單雙目近景攝影測(cè)量聯(lián)合監(jiān)測(cè)弱膠結(jié)覆巖疊合式相似材料模型研究

張國(guó)建，臧耿晨，郭廣禮，李懷展，楊向升，王薈欽，于承新

（1.山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.山東能源集團(tuán)技術(shù)研究總院，山東 濟(jì)南 250101；4.通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

0 引言

隨著深層開(kāi)采過(guò)程中覆巖體移動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，礦區(qū)地表變形問(wèn)題已經(jīng)從單一采礦面擴(kuò)展到多采礦面，甚至在多采礦區(qū)開(kāi)采的共同影響下出現(xiàn)了區(qū)域性的變形響應(yīng)。因此，在深層開(kāi)采活動(dòng)中，模擬相似材料逐步演變?yōu)榇笮拖嗨撇牧夏Ｐ停⑿鑼?duì)整個(gè)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)移動(dòng)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)尤為重要。

相似材料模型的常見(jiàn)監(jiān)測(cè)方法主要包括燈光透鏡法、小鋼尺水準(zhǔn)儀法、近景攝影測(cè)量方法、三維激光掃描法、全站儀三維測(cè)量法、位移計(jì)法、插針?lè)ǖ萚1]。上述幾種方法由于各自的缺點(diǎn)極大地限制了在相似材料模型監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。例如，插針?lè)?、全站儀三維測(cè)量法誤差較大；小鋼尺水準(zhǔn)儀法僅能監(jiān)測(cè)垂直位移，不能監(jiān)測(cè)水平位移；位移計(jì)法精度容易被軟質(zhì)材料影響，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)有限，不宜在小比例尺模型中采用；燈光透鏡法需要采用人工投點(diǎn)和量測(cè)，工作量較大且繁瑣，不便進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)觀測(cè)和全剖面觀測(cè)，且當(dāng)測(cè)點(diǎn)位移較大時(shí)，由于測(cè)點(diǎn)超過(guò)透鏡面而難以聚焦，會(huì)出現(xiàn)較大光斑，測(cè)量誤差較大[2]。

在近景攝影測(cè)量監(jiān)測(cè)相似材料模型方面，主要包括無(wú)標(biāo)點(diǎn)法和標(biāo)點(diǎn)法。YAMAGUCHI[3]、HE 等[4]、PETERS 等[5]和葉康[6]從無(wú)標(biāo)點(diǎn)法角度出發(fā)，分別提出了散斑相關(guān)法和無(wú)標(biāo)點(diǎn)亞像素監(jiān)測(cè)法。無(wú)標(biāo)點(diǎn)法雖然具有不限監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量和操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，卻嚴(yán)格要求相似材料模型巖土的相關(guān)性，監(jiān)測(cè)點(diǎn)微小而繁多，導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的處理方式變更復(fù)雜，運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，處理過(guò)程更慢，限制了其應(yīng)用范圍。在有標(biāo)點(diǎn)法方面，湯伏全[7]、周擁軍等[8]采用數(shù)碼相機(jī)從多個(gè)角度拍攝立體像對(duì)的監(jiān)測(cè)方法，盡管這種方法的監(jiān)測(cè)精度相當(dāng)高，但并不能達(dá)到相似材料模型動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。蔡利梅等[9]、朱曉峻等[10]分別提出了改進(jìn)的自動(dòng)網(wǎng)格法和光學(xué)透鏡法監(jiān)測(cè)相似材料模型，但是存在監(jiān)測(cè)場(chǎng)景小，只適用于監(jiān)測(cè)小變形區(qū)域和緩變形區(qū)域等問(wèn)題。

為了給工業(yè)相機(jī)提供恒定均速運(yùn)動(dòng)條件，許世嬌[11]設(shè)計(jì)了伺服電機(jī)加以驅(qū)動(dòng)，從而連續(xù)拍攝監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行后續(xù)處理。嚴(yán)格意義上，鑒于時(shí)間上的非連續(xù)性，所用于拼接的每一張圖像都無(wú)法保證同時(shí)刻采集，因而不能實(shí)現(xiàn)大尺寸相似材料模型的整體變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

在弱膠結(jié)覆巖特征研究方面，吳新慶等[12]為了深入了解邵寨煤礦的離層發(fā)育條件，在對(duì)研究區(qū)煤層賦存狀態(tài)進(jìn)行綜合分析后，根據(jù)鄰近礦區(qū)的實(shí)際裂采比計(jì)算和材料力學(xué)的推導(dǎo)，提出了用于計(jì)算離層發(fā)育極限埋深的數(shù)學(xué)公式，為研究巖層移動(dòng)規(guī)律提供依據(jù)；張煒等[13]以新疆伊犁四礦的21103 綜放工作面的采礦地質(zhì)狀況為研究背景，專門(mén)針對(duì)伊犁礦區(qū)的弱膠結(jié)地層。進(jìn)行了覆巖活動(dòng)規(guī)律下氡氣探測(cè)的三維物理模擬實(shí)驗(yàn)，研究方法新穎可行，為探究巖層運(yùn)動(dòng)提供思路。

針對(duì)已有的監(jiān)測(cè)方法在監(jiān)測(cè)深部開(kāi)采大尺寸相似材料模型時(shí)的缺陷，基于弱膠結(jié)覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，本文提出了聯(lián)合單目近景攝影測(cè)量和雙目近景攝影測(cè)量的技術(shù)，相互補(bǔ)充，對(duì)深部開(kāi)采的大型相似材料模型進(jìn)行了持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[14]。

1 基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

本文闡述了基于等距虛擬面數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的相關(guān)理論和裝備。在攝影測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，數(shù)碼相機(jī)的畸變程度是主導(dǎo)測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素[15-16]。在特定的應(yīng)用環(huán)境下，如果相機(jī)能夠保持其穩(wěn)定性，圖像中心附近的畸變差將表現(xiàn)出線性變化的特征[17]。當(dāng)數(shù)字影像上有一個(gè)或幾個(gè)控制點(diǎn)時(shí)，這種非線性關(guān)系將更加明顯。因此，使用格網(wǎng)法可以有效地減少數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的畸變，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性[18-19]。

在數(shù)字?jǐn)z影理論方面，基于等距虛擬面的位移視差法是由傳統(tǒng)的時(shí)間基線視差法發(fā)展而來(lái)，為了解決遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)時(shí)無(wú)法架設(shè)控制點(diǎn)，或控制點(diǎn)嚴(yán)重遮擋被監(jiān)測(cè)體的情況提出了等距虛擬面法，其基本原理如圖1 所示[20]。即使用CCD 數(shù)碼相機(jī)（Charge Coupled Device Camera）在攝影距離為L(zhǎng)3和L6的情況下監(jiān)測(cè)拍攝被監(jiān)測(cè)體和實(shí)際參考平面，L2和L5為光學(xué)起源與CCD 前端的實(shí)際長(zhǎng)度。F1為當(dāng)景深為L(zhǎng)3的情況下，拍攝到的圖像在參考平面上的真實(shí)長(zhǎng)度，而F2為當(dāng)景深為L(zhǎng)4的情況下，拍攝到的圖像在物平面上的實(shí)際長(zhǎng)度。因此，可以把拍攝到的照片中的兩個(gè)像素點(diǎn)看成一個(gè)整體，即由這兩維的數(shù)值看作組成聯(lián)動(dòng)圖像。L1和L4為數(shù)碼相機(jī)的焦距，而E1和E2為像平面水平方向上的最大像素值，且不受拍攝距離改變的影響，為定值。

圖1 等距替換原理示意圖Fig.1 Diagram of isometric replacement principle

結(jié)合相似原理，由圖1 可知，像素值與攝影距離的關(guān)系見(jiàn)式（1）。

基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影變形監(jiān)測(cè)技術(shù)必須滿足式（2）條件。

因此，結(jié)合式（1）和式（2），可得到式（3）。

基于等距虛擬面的位移視差法通過(guò)景深等比數(shù)列的分析，可以推斷出等距虛擬面攝影比例尺與被監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面（即物平面）攝影比例尺是相等的（圖2）。根據(jù)這種數(shù)學(xué)模型，可以將計(jì)算出的等距離虛擬面上的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移轉(zhuǎn)化為實(shí)際的變形點(diǎn)位移，推導(dǎo)過(guò)程如下所述。

圖2 基于等距虛擬面的位移視差法Fig.2 Displacement parallax method based on the isometric virtual plane

式中：Q為等距虛擬面的攝影比例尺；為物體平面上變形點(diǎn)的x方向移動(dòng)，即水平移動(dòng)；為z方向的垂直移動(dòng)；在像片中，為相應(yīng)變形點(diǎn)在x方向的視差值，即水平視差；為垂直視差值，其中包含系統(tǒng)誤差。

x方向、z方向的視差值公式，見(jiàn)式（5）。

考慮到種種不可抗拒因素造成的視差值（例如相機(jī)和腳架的振動(dòng)），引起儀器設(shè)備姿態(tài)及位置的改變，進(jìn)而影響到監(jiān)測(cè)精度，本文在像片進(jìn)行匹配時(shí)（包括零像片和后繼像片），利用固定不動(dòng)的參考平面。相應(yīng)變形點(diǎn)的視差改正值見(jiàn)式（6）。

于是得到位移改正值，見(jiàn)式（7）。

基于等距虛擬面的位移視差法要求攝影光軸與被監(jiān)測(cè)物體縱切面垂直，以保證解算結(jié)果能夠表征被監(jiān)測(cè)體的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)監(jiān)測(cè)距離較近，不妨礙觀測(cè)時(shí)，等距虛擬面即為真實(shí)參考像片[21-23]。

2 基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)監(jiān)測(cè)變形可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)用于監(jiān)測(cè)變形的可靠性，利用攝影設(shè)備對(duì)核酸檢測(cè)簡(jiǎn)易棚進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該簡(jiǎn)易棚主體為鋼結(jié)構(gòu)，高2 m，長(zhǎng)寬均為2.9 m，桿件采用鉚接與螺栓連接。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括攝影設(shè)備、三腳架兩臺(tái)、拉力計(jì)、鋼尺、控制點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)識(shí)等。實(shí)驗(yàn)步驟具體如下所述（圖3）。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Validation test site

①將攝影設(shè)備固定于距離鋼結(jié)構(gòu)3 m 左右的位置，將腳架放置在鋼結(jié)構(gòu)附近，并且保證腳架與鋼結(jié)構(gòu)保持在同一水平面上，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

②將方形標(biāo)志貼在腳架上作為后續(xù)數(shù)據(jù)處理的控制點(diǎn)，再將圓形標(biāo)志貼在鋼結(jié)構(gòu)上。

③使用45 N 的力分別拉動(dòng)U0 點(diǎn)和U2 點(diǎn)所在結(jié)構(gòu)，隨后瞬間松開(kāi)，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性振動(dòng)，直至恢復(fù)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。將攝影設(shè)備調(diào)整為錄像功能，對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行全程錄像。

④實(shí)驗(yàn)結(jié)束后利用鋼尺測(cè)量控制點(diǎn)間的距離以備后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

⑤利用Pr（Adobe Premiere Pro.exe）軟件，將紅色像片調(diào)整為直線加入到本次錄制的錄像素材內(nèi)，提取30 幀數(shù)的像片得到添加完等距虛擬面的影像數(shù)據(jù)（圖3（a）），繼續(xù)利用位移視差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理分別得到變形點(diǎn)U0、U1、U2、U3和U4 的振動(dòng)位移，分別在X方向和Z方向均表現(xiàn)出了較好的彈性變形趨勢(shì)，符合外力作用下的振動(dòng)狀態(tài)，見(jiàn)圖4 和表1。為了檢測(cè)在該實(shí)驗(yàn)中基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的測(cè)量精度，分別用高精度鋼尺和基于等距虛擬面的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)對(duì)U0～U2 和U2～U4 長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，本文采用的數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的測(cè)量精度在0.2 mm 以內(nèi)，見(jiàn)表2。

表1 基于屏幕網(wǎng)格法變形點(diǎn)相對(duì)位移值Table 1 Relative displacement values of deformation points based on screen grid method 單位：mm

表2 測(cè)量精度檢定Table 2 Measurement accuracy verification 單位：mm

圖4 等距虛擬面法相對(duì)位移Fig.4 Relative displacement based on the isometric virtual plane method

3 弱膠結(jié)覆巖疊合式物理模擬實(shí)驗(yàn)及分析

本文以東勝煤田某深部礦區(qū)為地質(zhì)原型，采用分步式相似材料模擬方法鋪設(shè)研究區(qū)域物理模型，分別按照雙目視覺(jué)和單目視覺(jué)的監(jiān)測(cè)要求，采用西安交通大學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)（XTDP）和基于等距虛擬面數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)分別監(jiān)測(cè)相似材料基礎(chǔ)模型，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖5 所示。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)施及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖Fig.5 Measuring system component facilities and site monitoring pictures

4 弱膠結(jié)覆巖疊合式物理模擬結(jié)果分析

4.1 疊合式物理模擬的可行性分析

本文分別布設(shè)了兩種相似材料模型，對(duì)分步式相似材料模擬方法來(lái)探究在巨厚弱膠結(jié)覆巖深層開(kāi)采過(guò)程中巖層運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的實(shí)施可行性進(jìn)行驗(yàn)證（圖6）。①常規(guī)相似材料模擬：選取幾何相似比1∶600，采用常規(guī)物理模擬手段模擬弱膠結(jié)覆巖深部開(kāi)采巖層及地表移動(dòng)變形規(guī)律，鋪設(shè)相似材料模型至地表，如圖6（c）所示；②分步式相似物理材料模擬：選取幾何相似比1∶400，研究開(kāi)采過(guò)程中巖層移動(dòng)原理，如圖6（a）和圖6（b）所示。為盡量弱化分步式相似材料模擬對(duì)開(kāi)采過(guò)程中巖層移動(dòng)由下向上傳遞時(shí)空演化規(guī)律的影響，將粗砂巖和砂質(zhì)泥巖作為基礎(chǔ)模型與疊合模型巖層的重合區(qū)域。由于疊合模型中有主要控制層結(jié)構(gòu)的存在，為了合理地在基礎(chǔ)模型頂部施加荷載，本文根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及鄰近礦區(qū)礦壓實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有的加壓設(shè)備，在模型開(kāi)采初期，在模型頂部鋪設(shè)一層鐵塊作為疊合模型傳遞至基礎(chǔ)模型頂部的荷載。

圖6 巨厚弱膠結(jié)覆巖深部開(kāi)采疊合式物理模擬Fig.6 Superimposed physical simulation of deep mining in thick weakly cemented overburden

本文對(duì)比分析了巨厚弱膠結(jié)覆巖巖層深部開(kāi)采的常規(guī)相似材料模擬和分步式相似材料模擬首采面覆巖破壞特征，如圖7～圖10 所示。由圖7 可知，常規(guī)相似材料模擬工作面寬度為120 m 時(shí)，直接頂開(kāi)始出現(xiàn)離層，離層高度0.6 m。分步式相似材料模擬工作面寬度為120 m 時(shí)，頂板發(fā)生初次破斷，垮落帶高度發(fā)育至煤層以上33 m。

圖7 采空區(qū)寬度120 m 時(shí)覆巖破壞特征Fig.7 Characteristics of overburden failure with the width of 120 m in goaf

由圖8 可知，常規(guī)相似材料模擬工作面寬度為180 m 時(shí)，直接頂發(fā)生首次垮落。分步式相似材料模擬工作面寬度為180 m 時(shí)，煤層以上66 m 處有輕微離層發(fā)育。

圖8 采空區(qū)寬度180 m 時(shí)覆巖破壞特征Fig.8 Characteristics of overburden failure with the width of 180 m in goaf

由圖9 可知，常規(guī)相似材料模擬工作面寬度為240 m 時(shí)，直接頂再次發(fā)生垮落，垮落帶繼續(xù)向上、向前發(fā)育，垮落步距約為70 m。煤層以上46 m 處有離層發(fā)育，長(zhǎng)約174 m，離層最大高度約1.8 m。分步式相似材料模擬工作面寬度為240 m 時(shí)，直接頂再次垮落，垮落步距約60 m，離層停止向上發(fā)育，離層范圍繼續(xù)擴(kuò)大。

圖9 采空區(qū)寬度240 m 時(shí)覆巖破壞特征Fig.9 Characteristics of overburden failure with the width of 240 m in goaf

由圖10 可知，常規(guī)相似材料模擬工作面寬度為300 m 時(shí)，直接頂再次發(fā)生垮落，離層發(fā)育至煤層以上58 m 處，長(zhǎng)約222 m，最大間隙達(dá)到了4.2 m。分步式相似材料模擬工作面寬度為300 m 時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育至煤層之上112 m。

圖10 采空區(qū)寬度300 m 時(shí)覆巖破壞特征Fig.10 Characteristics of overburden failure with the width of 300 m in goaf

經(jīng)過(guò)以上分析可知，當(dāng)工作面寬度為300 m 時(shí)，常規(guī)相似材料模擬得到直接頂初次破斷距約180 m，周期破斷距約70 m，垮落帶高度約58 m，上覆巖層中沒(méi)有產(chǎn)生裂縫。分步式相似材料模擬得到直接頂初次破斷距約120 m，垮落帶高度約43 m，導(dǎo)水裂縫帶高度約112 m。實(shí)測(cè)表明，當(dāng)工作面寬度約300 m，走向長(zhǎng)度約1 800 m 時(shí)，導(dǎo)水裂縫帶高度約115 m[24]。經(jīng)對(duì)比可知，分步式相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近實(shí)測(cè)結(jié)果，而常規(guī)相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差別較大，這在一定程度上證明了前者更具有可行性。

4.2 相似材料疊合模型巨厚志丹群砂巖運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

本文分別根據(jù)基于等距虛擬面的數(shù)字近景攝影測(cè)量系統(tǒng)和XTDP 攝影測(cè)量系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)形變規(guī)律進(jìn)行定量分析和定性分析。圖11 為巨厚志丹群砂巖的靜沉陷曲線。由圖11 可知，當(dāng)工作面面長(zhǎng)為300 m 時(shí)，2201 工作面開(kāi)采引起基巖面下沉391 mm。受2202 工作面開(kāi)采的影響，基巖面彎曲變形繼續(xù)加劇，最大下沉點(diǎn)處位移增加1 243 mm，增加幅度達(dá)到317.9%。受2203 工作面開(kāi)采的影響，基巖面沉陷彎曲變形繼續(xù)發(fā)育，最大下沉點(diǎn)處位移增加1 724 mm，增加幅度達(dá)到99.4%。另外，為了進(jìn)一步量化研究區(qū)域巨厚弱膠結(jié)砂巖時(shí)空演化特征，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)理論擬合不同開(kāi)采階段巨厚弱膠結(jié)砂巖移動(dòng)變形，發(fā)現(xiàn)巨厚弱膠結(jié)覆巖深部多工作面開(kāi)采巖層移動(dòng)呈跳躍式發(fā)展。

圖11 巨厚志丹群砂巖的靜沉陷曲線Fig.11 Static settlement curve of super-thick Zhidan Group sandstone

為了掌握巨厚弱膠結(jié)砂巖移動(dòng)變形規(guī)律的內(nèi)在本質(zhì)，本文著重分析覆巖位移場(chǎng)、覆巖應(yīng)力場(chǎng)和裂隙場(chǎng)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，如圖12 所示。工作面2201 開(kāi)采時(shí)，覆巖應(yīng)力拱和裂隙場(chǎng)發(fā)育至志丹群砂巖層底端部分，志丹群的砂巖并沒(méi)有遭受毀壞，并且總體上呈現(xiàn)出彈性的彎曲變化。由圖12（a）所示，受到相鄰開(kāi)采工作面（2202 工作面，面長(zhǎng)為120 m）的影響，覆巖應(yīng)力拱和裂隙場(chǎng)繼續(xù)向上發(fā)育，此刻，志丹群的砂巖底部出現(xiàn)了輕微的破損，但在沒(méi)有損壞的情況下，這些砂層仍然能夠承受上面巖層的荷載，導(dǎo)致了150 mm 的整體彎曲和下沉變形。

圖12 巨厚志丹群砂巖整體靜沉陷位移Fig.12 Overall static settlement displacement of super-thick Zhidan Group sandstone

由圖12（b）可 知，當(dāng)工作面2202 面長(zhǎng)增加到180 m 時(shí)，覆巖的應(yīng)力拱和裂隙場(chǎng)都會(huì)稍微向上擴(kuò)展，并沿水平方向發(fā)育，志丹群砂巖底部破壞范圍增加，志丹群砂巖彎曲下沉表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)出穩(wěn)定-臺(tái)階狀。模型開(kāi)采后60 min，志丹群砂巖最大下沉值增加0.67 pixel；模型開(kāi)采后120～240 min，志丹群砂巖進(jìn)入穩(wěn)定期，沒(méi)有監(jiān)測(cè)到明顯的下沉；模型開(kāi)采后300 min，志丹群砂巖最大下沉值繼續(xù)增加1 pixel。

由圖12（c）可 知，當(dāng)工作面2202 面長(zhǎng)增大至240 m 時(shí)，志丹群砂巖底部破壞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，志丹群砂巖彎曲下沉同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)出突變-臺(tái)階狀。模型開(kāi)采后，志丹群砂巖最大下沉值增加0.84 pixel；模型開(kāi)采后60～120 min，志丹群砂巖進(jìn)入偽穩(wěn)定期，沒(méi)有監(jiān)測(cè)到明顯下沉；模型開(kāi)采后180 min，志丹群砂巖向下移動(dòng)1.05 pixel；模型開(kāi)采后240 min，志丹群砂巖向下移動(dòng)1.16 pixel；模型開(kāi)采300 min 后，志丹群砂巖進(jìn)入穩(wěn)定期，沒(méi)有繼續(xù)下沉。巨厚志丹群砂巖臺(tái)階狀運(yùn)動(dòng)如圖13 所示。

圖13 巨厚志丹群砂巖臺(tái)階式移動(dòng)示意圖Fig.13 Schematic diagram of the stepped movement of superthick Zhidan Group sandstone

由圖12（d）可 知，當(dāng)工作面2202 面長(zhǎng)增大至300 m 時(shí)（D/H≈0.85），志丹群砂巖在采空區(qū)兩側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)首次經(jīng)歷了劇烈的拉伸破壞后，巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)間相關(guān)性已經(jīng)消失，而在新生成的次生支撐結(jié)構(gòu)的影響下，表現(xiàn)出了一種“采而沉”的特性。以后，隨著采空區(qū)面積的增大，志丹群砂巖均呈現(xiàn)出隨采隨沉的特征。

5 結(jié)論

本文以東勝煤田某深部礦區(qū)為地質(zhì)原型，采用分步式相似材料模擬方法鋪設(shè)研究區(qū)域物理模型，并采用單雙目近景攝影測(cè)量聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)觀測(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)特征，得到以下主要結(jié)論。

1）通過(guò)對(duì)比分步式相似材料模擬和常規(guī)相似材料模擬可知，分步式相似材料模擬中導(dǎo)水裂縫帶高度約112 m，常規(guī)相似材料模擬中導(dǎo)水裂縫帶高度約58 m，分步式相似材料模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差約2.6%，進(jìn)一步佐證了該方法在研究深部開(kāi)采巖層移動(dòng)問(wèn)題中的可行性。

2）為了驗(yàn)證基于等距虛擬面法數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)監(jiān)測(cè)變形的可行性，本文進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量誤差分別為0.195 mm 和0.044 mm，能夠滿足變形監(jiān)測(cè)的精度要求。

3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)D/H值小于0.85，并且在巨厚志丹群砂巖經(jīng)歷劇烈的拉伸和破壞之前，砂巖的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為緩慢的彎曲和彈性變形、偽穩(wěn)-突變臺(tái)階變形的時(shí)間相關(guān)性。當(dāng)D/H值大于等于0.85，并且砂巖經(jīng)歷了首次劇烈的拉伸破壞之后，砂巖在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的時(shí)間相關(guān)性便消失了，取而代之的是一種“采而沉”的現(xiàn)象。

4）單雙目近景攝影測(cè)量聯(lián)合監(jiān)測(cè)新方法，彌補(bǔ)了自動(dòng)識(shí)別法經(jīng)常無(wú)法識(shí)別一些重要特征點(diǎn)的不足，在確保測(cè)量準(zhǔn)確性的前提下，成功地對(duì)大型相似材料模型的整體變形進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，這為深入研究深部開(kāi)采區(qū)域的巖層移動(dòng)反應(yīng)提供了關(guān)鍵的技術(shù)依據(jù)。