井工開采礦山地面沉陷監(jiān)測方法研究

王 君

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 濟寧 272100）

對于地下開采的井工礦山，隨著開采的進行，礦體上覆巖（土）體會發(fā)生垮落、裂隙和彎曲，即形成“三帶”。開采范圍擴大到一定范圍達到充分采動后，井下巖體的移動和破壞逐步波及地表，形成一個大于開采范圍的沉陷區(qū)域。

開采沉陷嚴重破壞礦區(qū)環(huán)境，引起地面沉陷，產(chǎn)生水平位移，破壞耕地，甚至造成地面建構(gòu)筑物損毀。因此，必須進行地面沉陷監(jiān)測，掌握由于地下采礦引起的地表移動變形規(guī)律，指導礦山安全生產(chǎn)及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，保證礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 常用測繪方法研究

1.1 傳統(tǒng)水準測量法

使用傳統(tǒng)水準測量方法進行開采沉陷監(jiān)測時，首先根據(jù)開采范圍和地質(zhì)采礦條件布設(shè)地面觀測站，結(jié)合地下開采進展，按照設(shè)計的觀測周期，使用DS3水準儀按照三、四等水準測量方法進行測量。

該方法測量效率較低，不適合進行大范圍的地面沉陷監(jiān)測，但是測量成果經(jīng)過檢核和平差，精度較高，穩(wěn)定可靠，是目前小范圍地面沉陷監(jiān)測最常用的方法。

1.2 SDCORS測量法

目前SDCORS在測繪工作中的應用越來約廣泛。SDCORS以“共建共享”的方式，在全省范圍內(nèi)建立了一百多個GNSS連續(xù)運行參考站，構(gòu)成全省網(wǎng)絡化的大地基準和空間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。根據(jù)精度檢核結(jié)果，SDCORS實時定位的內(nèi)符合精度可以達到平面2cm、高程3cm的精度，實時定位外符合精度可以達到平面3cm、高程8cm的精度，完全可以滿足地面沉陷監(jiān)測的精度。SDCORS組成見圖1。由于SDCORS網(wǎng)絡RTK可以同時測量沉陷監(jiān)測點的平面坐標和高程，測量測量效率較高，但是受衛(wèi)星分布、電離層干擾等因素影響，測量過程中可能會產(chǎn)生粗差，且難以發(fā)現(xiàn)[2]。

1.3 三維激光掃描測量法

使用三維激光掃描法進行地面沉陷監(jiān)測可以獲得精確的面狀點云數(shù)據(jù)，其構(gòu)建的地面模型能夠精細準確的表達地物局部細節(jié)信息。通過野外三維激光掃描、數(shù)據(jù)處理與整合、坐標系轉(zhuǎn)換、噪聲去除、表面建模等方式，即可得到DEM或DSM數(shù)據(jù)，見圖2。

通過兩期或者多期觀測數(shù)據(jù)的對比，即可得到地面開采沉陷數(shù)據(jù)。開采沉陷有一定的規(guī)律性，也表現(xiàn)出面狀變化的特點，但有限的監(jiān)測點很難完全真實準確地反映出整個監(jiān)測表面各部分的變形狀況。而三維激光掃描方法相較于傳統(tǒng)測量方法，具有自動連續(xù)、全數(shù)字化、非接觸、高密度、采集數(shù)據(jù)速度快、實時動態(tài)、高精度、信息量大等優(yōu)點能真實反映整個表面的變化狀況，且精度可以達到厘米級，但是數(shù)據(jù)處理比較復雜，儀器設(shè)備昂貴，制約了三維激光掃描技術(shù)的應用和推廣[3]。

圖2 開采沉陷下沉盆地DEM數(shù)據(jù)

1.4 InSAR監(jiān)測

D-InSAR技術(shù)是由InSAR技術(shù)發(fā)展而來的，它是以合成孔徑雷達復數(shù)圖像的相位信息獲取地表變化信息的技術(shù)。根據(jù)成像時間分類，InSAR可以分為單次軌道和重復軌道兩種模式。單次軌道干涉是指在同一機載或星載平臺上裝載兩幅天線，其中一幅天線發(fā)射信號，兩幅天線都接受地面回波信號，并利用獲取的數(shù)據(jù)進行干涉處理[4]。

重復軌道干涉是指同一傳感器或相似傳感器按照平行軌道兩次對地成像，分別發(fā)、收信號，利用得到的數(shù)據(jù)進行干涉處理。目前，常用的D-InSAR地表形變監(jiān)測通常為星載單天線重復軌道模式[5]。

D-InSAR監(jiān)測地表變形的實質(zhì)是利用覆蓋同一地區(qū)的兩景雷達影像生成干涉相位圖，進而提取地表變形信息。在此過程中需要將大氣延遲、地形起伏、軌道誤差、平地效應及噪聲等因素引起的相位值從干涉圖中剔除，得到地面目標點在兩景影像成像期間變形量的空間分布[6]。

因此，需要經(jīng)過影像間的配準與重采樣、干涉圖生成、去平地效應、相位濾波與解纏、投影變換等關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理步驟。其工作流程如下圖3所示。

圖3 差分干涉測量地表變形提取流程圖

InSAR技術(shù)具有覆蓋范圍大、監(jiān)測精度高、空間分辨率高等獨特優(yōu)勢，可以將該技術(shù)應用于開采引起可探測范圍內(nèi)（開采區(qū)域邊界或者小量級沉陷區(qū)）的地理空間信息更新。InSAR技術(shù)適用于監(jiān)測變化量比較小的地面沉陷，對于沉陷量較大的區(qū)域[7]，容易產(chǎn)生“空洞區(qū)”，需要借助地面調(diào)查、補充測繪等方法進行補充。圖4為D-InSAR技術(shù)提取空間地表形變示例。

圖4 小量級開采沉陷區(qū)提取

2 結(jié)論

開采沉陷監(jiān)測方法較多，目前常用的方法主要有傳統(tǒng)水準測量、SDCORS-RTK、三維激光掃描、InSAR等開采沉陷監(jiān)測等方法。傳統(tǒng)水準測量方法精度較高，但是測量效率較低，適用于小范圍高精度監(jiān)測[8-10]，多用于求取沉陷預測參數(shù)；SDCORS-RTK測量可以同時獲取平面和高程數(shù)據(jù)，但是仍為點測量模式，測量效率較低，且測量結(jié)果可能存在粗差；三維激光掃描測量可以獲取豐富的點云數(shù)據(jù)，精度較高，但是設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)處理復雜，制約了其推廣應用；InSAR監(jiān)測具有覆蓋范圍大、監(jiān)測精度高、空間分辨率高等獨特優(yōu)勢，適用于監(jiān)測變化量比較小的地面沉陷，但是對于沉陷量較大的區(qū)域，容易產(chǎn)生“空洞區(qū)”，需要借助地面調(diào)查、補充測繪等方法進行補充。在實際大范圍的開采沉陷監(jiān)測中，通常綜合運用多種方法，互相配合檢核，從而更好的獲取沉陷數(shù)據(jù)。