矿井采空区变形监测技术研究进展分析

许永杰

(汾西矿业集团南关煤业，山西 晋中 031300)

随着煤炭资源的不断开采，矿区采空区面积不断扩展，地面沉陷问题日益严重。掌握采空区地表变形规律，对后续三下开采、地面构造物保护等具有重要意义[1]。文中综述了当前矿井采空区变形监测技术的研究进展，对矿井采取的常规变形监测技术、三维激光扫描技术、雷达探测技术使用过程中存在的问题进行分析总结，并对PSInSAR(永久散射体干涉测量)技术在矿井采空区变形监测中的应用可行性进行探讨，以期能在一定程度上为矿区采空区变形监测提供一定借鉴参考。

1 常规采空区变形监测技术

现阶段矿井采空区变形监测中最为常用的技术是采用变形计、测斜仪、沉降仪等测量仪器对地表变形直接监测，以及在矿井开采范围内布置地面观测站(包括三角高程测量、水准测量以及导线测量等)。由于GPS技术不断发展，该技术在矿井采空区变形监测中的应用不断广泛，可以实现高精度、全天候、无需同时以及高效率对矿井采空区变形监测[2]。

优势与弊端分析：采用常规的测量仪器对矿井采空区变形进行监测，光学仪器设备便于携带、测量精度高，同时对外界环境要求不严苛，可以在不同的矿区或者不同的测量环境中使用。其主要缺点是需要长时间在野外进行测量，后期的测量数据处理工作量大。同时采用人工测量方式，难以实现连续、实时对矿井采空区变形监测，不利于对矿井后续采空区变形情况进行预测预报。

虽然采用GPS测量技术可以在一定程度上弥补常规变形监测技术弊端，实现大范围监测采空区变形，但是由于测量点位较为稀疏，测量结果不理想。同时，采用GPS测量时由于本身的空间分辨率不高，无法实现采空区高空间分辨率监测需要。

2 三维激光扫描测量技术

采用常规的水准仪、全站仪，需要采用人工监测采空区变形，自动化程度低。三维激光扫描测量技术的发展改变了上述局面。三维激光扫描测量是通过激光扫描仪对待测区域进行非接触式扫描，得到表征测量区域表面特征的三维点云，通过对比不同时期获取到的监测数据，从而获得采空区变形情况。三维激光扫描测量技术具有测量速度快、数据密度高，受到外界环境干扰小等优点，同时具备较强的数据获取能力，可以实现远距离测量，提高了测量安全性[3～4]。

三维激光扫描测量技术为矿井采空区变形监测提供了较好的监测手段，在矿井中的应用也逐渐广泛。如，陈凯等[x]构建了矿井采空区三维激光扫描系统，通过对采空区地表变形区域进行扫描，测量系统的测量精度可以达到cm级。但是，在现场应用过程中存在采空区体积较大、存在一定测量盲区等问题。李永强等[x]将常规的测量方法与三维激光扫描相结合，构建了测量区域采空区变形三维点云数据，并将数据中的地表变形量与水准测量中的变形量比对，差值平均仅为1.7cm，表明三维激光扫描测量在采空区变形监测中测量结果可靠性较高。

三维激光扫描测量现场应用过程中面临的主要问题为：采用三维激光扫描测量虽然可以获取大量的采空区变形监测数据，但是长距离测量时，测量结果精度偏低，当对测量精度有较高要求时，必须采用全站仪等仪器进行辅助测量。此外，现阶段的三维激光扫描仪费用昂贵，获取的测量数据多且较为散乱，数据处理工作繁琐且复杂，需要根据测量技术对相关的变形监测理论、数据处理方法等展开深层次研究，包括有三维监测模型的构建以及测量对象模型的匹配等。

3 雷达测量技术

雷达测量技术相对于常规采用的GPS、全站仪等而言，使用中受到外界环境影响小，可以实时获取监测数据，同时测量获取的图像分辨率较高，可以应用与地表变形监测中。雷达测量技术常用的数据处理技术为：

1)InSAR以及D-InSAR

InSAR(合成雷达干涉技术)技术通过飞机或者航天卫星搭载的雷达系统，根据测量目标与雷达测量天线间位置关系，通过传感器高度、波束视向、雷达波长以及天线、基线间关系，对获取到的监测数据图像进行处理，通过SAR影像中含有的相位信息来获取监测目标的变形及三维信息。采用遥感卫星的InSAR测量获取的雷达图形观测范围可以达到几百公里以上，通过对比不同时期的雷达影像，即可快速获取地表变形数据。

D-InSAR(差分干涉技术)是在InSAR技术上发展起来，测量精度可以达到mm级，具体的D-InSAR技术的数据处理流程见图1。

图1 D-InSAR技术的数据处理流程

众多的学者采用该技术对矿井采空区变形进行监测，如范洪冬[x]将D-InSAR测量结果与地表实测结果相融合构建了采空区上方构筑物变形模型，研究结果表明测量点间的下沉量最大值误差在3mm以内，相对误差控制在2.2%以内，测量结果可靠，解决了老采空区地表变形监测数据少，难以构建时序变形模型等问题，为矿井采空区变形监测提供了新的思路。李楠[x]将ALOS与D-InSAR相结合，对安徽某矿采空区地表变形进行反演，并将沉陷区划分成若干个精细化区并进行干涉处理，结果表明，在采动区内地表沉降速度在2.04～3.65mm/d，并将1.67mm/d作为判别标准对采空区地表活跃情况进行判定，从而实现对矿区采空区沉陷情况进行综合判定。

D-InSAR技术具备覆盖范围广泛、测量结果空间分辨率高等优点，可以避免直接接触测量存在的弊端，可以对采空区内微小的变形进行精准测量。但是，D-InSAR技术在应用过程中存在一定的局限性，具体表现为由于大气效应以及时空相关干性的影响，造成获取到的数据时间分辨率较低，同时，D-InSAR测量精度受到相位解缠精度的制约。

2)D-InSAR集成GPS

D-InSAR及GPS具有各自的特点，D-InSAR对高程信息比较敏感，同时测量精度为亚厘米级，但是时间分辨率较低，而GPS时间分辨率可以达到十几毫秒，将两项技术集成融合，可以对矿井采空区变形监测得到更高精度的监测结果，具体见图2。

图2 D-InSAR/GPS融合示意图

相关的学者已经对D-InSAR集成GPS技术进行了研究，如谢勇[x]将该技术应用前景进行分析，指出该技术应用时在模型、算法方面仍存在一定的问题，罗海滨[x]则对算法进行优化，使得测量技术在少量GPS观测点情况下仍可以取得较好的测量结果。龙四春[x]采用D-InSAR集成GPS技术对矿井采空区变形进行监测，测量数据中个别点位受到地表植物影响，造成结果偏差在2.8cm，但是其余的监测点监测精度较高。现场应用表明了D-InSAR集成GPS可以充分发挥各个监测技术有点，极大的提升变形监测结果准确度。

3 总结

随着科学技术的不断发展，新的测量技术以及测量设备不断涌现，给矿井采空区变形监测提供了新的监测方法。采空区变形监测技术发展体现了测量过程中自动化、测量数据的高精度化，数据处理的信息化以及专业化。现阶段采用的各种监测技术均有其自身特点及适用性，在实测测量中应根据自身工程特点，选用合理监测技术，在满足安全、精度情况下，快速的对采空区变形进行监测。