多源監(jiān)測(cè)技術(shù)在綠色礦山中的研究

杜兵 黃顯行

星村煤礦“三下”采煤任務(wù)繁重，煤田巖層移動(dòng)參數(shù)還不完善，給后續(xù)開采設(shè)計(jì)工作帶來很多不利。礦山開采會(huì)引起礦區(qū)地表移動(dòng)與變形，給礦區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸業(yè)及人民生活方面，造成影響，從而引發(fā)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境問題，偏離國(guó)家綠色礦山的宗旨。星村煤礦為加快綠色礦山建設(shè)，針對(duì)以上問題進(jìn)行多源監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，找到符合星村煤礦自己的各類綠色礦山建設(shè)指標(biāo)。本項(xiàng)目研究了一套更先進(jìn)、更精確、更簡(jiǎn)易、更科學(xué)的多源監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)掌握回采工作面地面沉陷形變，達(dá)到綠色開采，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井。

• 項(xiàng)目概述

針對(duì)傳統(tǒng)的地面沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源采集受大氣及地表環(huán)境影響大、累計(jì)誤差大、精度低、工作量大、人工成本高、時(shí)效性差、不具備連續(xù)性等缺點(diǎn)。研究了一套更先進(jìn)、更精確、更簡(jiǎn)易、更科學(xué)的多源監(jiān)測(cè)技術(shù)：利用D-InSAR技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全面測(cè)量，同時(shí)對(duì)地面需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域按保護(hù)等級(jí)劃分為低、中等、高、特高四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)需要的數(shù)據(jù)精度、數(shù)據(jù)在空間與時(shí)間上的間隔等要求，采用不同的多源組合監(jiān)測(cè)，獲得最小成本、最好效率，最優(yōu)精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了條帶開采數(shù)值模型，求得巖層移動(dòng)參數(shù)為合理安排礦井整體開采布局、提高經(jīng)濟(jì)效益、提供礦井安全回采的科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)礦山的綠色開采，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大化。

• 多源監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究

（一）運(yùn)用D-InSAR技術(shù)建立開采數(shù)值模型

通過運(yùn)用D-InSAR技術(shù)，驗(yàn)證D-InSAR礦區(qū)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果總體可靠性;建立了條帶開采數(shù)值模型，分析了開采深度、開采厚度、松散層厚度、深厚比對(duì)地表移動(dòng)的影響，揭示了覆巖演變規(guī)律，綜合分析了下沉系數(shù)的變化規(guī)律、水平移動(dòng)變化規(guī)律、主要影響角正切的變化規(guī)律、拐點(diǎn)偏移距的變化規(guī)律和最大下沉角的變化規(guī)律、對(duì)各個(gè)參數(shù)模型按擬合誤差最小的原則確定了最優(yōu)模型。

國(guó)內(nèi)外尚無同時(shí)基于GIS系統(tǒng)與FLAC3D顧及多種地質(zhì)采礦條件的影響實(shí)現(xiàn)采空區(qū)上方至地表的開采沉陷可視化技術(shù)。本項(xiàng)目為星村煤礦的開采技術(shù)提供了有效的理論依據(jù)，為以后的采煤工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）建立多源異構(gòu)煤礦安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

礦山多源監(jiān)測(cè)技術(shù)，以解決現(xiàn)有采集功能無法模塊化重用、采集數(shù)據(jù)格式多變處理效率低、采集數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)共享的問題。為解決上述技術(shù)問題，項(xiàng)目設(shè)計(jì)多源異構(gòu)煤礦安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括以下步驟：

1、建立包括各種采集協(xié)議規(guī)范和采集協(xié)議組件的采集協(xié)議庫;

2、建立包括與若干數(shù)據(jù)源相匹配的采集模板的采集模板庫;

3、加載采集模板庫獲取若干采集模板中定義的數(shù)據(jù)交互內(nèi)容，并根據(jù)數(shù)據(jù)交互內(nèi)容設(shè)置調(diào)用參數(shù);

4、根據(jù)調(diào)用參數(shù)從煤礦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)源獲取原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集模板、采集協(xié)議規(guī)范和采集協(xié)議組件將采集到的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一格式的目標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

5、根據(jù)采集模板中定義的目標(biāo)數(shù)據(jù)校驗(yàn)規(guī)則對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾噪、 排錯(cuò)、單位轉(zhuǎn)換、格式轉(zhuǎn)換后得到處理后的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

（三）多源監(jiān)測(cè)創(chuàng)新技術(shù)

1、地表巖移觀測(cè);通過已回采工作面布設(shè)多條觀測(cè)線，分析確定了各工作面的地表移動(dòng)角值及概率積分法巖移參數(shù)，根據(jù)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及FLAC數(shù)值模擬中間巖體彈塑性變形規(guī)律與特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面開采覆巖及地表變形的可視化。

2、地表移動(dòng)InSAR監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析：利用Envi和SARscape軟件對(duì)雷達(dá)影像進(jìn)行差分干涉處理，得到礦區(qū)的D-InSar監(jiān)測(cè)結(jié)果。

3、FLAC數(shù)值模擬;模擬方案的設(shè)計(jì)，力學(xué)模型的建立及本構(gòu)模型、各巖層物理力學(xué)參數(shù)的合理選取，模擬結(jié)果分析覆巖多個(gè)條帶及多種因素對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律研究。

4、深部條帶開采主要影響因素與下沉系數(shù)關(guān)系研究;建立不同的采深、采留寬、采區(qū)尺寸及開采厚度的數(shù)值模擬模型，探討下沉系數(shù)與其之間的關(guān)系，利用Matlab回歸分析得出下沉系數(shù)與其之間的函數(shù)關(guān)系式。

5、技術(shù)路線：

三、實(shí)施效果及推廣價(jià)值

綠色礦山建設(shè)中多源監(jiān)測(cè)的技術(shù)研究成果及時(shí)引導(dǎo)當(dāng)?shù)厝罕娮骱棉r(nóng)田耕種，穩(wěn)定了礦區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。推廣本項(xiàng)目成果于滕南礦區(qū)、濟(jì)寧礦區(qū)和類似條件的礦區(qū)，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)我國(guó)東部礦區(qū)的挖潛改造和煤炭資源的充分利用具有重要的推動(dòng)作用。

該研究成果一方面既能使煤炭資源最大可能的有效回收，又能更好的指導(dǎo)礦區(qū)的生產(chǎn)開采;另一方面，也為地表建筑物安全損害評(píng)定提供了依據(jù)。對(duì)其它礦井的開采布置及深井開采設(shè)計(jì)有著重大的指導(dǎo)作用。