老采空区残余变形监测技术与预计方法述评

2022-05-08庄婧屈正一

现代矿业 2022年4期

庄婧屈正一

（河北工程大学矿业与测绘工程学院）

开采活动结束后，地表活动逐渐趋于稳定，但地下因煤炭开采形成的地下空洞、岩体中的离层、裂缝和垮落岩块的欠压密等现象长期存在［1］，此时在老采空区上方进行建筑、交通建设等土地再利用活动时，会打破工作面首采后覆岩运移结束的平衡状态，导致老采空区地表的二次沉降，进而致使地表建（构）筑物损坏。传统的地表沉降监测需耗费大量人力、物力，且时间跨度较长，而老采空区已无生产价值，所以矿山一般疏于对老采空区残余变形的监测。在现有研究中，残余变形监测技术应用最为广泛的是传统水准测量，该方法测量结果稳定，但耗时、费力，无法对采空区进行持续监测［2］；此外，还有三维激光扫描技术、无人机倾斜摄影测量技术及合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR）。

其中，三维激光扫描技术以其高精度、高效率、非接触式测量而被广泛应用，使得传统的点测量方式逐渐向面测量转变［3］，现多应用于开采沉陷监测中，并取得了良好的成果［4］。无人机倾斜摄影测量技术可以通过提取采空区前后2 期DSM 上的走向线与倾向线观测站的各点高程，进行变化量的计算，来达到残余变形监测的目的，该技术应用成本较低，使用灵活，能够将监测区域的整体情况展示给用户［5］。而InSAR 技术可以通过存档数据，监测老采空区的变形历史［6］，从而获得老采空区残余变形数据，为老采空区稳定性评价提供基础。这3 种技术方法都很好地弥补了传统监测方法的缺点，且都满足残余变形监测的精度要求，但3种监测方法各具优缺点。目前残余变形预计方法主要分为动态和静态2种预计方法。静态预计主要判别地表下沉最终状态，包括剖面函数法、影响函数法等，其中影响函数法我国学者引入后，演化为概率积分法，该方法在我国应用较为成熟。动态预计主要可以实现采空区的动态监测，应用较多的为Knothe时间函数模型等。

因此，本研究对上述3 种方法分别进行论述，通过归纳对比，以期为相关老采空区监测工作提供最佳方案；为后续构建残余变形预计模型提供获取高精度建模数据的方法。

1 地表沉降监测技术

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是测绘领域近些年来技术综合进步的代表之一，它综合了测量、图像以及图形处理等多种学科基础［7］。目前，三维激光扫描技术虽然在地表沉降监测方面可以弥补传统测量方法的不足，但是根据国内外学者的比对研究中，所得到结论存在争议。

柏文娟［8］通过对同一矿区的2 期三维激光扫描测量与同期传统测量方法所获得的数据进行比对，得到两者监测结果误差达毫米级，满足矿区开采沉陷、残余变形监测的标准；邢正全等［9］通过设计相应的模拟实验，对2次不同时期测量所得的地表模型进行分析，得到的结果表明三维激光扫描技术应用于开采沉陷监测在精度上完全满足要求。因此，根据已有研究，将三维激光扫描技术的优势总结为以下3点。

（1）非接触式测量［10］，外业操作简单，可以应用于各种矿山的复杂地理、地质条件，完成传统测量中人员、仪器难以完成的矿山测量工作。

（2）分辨率高，测量精度可达毫米级［11］。

（3）可外接GPS、数码相机等，实现更全面、立体的沉降监测［12］。

但部分学者认为三维激光扫描测量技术存在一定的局限性：如受软件算法的局限，点云数据去噪处理不完善，一定程度上影响了精度［10］；被测区域内距观测站的距离远近也会在一定程度上影响观测精度，离观测站近则精度高，反之则精度降低［13］；被测区域内的植被等会在一定程度上影响精度［2］；进行三维建模时，克利金（Kriging）插值算法计算出的数据与实际地表信息数据存在偏差［14］。

1.2 无人机倾斜摄影测量技术

无人机倾斜摄影测量以其搭载的五镜头倾斜相机，实现了正摄、前视、后视、左视、右视等5个方位拍摄，能够获得更加完整的数据信息，促进了包含矿山开采沉陷监测在内的矿山测绘从二维向三维的转变［15］。通过在某露天矿场中运用倾斜测量技术，将测量结果利用ArcGIS、inpho、Smart3D 等软件得到高分辨率DOM 影像与三维立体模型，可以对矿山进行更加安全的动态监测［16］，通过倾斜测量获取矿区的DEM、DSM、TDOM 等测量成果，为矿山开采范围监管提供了数据，同时也确定了无人机倾斜摄影测量技术的精度等级为厘米级［17］；通过倾斜测量技术建立带纹理的矿山实景三维模型，将量测模型得到的数据与使用GPS-RTK 技术得到的数据比对，符合大部分工程的应用需求［18］。但是有部分学者认为在矿山开采沉陷监测中单独使用无人机倾斜测量存在较多缺陷，如植被区的高程精度无法保证，像控点测量需要减免等［19］。

河道纵向剖面规划设计应保护河道与河道、河道与湖塘之间的连通性，不设或少设挡水建筑物及构筑物。对河道内已建的壅水、阻水或影响河道排涝能力的建筑物，应给予改（扩）建或拆除。不能拆除的应考虑通过改变运营方式等保持水流畅通，或修建跌水与鱼道工程。

1.3 InSAR技术

合成孔径雷达干涉测量（InSAR）诞生于20 世纪50 年代，是一种结合了高分辨率成像、合成孔径雷达（SAR）和干涉测量技术的卫星成像技术，InSAR 以其高精度、全天候、大范围覆盖等优点引发了以InSAR技术为基础的研究热潮，衍生出许多基于InSAR的新技术，如PS-InSAR、GPS-InSAR 融合技术、CR-PSIn-SAR 联合测量技术、SBAS-InSAR 技术、基于相干点目标点的多基线D-InSAR技术等。

20 世纪90 年代，研究人员发现D-InSAR 在矿区地表沉陷监测中的应用极具潜力，具有信息量大，无需建立地面控制网即可实现大面积监测等优点，且应用较为成熟。D-InSAR 是通过一系列的操作，将其他因素引起的相位消除，只剩下由地表形变引起的相位，然后通过相位差分、地理编码等操作来研究矿区地面沉降信息。

D-InSAR 在矿山沉陷监测中的应用研究，特别是残余变形监测方面的研究较多，刘晓菲等［20］通过对某矿区的PAL-SAR影响数据进行处理得到徐州某老采空区的地表形变场，发现尽管地下工作面开采已结束15 a 以上，其地表依旧尚有残余沉降，证明对老采空区进行残余变形监测十分必要。但仅仅依靠D-InSAR 技术进行地表沉降监测，会存在不同程度的时空失相关和大气效应，所以许多研究将不同的技术与D-InSAR 进行有机结合以克服此问题［21-22］。如魏纪成等［23］提出将D-InSAR 与PS-InSAR 技术有机结合，通过与实地踏勘对比，验证了此方法的可行性。但是PS-InSAR 不能很好地解决D-InSAR 监测过程中的时间、空间去相干，研究认为SBAS-InSAR技术可以很好地弥补这一缺陷［24］，适合应用于老采空区的残余变形监测中。

1.4 结果比对分析

老采空区的残余沉降是缓慢且渐变的，所以残余沉降监测对精度的要求十分高，三维激光扫描技术及InSAR技术的监测精度最高可达毫米级，而无人机倾斜测量技术的监测精度达厘米级。就监测精度方面看，三维激光扫描技术及InSAR技术可达传统地表沉降监测精度，同时也满足《煤矿测量规范》要求精度。从残余沉降监测工作效率及工作量方面看，三维激光扫描技术虽减轻了外业工作负担，但是依旧需要测量人员定时、定期进行外业监测，且点云数量庞大，内业工作繁重［11］。而InSAR 技术可以通过存档数据，监测老采空区的变形历史，从而获得老采空区残余变形规律［25］，在老采空区土地再利用时进行监测及稳定性评价，有效地减免监测工作的冗余。综上所述，从精度和工作有效性2 个角度对比3 种方法后，认为InSAR技术是监测老采空区残余变形量的最佳方法（表1）。

2 残余变形预计模型

在老采空区土地再利用时，需对其进行长期的稳定性评价，不仅需要对其残余沉降进行监测，根据监测数据进行残余沉降变形预计也是关键所在。因此，国内外许多学者研究提出了相应的预计模型。

2.1 预计模型建模方法

此外，还有学者通过BP 神经网络模型及人工神经网络进行老采空区残余沉降建模［29］。目前，更多关于采空区的残余变形预计方法是将概率积分法与各种预计方法结合来进行残余变形的预计，如运用概率积分法推导残余变形计算公式，结合数值模拟法计算采空区注浆处理时的渠道开挖前施工活动中的场区位移［30］；罗佳竺等［31］结合概率积分法沉陷理论和WSPS软件建立残余变形预计模型；解陈［32］运用概率积分法来推导地表残余变形的静态预计公式，并应用黏弹性体开尔文模型，建立了残余下沉时间函数等。通过上述方法，对老采空区的稳定性及残余沉降进行预计，从而达到提高土地再利用的安全性，对矿业城市的建设具有重要意义。

地表最大残余沉降值可以直接反映老采空区残余变形的强度，并控制着其他移动变形量，是衡量残余移动变形的主要指标。目前残余变形预计多基于实测数据，通过概率积分法建立相关经验公式，因此上述预计模型对老采空区的残余变形量预计具有一定的适用性。

2.2 InSAR在残余变形预计中的应用

可靠的残余变形监测方法是所有残余变形预计模型的精度保障，上文总结出InSAR 技术是最佳残余变形监测方法，在此探究基于InSAR 监测的残余变形预计模型十分必要。目前，对InSAR 应用在残余变形预计中的研究非常少，研究更多的是基于In-SAR 的开采沉陷预计模型，但是对于残余变形，究其根本也是属于开采沉陷的一种，因此通过梳理基于InSAR的开采沉陷预计模型，与上文概率积分法在残余变形预计模型中的应用寻找共同点，来论述InSAR在残余变形预计模型中的可行性。

刘沂轩等［33］将D-InSAR 与offset-tracking 技术融合，建立了基于InSAR 与概率积分法的残余变形预计模型，成功预计了废弃采空区的残余变形，证明DInSAR 可以为研究废弃采空区的残余变形提供基础数据，同时D-InSAR 与概率积分法融合，可以更有效地实现矿山开采沉陷监测与预计的一体化［34］。闫大鹏［35］发现可以直接通过测量D-InSAR 中间成果的色周直径，得到拐点偏移距S、主要影响半径r等预计参数，并且将D-InSAR 计算所得的最大下沉值代入到概率积分公式中反演出折减系数η，从而完成概率积分法中所有参数的非主观定值，这种模型反演方式，可以修正概率积分模型中的经验参数，使得预计成果更准确。

可以看出，D-InSAR 可以获得精度较高的实测数据，保证后续残余变形预计模型的建模精度。