地表開采沉陷監(jiān)測技術(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及成果分析，探尋地表運(yùn)動的規(guī)律，從而預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生?；诖?，該文對近年來礦山地面沉陷監(jiān)測技術(shù)的知識背景和理論方法進(jìn)行綜述，并結(jié)合工程案例分析傳統(tǒng)監(jiān)測、UAV-LiDAR、D-InSAR技術(shù)在地表沉陷監(jiān)測中的應(yīng)用。對不同技術(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；觀測數(shù)值

中圖分類號：P237 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號：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)測一般是指對地表運(yùn)移的監(jiān)測。在煤礦開采時，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)力分布會使圍巖與地表發(fā)生連續(xù)的移動、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，對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)測手段一般包括傳統(tǒng)監(jiān)測、UAV-LiDAR、D-InSAR等方式，通過設(shè)計(jì)合理監(jiān)測方案、布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)地表形變監(jiān)測。

近50年內(nèi)，測繪技術(shù)快速發(fā)展，許多新型的測量技術(shù)與手段不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外逐步發(fā)展的空間大地測量手段推動了開采沉陷監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展。A.Chrzanowsk利用GPS技術(shù)較為全面地監(jiān)測了加拿大某礦區(qū)地表移動。DSK煤礦公司運(yùn)用D-InSAR技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行了大范圍監(jiān)測，獲得了地表沉陷信息量。澳大利亞Gelinlin等在使用GPS監(jiān)測時結(jié)合了D-InSAR技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測礦區(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GIS技術(shù)中各個功能模塊進(jìn)行了介紹，為求解回采區(qū)地表移動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)測數(shù)據(jù)對某工作面開采時期的沉降情況進(jìn)行了分析，并將監(jiān)測結(jié)果與水準(zhǔn)測量結(jié)果進(jìn)行比對，提出SAR干涉的影響因素。董玉森等使用差分雷達(dá)干涉測量技術(shù)對沉降區(qū)域進(jìn)行實(shí)時數(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)對地表沉陷的影響關(guān)系。隨著多種監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，如何充分利用測繪技術(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)測方法成為亟需解決的重要問題?；诖?，本文擬分類、匯總當(dāng)前沉陷監(jiān)測技術(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)測方法綜述

1.1 "常規(guī)測量方法

地表沉陷的傳統(tǒng)監(jiān)測方法是在地表設(shè)置觀測站，周期性地監(jiān)測礦區(qū)工作面上方地表的移動變形，通過這種方法獲得的觀測數(shù)據(jù)具有準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)勢。一般來說，測量通?？刹捎盟疁?zhǔn)直接測高和全站儀三角高程測量2種方法。水準(zhǔn)測量受地形起伏影響較大，轉(zhuǎn)戰(zhàn)多，施測慢，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、山地測量。全站儀三角高程測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。當(dāng)觀測精度ma≤±2.0″、邊長在2 km范圍內(nèi)，可替代四等水準(zhǔn)測量；當(dāng)觀測精度ma≤±1.5″、邊長在1.2 km范圍內(nèi)，可滿足三等水準(zhǔn)測量精度要求。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)測數(shù)據(jù)的實(shí)測與擬合得到監(jiān)測區(qū)域的變形趨勢。但該技術(shù)涉及一定的經(jīng)濟(jì)效益，地表觀測站需要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，觀測沉降周期越長，資源消耗越大。并且礦區(qū)觀測點(diǎn)還存在易損壞、丟失，不易保存等問題，使觀測數(shù)據(jù)完整性受到影響。

1.2 "UAV-LiDAR測量技術(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。UAV-LiDAR是以多旋翼無人機(jī)平臺為載體，配有一體化集成的高精度激光掃描儀、GPS、慣性測量單元（IMU）等設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠快速獲取監(jiān)測區(qū)域地表三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對影響數(shù)據(jù)的處理進(jìn)一步得到監(jiān)測區(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，得到整個監(jiān)測區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。然后，通過對同一個區(qū)域地表在不同時間進(jìn)行二次數(shù)字化掃描，得到2個時刻地表的數(shù)字地面模型DEM值，用2期DEM值相減，即可得出所監(jiān)測區(qū)域的地表下沉數(shù)值。最后根據(jù)動態(tài)求參原理，獲得地表移動變形基本參數(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，不需固定測點(diǎn)、不懼地物遮擋，能夠獲得豐富的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時還具備易操作、攜帶方便、成果與數(shù)據(jù)處理效率較高等優(yōu)勢。但UAV攝影測量技術(shù)對于相機(jī)分辨率依賴度較高，其高程精度普遍處于分米級水平，對于單點(diǎn)的監(jiān)測精度不高，一般適用于針對大面積區(qū)域的沉陷觀測。

1.3 "D-InSAR測量技術(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)對地進(jìn)行觀測，觀測到的地表為雷達(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，此外其還能夠?qū)崿F(xiàn)對地全天候全天時的觀測。但在關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢的同時，其局限性也不可忽略。在實(shí)際操作過程中，InSAR系統(tǒng)易受到時空失相干與大氣延遲的影響，且對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)對形變特征的全面記錄，并重復(fù)驗(yàn)證觀測數(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)與地表形變信號有效分離，進(jìn)而獲得更加精準(zhǔn)的觀測數(shù)據(jù)。

2 "礦井地表沉陷監(jiān)測方法應(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對象，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)地表移動監(jiān)測方案

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

2.2.1 "傳統(tǒng)監(jiān)測方案

結(jié)合實(shí)際情況，確定測區(qū)走向觀測線5 500 m；傾向觀測線長2 300 m。在測區(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)測線，119個監(jiān)測點(diǎn)，各測點(diǎn)之間間距為25 m。開切眼一側(cè)邊界區(qū)域布設(shè)ZJ1～ZJ10測點(diǎn)；開切眼處布設(shè)ZJ11～ZJ20測點(diǎn)；停采線區(qū)域布設(shè)ZJ21～ZJ30測點(diǎn)；停采線一側(cè)的邊界區(qū)域布設(shè)ZJ31～ZJ40測點(diǎn)，具體位置如圖3所示。

2.2.2 "UAV-LiDAR監(jiān)測方案

確定地表監(jiān)測范圍為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個架次，單次用時60 min。

2.2.3 "D-InSAR監(jiān)測方案

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

2.3 "數(shù)據(jù)分析

為分析傳統(tǒng)監(jiān)測、UAV-LiDAR監(jiān)測、D-InSAR監(jiān)測這3種技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)開采沉陷的優(yōu)劣勢，本文以傳統(tǒng)觀測站在工作面走向方向上布置的測站點(diǎn)的監(jiān)測數(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)測到的沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖4所示。

比較3種監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，對于位于盆地中心區(qū)域的測站點(diǎn)ZJ40～ZJ50的下沉，UAV-LiDAR監(jiān)測的下沉量與下沉趨勢與傳統(tǒng)測量結(jié)果基本一致。而InSAR系統(tǒng)的監(jiān)測結(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，這是由于InSAR技術(shù)自身?xiàng)l件存在限制，使其對于地中心下沉形變梯度的監(jiān)測不夠準(zhǔn)確，故InSAR不適用于監(jiān)測沉降梯度較大的區(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。

在下沉盆地邊緣位置的ZJ1～ZJ12和ZJ63～ZJ73測點(diǎn)處，InSAR監(jiān)測的下沉值與傳統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的趨近程度為98.25%，而UAV-LiDAR監(jiān)測的測站點(diǎn)ZJ58～ZJ73點(diǎn)位的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果相差較大，且數(shù)據(jù)本身上下波動幅度較大。這是由于測站點(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)測精度不足以支撐測量，故采用UAV-LiDAR技術(shù)監(jiān)測沉陷盆地邊界區(qū)域微小變形不夠準(zhǔn)確。由此來看，InSAR技術(shù)在監(jiān)測下沉變化較小的沉陷邊界區(qū)域相比于UAV-LiDAR監(jiān)測具有優(yōu)勢。

3 "結(jié)論

本文通過對礦區(qū)沉陷監(jiān)測方法進(jìn)行介紹與對比，得到如下結(jié)論。

1）傳統(tǒng)觀測方法是通過布設(shè)觀測站的方式進(jìn)行地表移動變形監(jiān)測，對地表沉陷盆地最大下沉數(shù)據(jù)的監(jiān)測不夠精準(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；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)測與分析，獲取數(shù)據(jù)周期短、速度快，且針對下沉盆地邊緣處的監(jiān)測數(shù)值與傳統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)相近。

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

參考文獻(xiàn)：

[1] HU J J，HU J，LI Z W，et al.Recent progress in land slide monitoring with InSAR[J].Acta Geodaeticaet Cartographica Sinica，2022，51（10）：2001-2019.

[2] ZHANG Q，ZHANG R X，LIU J M，et al.Review on coal and rock identification technology for intelligent mining in coal mines[J].Coal Science and Technology，2022，50（2）：1-26.

[3] JIA H H，SHI H，WANG H，et al.Analysis on ground movement law induced by mining based on laser radar monitoring[J].Science Technology and Engineering，2021，21（27）：11578-11586.

[4] ZHOU D W，AN S K，WU K，et al.Key technology and application of InSAR/UAV fusion monitoring for coal mining damages[J].Coal Science and Technology，2022，50（10）：121-134.

[5] GUO S C，ZHANG S L，HOU H P，et al.Monitoring ground deformation of non-urban areas based on temporarily coherent targets[J].Acta Geodaetica Et Cartographica Sinica，2019，48（1）：106-116.

[6] 張繼賢，劉飛，王堅(jiān).輕小型無人機(jī)測繪遙感系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào)，2021，25（3）：708-724.

[7] 高銀貴，周大偉，安士凱，等.煤礦開采地表沉陷UAV-攝影測量監(jiān)測技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2022，50（5）：57－65.

[8] 胡大賀，吳侃，陳冉麗.三維激光掃描用于開采沉陷監(jiān)測研究[J].煤礦開采，2013，18（1）：20-22，35.

[9] 焦曉雙，胡海峰，廉旭剛.基于三維激光掃描技術(shù)的礦區(qū)建筑物變形監(jiān)測方法[J].金屬礦山，2018（4）：150-153.

[10] 孫杰，李亮.基于三維激光點(diǎn)云的礦區(qū)建筑物形變特征提取方法[J].激光雜志，2019，40（4）：36-40.

[11] 王麗霞，王晨輝，劉招，等.像控點(diǎn)刺點(diǎn)影像選取對無人機(jī)測量精度的影響[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（10）：237-240.

[12] 王昆，楊鵬，呂文生，等.無人機(jī)遙感在礦業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2020，42（9）：1085-1095.

[13] 亓立壯，安士凱，田超，等.基于無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)的開采沉陷監(jiān)測方法與參數(shù)反演[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（12）：4752-4761.

[14] 王霞迎，趙超英，尹慧芳.地表形變時間序列InSAR監(jiān)測法綜述[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2018，33（4）：1430-143.

[15] 何君毅，張社榮，王超，等.UAV航攝圖像融合激光掃描邊坡表面位移監(jiān)測法[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2020，30（5）：156－162.

[16] 任彤，李維.基于三維激光掃描、無人機(jī)航測的三維地形測繪技術(shù)融合研究[C]//中國水利學(xué)會，2016學(xué)術(shù)年會論文集：下冊，2016：1235-1248.

[17] 楊鋒，繆志修，林春峰，等.結(jié)合無人機(jī)和地面三維激光掃描技術(shù)獲取高精度DEM及DOM[J].鐵道勘察，2013，39（4）：27－29.

[18] 趙小平，閆麗麗，劉文龍.三維激光掃描技術(shù)邊坡監(jiān)測研究[J].測繪科學(xué)，2010，35（4）：25－27.

[19] 毛亞純，伏雨文，曹旺，等.基于無人機(jī)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的露天采場礦車提取方法[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，42（6）：842-848，863.