一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法与流程

1.本发明涉及地表监测领域，特别涉及一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法。


背景技术：

2.开采沉陷治理是生态矿井建设的一项重要内容，严重影响着开采区域的水、土壤和植被。开采与地表沉陷有着密切的时间和空间效应，矿山开采强度越大，埋深越浅，其表现出的影响程度越明显。目前的主要有十字和井格布点法，埋设监测基点，部分采用insar(雷达干涉测量技术)、gps(全球定位系统)和水准测量三种融合的监测方法，可以得到地表沉陷特征，但监测点未能和开采过程有效融合，无法及时反映开采过程中井下-井上应有的沉陷动态特征。
3.目前地表沉陷监测方案较为单一，布置监测点较多，监测效率和劳动强度难以得到有效平衡。有鉴于此，本发明的发明人提供一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，以解决目前地表沉陷监测方案较为单一，布置监测点较多，监测效率和劳动强度难以得到有效平衡的技术缺陷。
5.为达上述目的，本发明提供一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其包括以下步骤：
6.(1)地下工程开挖前，在地表布置#字形监测线；
7.(2)在地下工程开挖的工作面的开切眼位置设置永久监测点；
8.(3)根据地下工程开挖参数初步确定地表重点监测区域；
9.(4)对监测区域内的各个监测点进行编码登记并装设无线信号接收装置，采用卫星系统、雷达干涉测量技术、无人机航拍或红外光谱光谱摄像、rtk 精密水准测量以预定监测频率对监测区域交叉重叠测量，并实时获得监测数据。
10.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(1)中，在地表的走向方向每间隔距离l1＝h/π设置一条倾向监测线，走向监测线总长度为nh/π，其中，h为开挖埋深，n为自然数。
11.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(1)中，与走向方向垂直的地表的倾向方向的监测线长度为w 4h/π，其中w为开挖宽度。
12.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(1)中，倾向监测线间隔距离与走向监测线间隔距离相等。
13.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(1)中，采用剖面法在地下开挖的下沉盆地的工作面中部分别布设主监测线，走向方向主监测线推进距为nh/2π，所述主监测线由基本点组成。
14.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(2)中，每三个永久监测点为一组且呈三角形布置，所述三个永久监测点所组成的三角形的边长为走向监测线或倾向监测线的间距的一半。
15.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(4)中，所述卫星系统包括bds和gps。
16.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，在步骤(4)中，监测频率如下：利用卫星对永久监测点每1～2天完成一次监测，走向方向每推进到下个监测线之前，监测区域内活动点需完成水准或rtk测量2～3次，无人机2航拍2～3次，雷达干涉测量技术每条监测线需完成一次，直到开挖超过所有监测线为止，其中，所述监测线除主监测线以外的交点为活动点。
17.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，无人机重点航拍开采区域，雷达干涉测量技术重点监测开挖边界及以外范围。
18.所述的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中，所述监测方法适用于近水平开挖工程也适用于具有倾角的开挖工程。
19.本发明的有益效果在于：本发明公开了一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，采用星(bds insar)、空(无人机 红外)、和地(监测站 rtk)一体化监测手段，结合地下工程开挖过程，将三种监测方法进行有效集成用于地表监测，相互配合，丰富监测数据，对于地表形变在监测精度和井下井上联动效应方面具有较大的突破，能够及时预知由于地下工程开挖导致地表沉陷状况，为精准采集与生态开采减损提供理论支撑。
附图说明
20.图1为根据本发明的矿井地表沉陷星空地一体化监测方法的空间布置图；
21.图2为优选实施例的布置图。
具体实施方式
22.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
23.首先如图1所示，本发明提供了一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，其中如图所示，地下工程开挖对应地表的区域为abcd，主要监测区域为abcd，w为开挖宽度，l为开挖长度，h为开挖埋深，m为开采高度。
24.所述监测方法主要包括以下步骤：
25.(1)地下工程开挖前，在地表布置井字形监测线；
26.在地下工程开挖前，在地表布置“#”字形(也称“井”字形)监测线。具体而言，走向方向(图中的长度方向)每间隔距离l1＝h/π设置一条倾向监测线，走向监测线总长度为nh/π(n为自然数)，优选为8h/π，走向方向(也称推进方向)设置8条监测线即可。倾向方向(图中的宽度方向)监测线长度为w 4h/π，倾向监测线间隔距离与走向监测线间隔距离相近即可，也可以相等。其中，走向方向与倾向方向垂直。
27.采用剖面法在地下开挖的下沉盆地的主端面(通常工作面中部)分别布设主监测线，推进方向主监测线推进距为nh/2π(优选4h/π)，工作面方向主监测线布置在工作面中部，所述主监测线由基本点(黑色实心圆点图标)组成，监测线的两端应超出影响范围。
28.本发明根据地表沉陷特征采用井格对井格法布置有限监测点，利用星空地一体监测方法，实现数据互补，进行地表快速有效地精准监测，系统地掌握井下开采、地表沉陷联动效应和全过程发育特征。
29.(2)设置永久监测点
30.根据地表开挖的工作面的开切眼位置，设置永久监测点(图1中的三角形图标)作为对照参考，如图中的三角形图标k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8、k9，每三个三角形图标(如k1、k2、k3)呈三角形布置，三个永久监测点所组成的三角形的边长优选为纵横监测线间距的一半，以便提升监测精度，与开挖边界线(即开挖区域abcd的边界线)的距离主要与地下开采空间的埋深(h)有关，通常该距离l2介于h/π～2h/π。
31.其中，开切眼是指沿采煤工作面始采线掘进，在运输巷和回风巷之间顺煤层掘进一条巷道，使其形成一套独立的回风系统，回风系统形成后才能布置采面采煤一片煤。
32.本发明主要根据开采过程中地表下沉特征，分区域布置永久测点、基本点和活动点，结合埋深和开采强度将地表不同区域采用不同的监测手段，采用星空地一体监测方法，进而可以分类别、有目的精准监测地表沉陷。
33.(3)初步确定地表监测区域
34.根据地下工程开挖参数初步确定地表重点监测区域，即涵盖#字形监测线以及永久监测点，其中，#字形监测线的主监测线上的基本监测点可根据实际需求加设监测点，图中为显示的是最少监测点布置的实施例。
35.(4)对监测区域内各个监测点进行编码登记，装设无线信号接收装置，采用卫星系统(双星：bds gps)、雷达干涉测量技术(insar)、无人机航拍或红外光谱光谱摄像，rtk(载波相位差分技术) 精密水准测量对监测区域交叉重叠测量。其中bds为北斗卫星导航系统。
36.(5)以预定监测频率进行监测
37.监测频率如下：利用卫星1对永久监测点每1～2天完成一次监测，走向方向每推进到下个监测线之前，区域内活动点(图1中的圆圈形图标)需完成水准或rtk测量2～3次，无人机2航拍2～3次，雷达干涉测量技术(insar)每条监测线需完成一次，直到开挖超过所有监测线为止。
38.其中，所述监测线除主监测线以外的交点为活动点。
39.优选地，无人机重点航拍开采区域，insar重点监测开挖边界及以外范围，监测数据可相互补充和完善，从而实时获得监测数据。
40.备选地，上述实施例是近水平开挖地表沉陷进行监测，上述方法对具有倾角的开挖工程也具有相同的适用性。
41.本发明运用开挖埋深和工作面宽度两个参数将井下开采和地表监测连贯起来，实现地表沉陷精准监测，采用系统化方法在地表布置监测点，采用星空地一体化监测方法实现优势互补，达到监测点少，能够简便全面快速的地表监测，为井下井上联动机制、生态减损开采提供数据支撑。
42.优选实施例
43.如图2所示，其为优选实施例的布置图。在优选实施例中，只需知道开挖尺寸和赋存埋深即可，以某矿井工作面为例。
44.已知：开挖宽度w＝300m，推进长度l＝5200m，采高m＝8.8m，埋深h＝145m～234m，
倾角小于1～5
°
。为方便起见参数选用平均数计算，故w＝300m，l＝5200m，m＝8.8m，h＝190m，计算如下：
45.走向监测线总长度为8h/π＝8*190/3.14＝484m，可划分四个区段，每个区段间隔l＝484/4＝121m；每间隔h/π布置一条监测线，既平均60m布置一条监测线，走向布置l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8、共8条监测线。
46.倾向监测线长度为w 4h/π＝300 4*190/3.14＝542m，故倾向监测区域选定为550m，参考走向60m监测，倾向每间隔50m设置一条监测线，如图中w0、w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9、w10，计11条测线。
47.永久测点布置在切眼和巷道外侧，距离开采边界范围为60～120m之间，近似三角形布置，边长为监测线距离的一半，约为25～30m，共布置9个永久测点，72个网格测点，共计81个监测点。
48.监测频率为：图中基本点(黑色实心圆点图标)每一周至少完整监测两次，活动点(圆圈形图标)在开采前至少完成两次监测，insar技术重点监测巷道两侧沉陷，即w3、w4、w5、w6、w7、w8、w9、w10监测线区域，无人机航拍重点监测w0、w1、w2、w3、w4、w5监测线区域，将上述监测数据相互补充和完善，从而实时获得监测数据。
49.综上所述，本发明的有益效果在于：本发明公开了一种矿井地表沉陷星空地一体化监测方法，采用星(bds insar)、空(无人机 红外)、和地(监测站 rtk)一体化监测手段，结合地下工程开挖过程，将三种监测方法进行有效集成用于地表监测，相互配合，丰富监测数据，对于地表形变在监测精度和井下井上联动效应方面具有较大的突破，能够及时预知由于地下工程开挖导致地表沉陷状况，为精准采集与生态开采减损提供理论支撑。
50.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。