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(dǎo)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(yīng)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(luò)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(luò)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(fù)雜，儀器設(shè)備昂貴，制約了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)、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(yīng)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(yù)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(fù)雜，制約了其推廣應(yīng)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)。