多源监测技术在绿色矿山中的研究

杜兵 黄显行

星村煤矿“三下”采煤任务繁重，煤田岩层移动参数还不完善，给后续开采设计工作带来很多不利。矿山开采会引起矿区地表移动与变形，给矿区的工农业生产、交通运输业及人民生活方面，造成影响，从而引发社会、经济和环境问题，偏离国家绿色矿山的宗旨。星村煤矿为加快绿色矿山建设，针对以上问题进行多源监测技术研究，找到符合星村煤矿自己的各类绿色矿山建设指标。本项目研究了一套更先进、更精确、更简易、更科学的多源监测技术，实时掌握回采工作面地面沉陷形变，达到绿色开采，实现高产高效现代化矿井。

• 项目概述

针对传统的地面沉陷监测数据源采集受大气及地表环境影响大、累计误差大、精度低、工作量大、人工成本高、时效性差、不具备连续性等缺点。研究了一套更先进、更精确、更简易、更科学的多源监测技术：利用D-InSAR技术对监测区域进行全面测量，同时对地面需要监测的区域按保护等级划分为低、中等、高、特高四个风险区域，并根据不同风险等级需要的数据精度、数据在空间与时间上的间隔等要求，采用不同的多源组合监测，获得最小成本、最好效率，最优精度的监测数据。

利用监测数据建立了条带开采数值模型，求得岩层移动参数为合理安排矿井整体开采布局、提高经济效益、提供矿井安全回采的科学依据，实现矿山的绿色开采，使企业的经济效益达到最大化。

• 多源监测技术的研究

（一）运用D-InSAR技术建立开采数值模型

通过运用D-InSAR技術，验证D-InSAR矿区沉降监测结果总体可靠性;建立了条带开采数值模型，分析了开采深度、开采厚度、松散层厚度、深厚比对地表移动的影响，揭示了覆岩演变规律，综合分析了下沉系数的变化规律、水平移动变化规律、主要影响角正切的变化规律、拐点偏移距的变化规律和最大下沉角的变化规律、对各个参数模型按拟合误差最小的原则确定了最优模型。

国内外尚无同时基于GIS系统与FLAC3D顾及多种地质采矿条件的影响实现采空区上方至地表的开采沉陷可视化技术。本项目为星村煤矿的开采技术提供了有效的理论依据，为以后的采煤工作打下了坚实的基础。

（二）建立多源异构煤矿安全监测数据采集系统

矿山多源监测技术，以解决现有采集功能无法模块化重用、采集数据格式多变处理效率低、采集数据无法实时共享的问题。为解决上述技术问题，项目设计多源异构煤矿安全监测数据采集系统，包括以下步骤：

1、建立包括各种采集协议规范和采集协议组件的采集协议库;

2、建立包括与若干数据源相匹配的采集模板的采集模板库;

3、加载采集模板库获取若干采集模板中定义的数据交互内容，并根据数据交互内容设置调用参数;

4、根据调用参数从煤矿监测数据源获取原始监测数据，并根据采集模板、采集协议规范和采集协议组件将采集到的原始监测数据转换成统一格式的目标监测数据进行分析。

5、根据采集模板中定义的目标数据校验规则对目标数据进行滤噪、 排错、单位转换、格式转换后得到处理后的目标数据。

（三）多源监测创新技术

1、地表岩移观测;通过已回采工作面布设多条观测线，分析确定了各工作面的地表移动角值及概率积分法岩移参数，根据地表移动变形监测数据及FLAC数值模拟中间岩体弹塑性变形规律与特点，实现了对工作面开采覆岩及地表变形的可视化。

2、地表移动InSAR监测数据分析：利用Envi和SARscape软件对雷达影像进行差分干涉处理，得到矿区的D-InSar监测结果。

3、FLAC数值模拟;模拟方案的设计，力学模型的建立及本构模型、各岩层物理力学参数的合理选取，模拟结果分析覆岩多个条带及多种因素对地表移动规律研究。

4、深部条带开采主要影响因素与下沉系数关系研究;建立不同的采深、采留宽、采区尺寸及开采厚度的数值模拟模型，探讨下沉系数与其之间的关系，利用Matlab回归分析得出下沉系数与其之间的函数关系式。

5、技术路线：

三、实施效果及推广价值

绿色矿山建设中多源监测的技术研究成果及时引导当地群众作好农田耕种，稳定了矿区农业生产。推广本项目成果于滕南矿区、济宁矿区和类似条件的矿区，将产生巨大的经济效益和社会效益，对我国东部矿区的挖潜改造和煤炭资源的充分利用具有重要的推动作用。

该研究成果一方面既能使煤炭资源最大可能的有效回收，又能更好的指导矿区的生产开采;另一方面，也为地表建筑物安全损害评定提供了依据。对其它矿井的开采布置及深井开采设计有着重大的指导作用。