S1306工作面开采沉陷“天-地”协同监测方案研究

张晓岩，路 鑫

(潞安化工集团有限公司 古城煤矿，山西 长治 046000)

古城煤矿自投产至今，全面的地表沉陷监测数据相对缺乏，工作面开采所引起的地表变形规律不够明确，对厚煤层综放开采条件下地面沉陷机理的研究不够深入，从而导致适用于本矿区的地表移动角值参数及开采沉陷预计参数尚不完备。高精度的地面水准和位移监测是研究地表移动变形规律的重要手段，但传统的“十字线”地表移动观测站只能获取主断面上的“点状”信息，不能完全反映整个盆地的移动变形特征，导致所求取的角量参数具有不确定性。

本文以古城煤矿S1306工作面为观测工作面，对地表沉陷“天-地”(“天”指无人机低空雷达测量；“地”指传统地面测量)协同监测的技术方案进行设计，以获取高精度、面状的地表变形信息。研究成果可为后续沉陷规律研究和预计参数反演提供数据基础，亦对指导保护煤柱留设和“三下”压煤开采、对矿区生态修复及环境后评价[1-3]。

1 工程概况

S1306工作面位于古城煤矿南部一采区，地势平坦，地表多为农田；周边村庄和公路较多，东以常庙线农村公路为界，南临西酪余村，西侧有王史村，北临东李高村。工作面走向长约2 100 m，倾向宽约360 m，煤层平均厚度6.15 m，倾角约为5°，平均采深536 m；松散层厚度约90 m.综合放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面井上下对照情况如图1所示。

图1 S1306工作面井上下对照图及测点布置图

2 地表岩移观测方案

2.1 地表岩移观测站设计

2.1.1 设计参数选取

根据矿区生产资料，结合本矿S1306工作面具体情况，并参考周边煤矿(五阳煤矿)的地表实测沉陷参数，选取S1306工作面岩移观测站的设计参数如表1所示。

表1 S1306工作面地表移动观测站设计参数

为确保观测线沿煤柱一侧的边界不受开采影响，观测线应有足够的长度。因此，按煤矿测量规程取各种移动角的调整值：Δγ=Δβ=Δδ=20°.

2.1.2 观测站位置设计

1) 倾向观测线位置设计。为保证倾向观测线通过充分采动区，观测线到开切眼的距离D必须满足公式(1)[4]：

D≥(H0-h)cot(δ-Δδ)+hcotφ

(1)

式中：H0为工作面平均采深；h为松散层厚度，取90 m；δ为走向移动角；Δδ为走向移动角修正值；φ为松散层移动角。

经计算得：D≥399 m，即倾向观测线与开切眼的距离必须大于399 m.

2) 走向观测线位置设计。S1306工作面煤层倾角α=5°，为尽可能保证走向观测线通过最大下沉点，走向观测线应从工作面中间向下山方向偏移。根据五阳煤矿实测最大下沉角，S1306工作面下山方向偏移量P应满足公式(2)：

P=(H0-h)cotθ

(2)

式中：H0为回采工作面平均开采深度；h为松散层厚度；θ为最大下沉角。

将参数值带入公式(2)计算得：P=39 m.此外，由于S1306工作面倾向宽360 m<1.4H0，倾向方向未达到充分采动，所以走向观测线设置为一条。

2.1.3 观测线长度设计

1) 倾向观测线长度设计。倾向观测线长度必须保证覆盖上山盆地半长、下山盆地半长和工作面的宽度，并有一定的安全距离，因回采工作面倾向方向未达到充分采动，所以布置整条观测线，倾向观测线最小长度可按公式(3)计算[5]:

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

(3)

式中：φ为松散层移动角；H1、H2分别为上、下山方向采深；Lcosα为工作面水平投影宽度；其它符号含义与前述相同。

经计算，得到倾向观测线长度约为1 224 m.从与走向观测线交叉点开始，上山方向长度约为640 m，下山方向长度为584 m.

2) 走向观测线长度设计走向观测线要保证停采线方向延伸出沉陷盆地边界范围之外，工作面之内要测到最大下沉点，全长走向观测线长度可用公式(4)计算[5]：

L走向=2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ)+l1

(4)

式中：h为松散层厚度；φ为松散层移动角；H0为平均采深；δ和Δδ分别为走向移动角及其修改值；l1为工作面走向长度。

经计算得到，走向观测线长度约为2 898 m，其中，工作面外侧约782 m，工作面内侧约2 111 m.

2.1.4 观测点数目及密度的确定

观测线上的测点数目及其密度，主要取决于开采深度和设站的目的。根据《煤矿测量规程》，采深大于400 m时，测点间距为35 m；控制点间距为50 m.经计算，需布置工作测点120个，倾向观测线上布置40个测点，走向观测线上布置80个测点；其中，控制点9个(走向3个，倾向6个)。测点具体位置如图1所示。

2.2 观测内容

地表移动观测站的观测工作主要包括：连接测量、全面观测、日常观测等。具体如下：

2.2.1 连接测量

与测区内已知控制点进行连测，以获得观测站控制点的平面位置和高程。在观测点埋好10～15 d、点位固结之后，独立进行两次，点位中误差需小于7 cm，高程测量按三等水准的精度要求进行。

2.2.2 全面测量

全面观测是确定各测点的初始位置和高程。需连接测量后、地表开始移动之前，独立进行两次全面观测，两次观测时间间隔小于5 d.两次观测的同一点高程差小于10 mm，同一边的长度差不大于4 mm时，取平均值作为观测站的原始观测数据(又称初次观测)。

2.2.3 日常观测

日常观测工作，指的是首次和末次全面观测之间适当增加的水准测量工作。在回采工作面推进0.2～0.5H0后，每隔4～5 d进行一次水准测量。在移动过程中，视地表下沉速度， 1～3个月观测一次。实测按四等水准测量的精度要求进行。

观测站的各项观测，如表2所示。

表2 观测站观测程序

3 无人机激光雷达监测方案设计

无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)激光雷达监测原理与地面三维激光扫描原理相同，是以无人机作为观测平台，对同一位置地表在不同时段进行两次扫描，获得两个时刻地表的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)，用两期DEM相减，可以得到监测区域的地表的实测下沉值，同时根据动态求参原理，获得地表移动变形参数[6]。其原理如图2所示。

图2 UAV-Lidar沉陷盆地获取原理图[6]

无人机飞行平台拟选择大疆M600Pro；激光雷达选择智喙ARS-450i激光测量系统，它集成高精度激光扫描仪(测距精度5 mm)、GPS、IMU等传感器，可获取三维激光点云和定位定姿数据；通过配备的数据处理和应用软件，可以快速生成DEM，制作3D模型。

3.1 飞行范围确定

工作面开采引起地表沉降的范围即为无人机激光雷达测区飞行范围。利用测区地质资料及相关参数，结合收集的采掘工程平面图、井上下对照图等，规划无人机地表监测范围为3 761 m×1 623 m，约6.1 km2.

3.2 飞行参数设置

飞行参数主要有重叠度、飞行高度。根据摄影测量规范，并结合工作面的地形条件和精度要求，设计航向重叠率和旁向重叠率为均30%.地面分辨率设置为6 cm，利用相机的焦距(15 mm)和像元尺寸，得到本次项目设计的相对飞行高度为65 m.S1306工作面无人机激光雷达设计航线如图3所示[7-9]。

图3 古城煤矿S1306工作面无人机激光雷达飞行范围及航线

3.3 数据后处理

无人机外业结束后的数据后处理主要包括：POS解算、点云融合、点云滤波和DEM构建等内容，分述如下：

3.3.1 POS解算

主要是用基站收集的GNSS静态数据和POS数据(移动站GNSS数据+IMU数据+里程计数据)组合解算，以输出后期数据出来所需的高精度定位定姿数据[8]。

3.3.2 点云融合及精度验证

点云融合是将机载激光雷达系统采集到的原始数据进行融合处理，生成平面坐标的点云文件，以进行后续的点云滤波及DEM构建。进行精度验证，可保证点云数据的真实可用性。

3.3.3 点云滤波

其目的是提出三维点云数据中的非地面点，如植被点、建筑物点、车辆点、桥梁点和电力线点等，以构建生成DEM。目前主流的点云滤波算法有不规则三角网渐进加密、分层稳健线性内插、渐进窗口数学形态学滤波、基于坡度的滤波方法等。

3.3.4 构建DEM

利用前期处理得到的优质点云数据，采用规则格网或不规则三角网进行测区DEM的构建；两期DEM相减即得到测区下沉盆地。

4 结 语

1) 本文通过设计观测线位置、长度、数量，以及观测方法等内容，建立了完整且可靠的传统地表岩移观测站，有利于后续获取各种岩移参数，总结研究区地表的移动变形规律。

2) UAV激光雷达监测地表沉陷有重量轻、携带方便、成果处理效率高的优点，因此为了更全面地研究地表沉陷规律，本文详细设计了UAV激光雷达监测方案，包括无人机飞行范围划定、飞行参数设置、实测步骤介绍以及最后数据处理流程等内容，其中后期数据处理的精确与否是获得岩移规律和岩移参数的关键。

3) 监测矿区地表沉陷有多种方法，除了上述两种之外，仍可以考虑利用InSAR大规模监测不同时间跨度的地表沉陷情况。关于综合运用“空-天-地”三种监测技术来获取岩移规律和地表移动参数，也是未来开采沉陷领域的重要趋势。