井工开采矿山地面沉陷监测方法研究

王 君

（山东省鲁南地质工程勘察院，山东 济宁 272100）

对于地下开采的井工矿山，随着开采的进行，矿体上覆岩（土）体会发生垮落、裂隙和弯曲，即形成“三带”。开采范围扩大到一定范围达到充分采动后，井下岩体的移动和破坏逐步波及地表，形成一个大于开采范围的沉陷区域。

开采沉陷严重破坏矿区环境，引起地面沉陷，产生水平位移，破坏耕地，甚至造成地面建构筑物损毁。因此，必须进行地面沉陷监测，掌握由于地下采矿引起的地表移动变形规律，指导矿山安全生产及矿区生态环境治理，保证矿区的可持续发展[1]。

1 常用测绘方法研究

1.1 传统水准测量法

使用传统水准测量方法进行开采沉陷监测时，首先根据开采范围和地质采矿条件布设地面观测站，结合地下开采进展，按照设计的观测周期，使用DS3水准仪按照三、四等水准测量方法进行测量。

该方法测量效率较低，不适合进行大范围的地面沉陷监测，但是测量成果经过检核和平差，精度较高，稳定可靠，是目前小范围地面沉陷监测最常用的方法。

1.2 SDCORS测量法

目前SDCORS在测绘工作中的应用越来约广泛。SDCORS以“共建共享”的方式，在全省范围内建立了一百多个GNSS连续运行参考站，构成全省网络化的大地基准和空间数据采集系统。根据精度检核结果，SDCORS实时定位的内符合精度可以达到平面2cm、高程3cm的精度，实时定位外符合精度可以达到平面3cm、高程8cm的精度，完全可以满足地面沉陷监测的精度。SDCORS组成见图1。由于SDCORS网络RTK可以同时测量沉陷监测点的平面坐标和高程，测量测量效率较高，但是受卫星分布、电离层干扰等因素影响，测量过程中可能会产生粗差，且难以发现[2]。

1.3 三维激光扫描测量法

使用三维激光扫描法进行地面沉陷监测可以获得精确的面状点云数据，其构建的地面模型能够精细准确的表达地物局部细节信息。通过野外三维激光扫描、数据处理与整合、坐标系转换、噪声去除、表面建模等方式，即可得到DEM或DSM数据，见图2。

通过两期或者多期观测数据的对比，即可得到地面开采沉陷数据。开采沉陷有一定的规律性，也表现出面状变化的特点，但有限的监测点很难完全真实准确地反映出整个监测表面各部分的变形状况。而三维激光扫描方法相较于传统测量方法，具有自动连续、全数字化、非接触、高密度、采集数据速度快、实时动态、高精度、信息量大等优点能真实反映整个表面的变化状况，且精度可以达到厘米级，但是数据处理比较复杂，仪器设备昂贵，制约了三维激光扫描技术的应用和推广[3]。

图2 开采沉陷下沉盆地DEM数据

1.4 InSAR监测

D-InSAR技术是由InSAR技术发展而来的，它是以合成孔径雷达复数图像的相位信息获取地表变化信息的技术。根据成像时间分类，InSAR可以分为单次轨道和重复轨道两种模式。单次轨道干涉是指在同一机载或星载平台上装载两幅天线，其中一幅天线发射信号，两幅天线都接受地面回波信号，并利用获取的数据进行干涉处理[4]。

重复轨道干涉是指同一传感器或相似传感器按照平行轨道两次对地成像，分别发、收信号，利用得到的数据进行干涉处理。目前，常用的D-InSAR地表形变监测通常为星载单天线重复轨道模式[5]。

D-InSAR监测地表变形的实质是利用覆盖同一地区的两景雷达影像生成干涉相位图，进而提取地表变形信息。在此过程中需要将大气延迟、地形起伏、轨道误差、平地效应及噪声等因素引起的相位值从干涉图中剔除，得到地面目标点在两景影像成像期间变形量的空间分布[6]。

因此，需要经过影像间的配准与重采样、干涉图生成、去平地效应、相位滤波与解缠、投影变换等关键数据处理步骤。其工作流程如下图3所示。

图3 差分干涉测量地表变形提取流程图

InSAR技术具有覆盖范围大、监测精度高、空间分辨率高等独特优势，可以将该技术应用于开采引起可探测范围内（开采区域边界或者小量级沉陷区）的地理空间信息更新。InSAR技术适用于监测变化量比较小的地面沉陷，对于沉陷量较大的区域[7]，容易产生“空洞区”，需要借助地面调查、补充测绘等方法进行补充。图4为D-InSAR技术提取空间地表形变示例。

图4 小量级开采沉陷区提取

2 结论

开采沉陷监测方法较多，目前常用的方法主要有传统水准测量、SDCORS-RTK、三维激光扫描、InSAR等开采沉陷监测等方法。传统水准测量方法精度较高，但是测量效率较低，适用于小范围高精度监测[8-10]，多用于求取沉陷预测参数；SDCORS-RTK测量可以同时获取平面和高程数据，但是仍为点测量模式，测量效率较低，且测量结果可能存在粗差；三维激光扫描测量可以获取丰富的点云数据，精度较高，但是设备昂贵，数据处理复杂，制约了其推广应用；InSAR监测具有覆盖范围大、监测精度高、空间分辨率高等独特优势，适用于监测变化量比较小的地面沉陷，但是对于沉陷量较大的区域，容易产生“空洞区”，需要借助地面调查、补充测绘等方法进行补充。在实际大范围的开采沉陷监测中，通常综合运用多种方法，互相配合检核，从而更好的获取沉陷数据。