地邊緣處的監(jiān)測(cè)數(shù)值與傳統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相近。

2）由于地表形態(tài)復(fù)雜多變、監(jiān)測(cè)方法各有優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行沉陷監(jiān)測(cè)方法的選取時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案，以便在符合精度指標(biāo)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)礦區(qū)整體以及重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

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