S1306工作面開(kāi)采沉陷“天-地”協(xié)同監(jiān)測(cè)方案研究

張曉巖，路 鑫

(潞安化工集團(tuán)有限公司 古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000)

古城煤礦自投產(chǎn)至今，全面的地表沉陷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏，工作面開(kāi)采所引起的地表變形規(guī)律不夠明確，對(duì)厚煤層綜放開(kāi)采條件下地面沉陷機(jī)理的研究不夠深入，從而導(dǎo)致適用于本礦區(qū)的地表移動(dòng)角值參數(shù)及開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)尚不完備。高精度的地面水準(zhǔn)和位移監(jiān)測(cè)是研究地表移動(dòng)變形規(guī)律的重要手段，但傳統(tǒng)的“十字線”地表移動(dòng)觀測(cè)站只能獲取主斷面上的“點(diǎn)狀”信息，不能完全反映整個(gè)盆地的移動(dòng)變形特征，導(dǎo)致所求取的角量參數(shù)具有不確定性。

本文以古城煤礦S1306工作面為觀測(cè)工作面，對(duì)地表沉陷“天-地”(“天”指無(wú)人機(jī)低空雷達(dá)測(cè)量；“地”指?jìng)鹘y(tǒng)地面測(cè)量)協(xié)同監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲取高精度、面狀的地表變形信息。研究成果可為后續(xù)沉陷規(guī)律研究和預(yù)計(jì)參數(shù)反演提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，亦對(duì)指導(dǎo)保護(hù)煤柱留設(shè)和“三下”壓煤開(kāi)采、對(duì)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)及環(huán)境后評(píng)價(jià)[1-3]。

1 工程概況

S1306工作面位于古城煤礦南部一采區(qū)，地勢(shì)平坦，地表多為農(nóng)田；周邊村莊和公路較多，東以常廟線農(nóng)村公路為界，南臨西酪余村，西側(cè)有王史村，北臨東李高村。工作面走向長(zhǎng)約2 100 m，傾向?qū)捈s360 m，煤層平均厚度6.15 m，傾角約為5°，平均采深536 m；松散層厚度約90 m.綜合放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板。工作面井上下對(duì)照情況如圖1所示。

圖1 S1306工作面井上下對(duì)照?qǐng)D及測(cè)點(diǎn)布置圖

2 地表巖移觀測(cè)方案

2.1 地表巖移觀測(cè)站設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

根據(jù)礦區(qū)生產(chǎn)資料，結(jié)合本礦S1306工作面具體情況，并參考周邊煤礦(五陽(yáng)煤礦)的地表實(shí)測(cè)沉陷參數(shù)，選取S1306工作面巖移觀測(cè)站的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 S1306工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)

為確保觀測(cè)線沿煤柱一側(cè)的邊界不受開(kāi)采影響，觀測(cè)線應(yīng)有足夠的長(zhǎng)度。因此，按煤礦測(cè)量規(guī)程取各種移動(dòng)角的調(diào)整值：Δγ=Δβ=Δδ=20°.

2.1.2 觀測(cè)站位置設(shè)計(jì)

1) 傾向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)。為保證傾向觀測(cè)線通過(guò)充分采動(dòng)區(qū)，觀測(cè)線到開(kāi)切眼的距離D必須滿足公式(1)[4]：

D≥(H0-h)cot(δ-Δδ)+hcotφ

(1)

式中：H0為工作面平均采深；h為松散層厚度，取90 m；δ為走向移動(dòng)角；Δδ為走向移動(dòng)角修正值；φ為松散層移動(dòng)角。

經(jīng)計(jì)算得：D≥399 m，即傾向觀測(cè)線與開(kāi)切眼的距離必須大于399 m.

2) 走向觀測(cè)線位置設(shè)計(jì)。S1306工作面煤層傾角α=5°，為盡可能保證走向觀測(cè)線通過(guò)最大下沉點(diǎn)，走向觀測(cè)線應(yīng)從工作面中間向下山方向偏移。根據(jù)五陽(yáng)煤礦實(shí)測(cè)最大下沉角，S1306工作面下山方向偏移量P應(yīng)滿足公式(2)：

P=(H0-h)cotθ

(2)

式中：H0為回采工作面平均開(kāi)采深度；h為松散層厚度；θ為最大下沉角。

將參數(shù)值帶入公式(2)計(jì)算得：P=39 m.此外，由于S1306工作面傾向?qū)?60 m<1.4H0，傾向方向未達(dá)到充分采動(dòng)，所以走向觀測(cè)線設(shè)置為一條。

2.1.3 觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

1) 傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)。傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度必須保證覆蓋上山盆地半長(zhǎng)、下山盆地半長(zhǎng)和工作面的寬度，并有一定的安全距離，因回采工作面傾向方向未達(dá)到充分采動(dòng)，所以布置整條觀測(cè)線，傾向觀測(cè)線最小長(zhǎng)度可按公式(3)計(jì)算[5]:

L傾向=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+(H2-h)cot(γ-Δγ)+Lcosα

(3)

式中：φ為松散層移動(dòng)角；H1、H2分別為上、下山方向采深；Lcosα為工作面水平投影寬度；其它符號(hào)含義與前述相同。

經(jīng)計(jì)算，得到傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度約為1 224 m.從與走向觀測(cè)線交叉點(diǎn)開(kāi)始，上山方向長(zhǎng)度約為640 m，下山方向長(zhǎng)度為584 m.

2) 走向觀測(cè)線長(zhǎng)度設(shè)計(jì)走向觀測(cè)線要保證停采線方向延伸出沉陷盆地邊界范圍之外，工作面之內(nèi)要測(cè)到最大下沉點(diǎn)，全長(zhǎng)走向觀測(cè)線長(zhǎng)度可用公式(4)計(jì)算[5]：

L走向=2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ)+l1

(4)

式中：h為松散層厚度；φ為松散層移動(dòng)角；H0為平均采深；δ和Δδ分別為走向移動(dòng)角及其修改值；l1為工作面走向長(zhǎng)度。

經(jīng)計(jì)算得到，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度約為2 898 m，其中，工作面外側(cè)約782 m，工作面內(nèi)側(cè)約2 111 m.

2.1.4 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)目及密度的確定

觀測(cè)線上的測(cè)點(diǎn)數(shù)目及其密度，主要取決于開(kāi)采深度和設(shè)站的目的。根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》，采深大于400 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)間距為35 m；控制點(diǎn)間距為50 m.經(jīng)計(jì)算，需布置工作測(cè)點(diǎn)120個(gè)，傾向觀測(cè)線上布置40個(gè)測(cè)點(diǎn)，走向觀測(cè)線上布置80個(gè)測(cè)點(diǎn)；其中，控制點(diǎn)9個(gè)(走向3個(gè)，傾向6個(gè))。測(cè)點(diǎn)具體位置如圖1所示。

2.2 觀測(cè)內(nèi)容

地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)工作主要包括：連接測(cè)量、全面觀測(cè)、日常觀測(cè)等。具體如下：

2.2.1 連接測(cè)量

與測(cè)區(qū)內(nèi)已知控制點(diǎn)進(jìn)行連測(cè)，以獲得觀測(cè)站控制點(diǎn)的平面位置和高程。在觀測(cè)點(diǎn)埋好10～15 d、點(diǎn)位固結(jié)之后，獨(dú)立進(jìn)行兩次，點(diǎn)位中誤差需小于7 cm，高程測(cè)量按三等水準(zhǔn)的精度要求進(jìn)行。

2.2.2 全面測(cè)量

全面觀測(cè)是確定各測(cè)點(diǎn)的初始位置和高程。需連接測(cè)量后、地表開(kāi)始移動(dòng)之前，獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，兩次觀測(cè)時(shí)間間隔小于5 d.兩次觀測(cè)的同一點(diǎn)高程差小于10 mm，同一邊的長(zhǎng)度差不大于4 mm時(shí)，取平均值作為觀測(cè)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)(又稱初次觀測(cè))。

2.2.3 日常觀測(cè)

日常觀測(cè)工作，指的是首次和末次全面觀測(cè)之間適當(dāng)增加的水準(zhǔn)測(cè)量工作。在回采工作面推進(jìn)0.2～0.5H0后，每隔4～5 d進(jìn)行一次水準(zhǔn)測(cè)量。在移動(dòng)過(guò)程中，視地表下沉速度， 1～3個(gè)月觀測(cè)一次。實(shí)測(cè)按四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求進(jìn)行。

觀測(cè)站的各項(xiàng)觀測(cè)，如表2所示。

表2 觀測(cè)站觀測(cè)程序

3 無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)原理與地面三維激光掃描原理相同，是以無(wú)人機(jī)作為觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)同一位置地表在不同時(shí)段進(jìn)行兩次掃描，獲得兩個(gè)時(shí)刻地表的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，用兩期DEM相減，可以得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的地表的實(shí)測(cè)下沉值，同時(shí)根據(jù)動(dòng)態(tài)求參原理，獲得地表移動(dòng)變形參數(shù)[6]。其原理如圖2所示。

圖2 UAV-Lidar沉陷盆地獲取原理圖[6]

無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)擬選擇大疆M600Pro；激光雷達(dá)選擇智喙ARS-450i激光測(cè)量系統(tǒng)，它集成高精度激光掃描儀(測(cè)距精度5 mm)、GPS、IMU等傳感器，可獲取三維激光點(diǎn)云和定位定姿數(shù)據(jù)；通過(guò)配備的數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用軟件，可以快速生成DEM，制作3D模型。

3.1 飛行范圍確定

工作面開(kāi)采引起地表沉降的范圍即為無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)測(cè)區(qū)飛行范圍。利用測(cè)區(qū)地質(zhì)資料及相關(guān)參數(shù)，結(jié)合收集的采掘工程平面圖、井上下對(duì)照?qǐng)D等，規(guī)劃無(wú)人機(jī)地表監(jiān)測(cè)范圍為3 761 m×1 623 m，約6.1 km2.

3.2 飛行參數(shù)設(shè)置

飛行參數(shù)主要有重疊度、飛行高度。根據(jù)攝影測(cè)量規(guī)范，并結(jié)合工作面的地形條件和精度要求，設(shè)計(jì)航向重疊率和旁向重疊率為均30%.地面分辨率設(shè)置為6 cm，利用相機(jī)的焦距(15 mm)和像元尺寸，得到本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)的相對(duì)飛行高度為65 m.S1306工作面無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)設(shè)計(jì)航線如圖3所示[7-9]。

圖3 古城煤礦S1306工作面無(wú)人機(jī)激光雷達(dá)飛行范圍及航線

3.3 數(shù)據(jù)后處理

無(wú)人機(jī)外業(yè)結(jié)束后的數(shù)據(jù)后處理主要包括：POS解算、點(diǎn)云融合、點(diǎn)云濾波和DEM構(gòu)建等內(nèi)容，分述如下：

3.3.1 POS解算

主要是用基站收集的GNSS靜態(tài)數(shù)據(jù)和POS數(shù)據(jù)(移動(dòng)站GNSS數(shù)據(jù)+IMU數(shù)據(jù)+里程計(jì)數(shù)據(jù))組合解算，以輸出后期數(shù)據(jù)出來(lái)所需的高精度定位定姿數(shù)據(jù)[8]。

3.3.2 點(diǎn)云融合及精度驗(yàn)證

點(diǎn)云融合是將機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，生成平面坐標(biāo)的點(diǎn)云文件，以進(jìn)行后續(xù)的點(diǎn)云濾波及DEM構(gòu)建。進(jìn)行精度驗(yàn)證，可保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)可用性。

3.3.3 點(diǎn)云濾波

其目的是提出三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的非地面點(diǎn)，如植被點(diǎn)、建筑物點(diǎn)、車輛點(diǎn)、橋梁點(diǎn)和電力線點(diǎn)等，以構(gòu)建生成DEM。目前主流的點(diǎn)云濾波算法有不規(guī)則三角網(wǎng)漸進(jìn)加密、分層穩(wěn)健線性內(nèi)插、漸進(jìn)窗口數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波、基于坡度的濾波方法等。

3.3.4 構(gòu)建DEM

利用前期處理得到的優(yōu)質(zhì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用規(guī)則格網(wǎng)或不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行測(cè)區(qū)DEM的構(gòu)建；兩期DEM相減即得到測(cè)區(qū)下沉盆地。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 本文通過(guò)設(shè)計(jì)觀測(cè)線位置、長(zhǎng)度、數(shù)量，以及觀測(cè)方法等內(nèi)容，建立了完整且可靠的傳統(tǒng)地表巖移觀測(cè)站，有利于后續(xù)獲取各種巖移參數(shù)，總結(jié)研究區(qū)地表的移動(dòng)變形規(guī)律。

2) UAV激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)地表沉陷有重量輕、攜帶方便、成果處理效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此為了更全面地研究地表沉陷規(guī)律，本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了UAV激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)方案，包括無(wú)人機(jī)飛行范圍劃定、飛行參數(shù)設(shè)置、實(shí)測(cè)步驟介紹以及最后數(shù)據(jù)處理流程等內(nèi)容，其中后期數(shù)據(jù)處理的精確與否是獲得巖移規(guī)律和巖移參數(shù)的關(guān)鍵。

3) 監(jiān)測(cè)礦區(qū)地表沉陷有多種方法，除了上述兩種之外，仍可以考慮利用InSAR大規(guī)模監(jiān)測(cè)不同時(shí)間跨度的地表沉陷情況。關(guān)于綜合運(yùn)用“空-天-地”三種監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)獲取巖移規(guī)律和地表移動(dòng)參數(shù)，也是未來(lái)開(kāi)采沉陷領(lǐng)域的重要趨勢(shì)。