地表開采沉陷監測技術研究

摘 "要：隨著地下礦產資源開采進入迅猛發展時期，地表沉陷、滑坡、裂縫等問題引起研究者的關注。研究者力圖通過多期觀測及成果分析，探尋地表運動的規律，從而預防地質災害的發生?；诖?，該文對近年來礦山地面沉陷監測技術的知識背景和理論方法進行綜述，并結合工程案例分析傳統監測、UAV-LiDAR、D-InSAR技術在地表沉陷監測中的應用。對不同技術的適用范圍及優缺點進行簡單地總結，為相關領域的研究者提供最新研究進展和技術參考。

關鍵詞：礦山開采沉陷；UAV-LiDAR；D-InSAR；地表沉陷監測；觀測數值

中圖分類號：P237 " " "文獻標志碼：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

地面沉陷監測一般是指對地表運移的監測。在煤礦開采時，由于采空區范圍不斷擴大，圍巖的應力狀態發生改變，不平衡的應力分布會使圍巖與地表發生連續的移動、變形與破壞，由此造成不同程度的開采沉陷。開展地表變形監測，對于了解巖層和地表運移規律、維護安全生產、有效利用礦產資源以及改善沉陷區環境具有至關重要的作用。目前，常見的沉陷監測手段一般包括傳統監測、UAV-LiDAR、D-InSAR等方式，通過設計合理監測方案、布設監測點來實現地表形變監測。

近50年內，測繪技術快速發展，許多新型的測量技術與手段不斷涌現，國內外逐步發展的空間大地測量手段推動了開采沉陷監測領域的發展。A.Chrzanowsk利用GPS技術較為全面地監測了加拿大某礦區地表移動。DSK煤礦公司運用D-InSAR技術對礦區進行了大范圍監測，獲得了地表沉陷信息量。澳大利亞Gelinlin等在使用GPS監測時結合了D-InSAR技術，能夠實時監測礦區開采造成的地表沉陷，并且得到高準確度的地表沉陷數據。靳建明等分析了GIS技術應用于開采沉陷領域中遇到的重點難題，并對GIS技術中各個功能模塊進行了介紹，為求解回采區地表移動變形問題作出了思路詳解。張亞鳳等運用SBAS-InSAR系統的監測數據對某工作面開采時期的沉降情況進行了分析，并將監測結果與水準測量結果進行比對，提出SAR干涉的影響因素。董玉森等使用差分雷達干涉測量技術對沉降區域進行實時數據分析，獲取其沉降過程，并與澳大利亞Appin礦區沉陷情況進行比較，得出了采礦技術對地表沉陷的影響關系。隨著多種監測技術的快速發展，如何充分利用測繪技術突破理論研究與技術瓶頸，建立適應國內礦山開采環境的監測方法成為亟需解決的重要問題。基于此，本文擬分類、匯總當前沉陷監測技術的近期進展，介紹主流的技術應用方案及案例分析結果。通過對不同方法的適用條件進行總結，為相關研究者進行方法選擇和參考借鑒。

1 "礦山地面沉陷監測方法綜述

1.1 "常規測量方法

地表沉陷的傳統監測方法是在地表設置觀測站，周期性地監測礦區工作面上方地表的移動變形，通過這種方法獲得的觀測數據具有準確、精度高等優勢。一般來說，測量通常可采用水準直接測高和全站儀三角高程測量2種方法。水準測量受地形起伏影響較大，轉戰多，施測慢，高程傳遞精度受垂直折光累積誤差、標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，主要用于礦區水平位移變形的監測。當觀測精度ma≤±2.0″、邊長在2 km范圍內，可替代四等水準測量；當觀測精度ma≤±1.5″、邊長在1.2 km范圍內，可滿足三等水準測量精度要求。后續的分析方法有線性回歸法、有限元法、灰色理論等，通過監測數據的實測與擬合得到監測區域的變形趨勢。但該技術涉及一定的經濟效益，地表觀測站需要耗費大量的人力物力財力，觀測沉降周期越長，資源消耗越大。并且礦區觀測點還存在易損壞、丟失，不易保存等問題，使觀測數據完整性受到影響。

1.2 "UAV-LiDAR測量技術

隨著無人機技術的迅速發展，眾多學者提出無人機搭載三維激光掃描儀進行地表變形監測。UAV-LiDAR是以多旋翼無人機平臺為載體，配有一體化集成的高精度激光掃描儀、GPS、慣性測量單元（IMU）等設備的監測系統，能夠快速獲取監測區域地表三維點云數據，通過對影響數據的處理進一步得到監測區域的地表沉陷變形和礦區生態環境信息。通過設計無人機的航飛路線，得到整個監測區域的點云數據。然后，通過對同一個區域地表在不同時間進行二次數字化掃描，得到2個時刻地表的數字地面模型DEM值，用2期DEM值相減，即可得出所監測區域的地表下沉數值。最后根據動態求參原理，獲得地表移動變形基本參數。這種技術受地形因素影響小，能夠通過激光穿透反射地表信息，不需固定測點、不懼地物遮擋，能夠獲得豐富的點云數據，同時還具備易操作、攜帶方便、成果與數據處理效率較高等優勢。但UAV攝影測量技術對于相機分辨率依賴度較高，其高程精度普遍處于分米級水平，對于單點的監測精度不高，一般適用于針對大面積區域的沉陷觀測。

1.3 "D-InSAR測量技術

InSAR/D-InSAR技術主要依靠微波成像的二維高分辨率雷達對地進行觀測，觀測到的地表為雷達視線方向在正東、正北和垂直向形變量的矢量和。這種技術通過將同一地區地表沉陷前后兩景雷達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、軌道誤差、地形起伏及噪聲等因素引起的相位值，獲取地面目標點在地表沉陷期間的形變量。具有分辨率高、覆蓋范圍廣、形變敏感度高等優勢，此外其還能夠實現對地全天候全天時的觀測。但在關注該項技術優勢的同時，其局限性也不可忽略。在實際操作過程中，InSAR系統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，一般需要結合三維形變信息獲取實現對形變特征的全面記錄，并重復驗證觀測數據、補償誤差影響。目前，提出的誤差消除方法包括小基線技術、永久散射體技術、臨時相干點技術，這些方法旨在將誤差項與地表形變信號有效分離，進而獲得更加精準的觀測數據。

2 "礦井地表沉陷監測方法應用

2.1 "工程概況

研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內，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，區內人口密度低、植被較少，屬沙漠-半沙漠地區。地形呈西北高、東南低的斜坡狀，最高點位于蘭家圪卜四隊東北處，海拔標高為1 516.8 m；最低點位于勘探區東南部邊緣喇嘛廟河東渠內，海拔標高為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工作面在衛星影像位置如圖1所示，其劃分如圖2所示。

2.2 "研究區地表移動監測方案

針對礦區3-15采區地表沉陷監測技術的選擇，主要為傳統觀測、D-InSAR、UAV-LiDAR3種監測方法。

2.2.1 "傳統監測方案

結合實際情況，確定測區走向觀測線5 500 m；傾向觀測線長2 300 m。在測區的邊界、停采線、開切眼、工作面正上方及盆地中心等關鍵區域布設點位。共布設3條監測線，119個監測點，各測點之間間距為25 m。開切眼一側邊界區域布設ZJ1～ZJ10測點；開切眼處布設ZJ11～ZJ20測點；停采線區域布設ZJ21～ZJ30測點；停采線一側的邊界區域布設ZJ31～ZJ40測點，具體位置如圖3所示。

2.2.2 "UAV-LiDAR監測方案

確定地表監測范圍為5 500 m×2 300 m，共12.65 km2。設計飛行高度為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監測方案

選取哨兵1號（Sentinel-1）單視復數降軌SAR數據提供天氣、監測區全天連續圖像，共監測6次，周期為12 d。數據信息與UAV觀測時間保持一致，便于對比。

2.3 "數據分析

為分析傳統監測、UAV-LiDAR監測、D-InSAR監測這3種技術監測礦區開采沉陷的優劣勢，本文以傳統觀測站在工作面走向方向上布置的測站點的監測數據作為分析依據，提取自2021年7月8日—12月4日監測到的沉陷數據進行對比，如圖4所示。

比較3種監測數據可以看出，對于位于盆地中心區域的測站點ZJ40～ZJ50的下沉，UAV-LiDAR監測的下沉量與下沉趨勢與傳統測量結果基本一致。而InSAR系統的監測結果遠小于實際下沉值，存在較大誤差。結合InSAR的技術原理推測，這是由于InSAR技術自身條件存在限制，使其對于地中心下沉形變梯度的監測不夠準確，故InSAR不適用于監測沉降梯度較大的區域，即InSAR系統不能單一運用于沉陷盆地中心大變形的監測。

在下沉盆地邊緣位置的ZJ1～ZJ12和ZJ63～ZJ73測點處，InSAR監測的下沉值與傳統觀測數據的趨近程度為98.25%，而UAV-LiDAR監測的測站點ZJ58～ZJ73點位的數據與傳統監測結果相差較大，且數據本身上下波動幅度較大。這是由于測站點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技術的監測精度不足以支撐測量，故采用UAV-LiDAR技術監測沉陷盆地邊界區域微小變形不夠準確。由此來看，InSAR技術在監測下沉變化較小的沉陷邊界區域相比于UAV-LiDAR監測具有優勢。

3 "結論

本文通過對礦區沉陷監測方法進行介紹與對比，得到如下結論。

1）傳統觀測方法是通過布設觀測站的方式進行地表移動變形監測，對地表沉陷盆地最大下沉數據的監測不夠精準；UAV-LiDAR技術在獲取開采沉陷盆地中心下沉情況中具有優勢；而InSAR、D-InSAR及相關改良技術可以實現大范圍的監測與分析，獲取數據周期短、速度快，且針對下沉盆地邊緣處的監測數值與傳統觀測數據相近。

2）由于地表形態復雜多變、監測方法各有優勢，在進行沉陷監測方法的選取時，要根據實際情況靈活設計監測方案，以便在符合精度指標要求的基礎上，對礦區整體以及重點區域進行有效監測。

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