CN105929462A - 一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其步骤包括：选取西部矿区典型工作面现场，掌握工作面具体开采参数；利用低相干条件下D‑InSAR影像高精度配准算法处理工作面采动全过程的地表形变雷达卫星SAR影像数据，得到工作面采动地表动态形变情况；利用氡气地表探测井下工作面覆岩采动裂隙动态发育状况；采用小波变换分析方法，分析工作面具体开采参数与采动地表形变、采动裂隙发育三者之间的动态耦合关系，该动态耦合关系表征西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律。本发明将卫星遥感方法与放射性测量方法引入到煤炭地下开采领域，可精确、快捷、有效地揭示西部浅埋煤层开采覆岩动态活动特征。

Description

一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法

技术领域

本发明属于煤炭资源地下开采技术领域，涉及一种探测煤层开采覆岩动态活动规律的方法，特别涉及一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法。

背景技术

随着东部矿区煤炭资源的枯竭，中部矿区资源与环境约束的矛盾加剧，我国煤炭资源开发的重心已快速转移至西部生态环境脆弱地区，并已初步形成了西北五大煤炭基地(陕北、黄陇、神东、宁东、新疆)。西部矿区煤层的典型禀赋特性是埋藏浅、厚度大、基岩薄、地表生态环境脆弱。在“煤炭黄金十年”高速发展期，煤炭资源的大规模、高强度、粗放式开采，引起采动覆岩(从煤层顶板至地表)裂隙发育高度大于基岩厚度，导致采场覆岩破断易直接波及至地表，出现顶板整体台阶下沉，采场矿压显现剧烈，采动地表形变严重。同时，井下开采对地表生态环境影响更为敏感和剧烈，极易造成地下水系破坏、地表植被退化、土地荒漠化加剧等，使本就十分脆弱的生态环境遭受毁灭性破坏。煤炭开采引发的生态环境损害问题已成为社会关注的焦点，煤炭资源生态环境保护性开采已成为国家可持续发展战略要求以及《国家中长期科技发展纲要》重点领域的优先主题。因此，在国家供给侧改革大背景下，如何准确有效地掌握我国西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律，已成为西部矿区煤炭资源实现科学开采的重要理论基础。

当前，在采动覆岩活动特征工程实践方面，缺乏一种可靠、有效、易操作的探测方法与手段。现有的探测方法和手段(如GPS观测法、钻孔电视法、钻孔电阻率法等)往往存在工程量大、操作复杂、成本较高及数据获取困难等缺点。现有方法与手段往往会受到具体采矿地质条件的影响而导致现场探测效果较差，例如受工作面超前采动支承压力影响而难以实现全程监测，无法完全反映井下工作面采动全过程，不能准确判定上覆岩层的动态活动规律，更难以判定其内部的采动裂隙是否与上部松散含水层相连，严重影响了矿井安全、绿色、高效开采技术的有效实施。因此，亟需对采动覆岩动态活动规律探测方法与手段进行创新。

氡气，是目前人类所能接触到的唯一具有放射性且最重的惰性气体。由于氡气具有放射性，即使浓度很小，其也可被测出；同时它又具备惰性气体的性质，即可在微裂隙或微孔隙中传输和积聚，近年来，氡气探测技术已开始应用于矿产资源勘查、工程地质探测及地质灾害预测预报等方面。合成孔径雷达差分干涉测量(DifferentialInterferometric Synthetic Aperture Radar，D-InSAR)是一种利用遥感卫星获取复雷达图像相位信息提取地表形变特征的新兴技术。D-InSAR测量技术应用研究成果相对丰富，特别是在大区域范围地表形变监测、油气等开采区地面沉降观测及煤炭开采区地表沉陷探测等方面较为广泛。然而，遥感影像高精度配准是雷达干涉测量的重要前提，其配准精度直接影响生成干涉图的质量和地表形变提取精度，一般应保证配准精度达到子像元级；我国西部矿区地表一般为厚松散风积沙层覆盖，且工作面开采过程中易发生剧烈形变，导致地表覆盖特征变化较大，雷达干涉条纹的相干性较低，属于典型的低相干条件。在低相干条件下，采用传统算法往往导致配准精度较低，以致后续生成的雷达干涉图质量更低，甚至无法生成雷达干涉图。因此，针对工作面采动地表(属于小范围区域)形变实时动态监测方面的研究则较少。目前，也尚未有将“D-InSAR测量(空)”与“氡气地表探测(地)”两种方法融合用于探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的报道。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，该方法基于“空-地”联合探测，能够精确、快捷、有效地揭示西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律。

技术方案：本发明所述的一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，包括如下步骤：

步骤1，选取西部矿区典型工作面现场，掌握工作面具体开采参数；

步骤2，利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法处理工作面采动全过程的地表形变雷达卫星SAR影像数据，得到工作面采动地表动态形变情况；

步骤3，利用氡气地表探测井下工作面开采覆岩采动裂隙动态发育状况；

步骤4，根据测得的采动地表动态形变情况、采动裂隙动态发育状况，采用小波变换分析方法，分析工作面具体开采参数与采动地表形变、采动裂隙发育三者之间的动态耦合关系，该动态耦合关系表征西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律。

具体的，步骤2中，工作面采动地表动态形变情况由如下步骤得到：

步骤21，获取工作面“采前-采中-采后”全过程的多景雷达卫星SAR影像数据；

步骤22，利用低相干区D-InSAR影像高精度配准算法将所有SAR影像数据采样到同一个坐标系中，根据SAR影像数据之间的时间和空间基线分布以及相干性大小，生成工作面采动地表多景干涉条纹图；

步骤23，在定标和配准好的SAR影像中探测出可作为永久散射体的点；

步骤24，通过离散点解缠和粗差点剔除方法反演工作面采动地表相干点处的形变结果；

步骤25，对该形变结果进行大气误差和轨道误差校正后，得到工作面采动地表动态形变情况。

上述步骤3中，利用氡气地表探测井下工作面覆岩采动裂隙动态发育状况的方法包括：

步骤31，在工作面地表从开切眼对应位置开始，沿垂直于工作面走向方向间隔布置氡气测线，在任一氡气测线上间隔布置氡气测点；

步骤32，采用α杯累积测氡仪及连续测氡仪实时测量工作面开采过程中各个测点处的氡气浓度变化情况，反演分析井下工作面开采覆岩采动裂隙的动态发育状况。

进一步的，步骤31中，相邻两条氡气测线之间的距离为20～30m，任一氡气测线上相邻两个氡气测点之间的距离为10～20m。

上述步骤32中，α杯累积测氡仪的探杯埋设深度为30～40cm；连续测氡仪的抽气杆打孔深度为50～60cm。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点在于：(1)本发明基于“空-地”联合探测，将卫星遥感方法与放射性测量方法引入到煤炭地下开采领域，利用D-InSAR测量工作面采动地表动态形变情况，同时利用氡气探测覆岩采动裂隙动态发育情况，通过两者的结合，可精确、快捷、系统、有效地揭示西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律，开创了煤炭地下开采领域中覆岩动态活动规律探测的新思路；(2)本发明利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法对雷达卫星SAR影像数据进行处理，可有效改善图像提取精度，克服了传统算法在低相干条件下配准精度低、后续生成的雷达干涉图质量低、甚至无法生成雷达干涉图的缺点，使得D-InSAR测量技术可应用于小范围区域的工作面采动地表形变实时动态监测。

附图说明

图1为步骤2中利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法对雷达卫星SAR影像数据的处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，包括如下步骤：

步骤1，选取西部矿区典型工作面现场，掌握工作面具体开采参数。

步骤2，利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法处理工作面采动全过程的地表形变雷达卫星SAR影像数据，得到工作面采动地表动态形变情况；

具体的，本步骤中：

首先，获取涵盖工作面“采前-采中-采后”全过程的多景TerraSAR-X雷达卫星SAR影像数据；

其次，利用低相干区高精度配准算法将所有SAR影像数据采样到同一个坐标系中，根据SAR影像数据之间的时间和空间基线分布以及相干性大小，生成工作面采动地表多景干涉条纹图；

再次，在定标和配准好的SAR影像中探测出可作为永久散射体的点；可基于幅度离散指数或相位稳定性原则等方法探测可作为永久散射体的点；

然后，通过离散点解缠和粗差点剔除方法反演工作面采动地表相干点处的形变结果；

最后，对该形变结果进行大气误差和轨道误差校正，得到工作面采动地表动态形变情况。

步骤3，利用氡气地表探测井下工作面覆岩采动裂隙动态发育状况；

首先，在工作面地表从开切眼对应位置开始，沿垂直于工作面走向方向间隔布置氡气测线，在任一氡气测线上间隔布置氡气测点；其中，相邻两条氡气测线之间的距离可为20～30m，任一氡气测线上相邻两个氡气测点之间的距离可为10～20m；

然后，采用α杯累积测氡仪及连续测氡仪实时测量工作面开采过程中各个测点处的氡气浓度变化情况，反演分析井下工作面覆岩采动裂隙的动态发育状况；其中，α杯累积测氡仪的探杯埋设深度为30～40cm；连续测氡仪的抽气杆打孔深度为50～60cm。

步骤4，根据测得的采动地表动态形变情况、采动裂隙动态发育状况，采用小波变换分析方法，分析工作面具体开采参数与采动地表形变、采动裂隙发育三者之间的动态耦合关系，该动态耦合关系表征西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律。

本发明基于“空-地”联合探测，将卫星遥感方法与放射性测量方法引入到煤炭地下开采领域，利用D-InSAR测量工作面采动地表动态形变情况，同时利用氡气探测覆岩采动裂隙动态发育情况，通过两者的结合，可精确、快捷、系统、有效地揭示西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律，开创了煤炭地下开采领域中覆岩动态活动规律探测的新思路；同时，本发明利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法对TerraSAR-X雷达卫星SAR影像数据进行处理，可有效改善图像提取精度，克服了传统算法在低相干条件下配准精度低、后续生成的雷达干涉图质量低、甚至无法生成雷达干涉图的缺点，使得D-InSAR测量技术可应用于小范围区域的工作面采动地表形变实时动态监测。

Claims (5)

1.一种探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选取西部矿区典型工作面现场，掌握工作面具体开采参数；

步骤2，利用低相干条件下D-InSAR影像高精度配准算法处理工作面采动全过程的地表形变雷达卫星SAR影像数据，得到工作面采动地表动态形变情况；

步骤3，利用氡气地表探测井下工作面覆岩采动裂隙动态发育状况；

步骤4，根据测得的采动地表动态形变情况、采动裂隙动态发育状况，采用小波变换分析方法，分析工作面具体开采参数与采动地表形变、采动裂隙发育三者之间的动态耦合关系，该动态耦合关系表征西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律。

2.根据权利要求1所述的探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其特征在于，步骤2中，所述工作面采动地表动态形变情况由如下步骤得到：

步骤21，获取工作面“采前-采中-采后”全过程的多景雷达卫星SAR影像数据；

步骤22，利用低相干区D-InSAR影像高精度配准算法将所有SAR影像数据采样到同一个坐标系中，根据SAR影像数据之间的时间和空间基线分布以及相干性大小，生成工作面采动地表多景干涉条纹图；

步骤23，在定标和配准好的SAR影像中探测出可作为永久散射体的点；

步骤24，通过离散点解缠和粗差点剔除方法反演工作面采动地表相干点处的形变结果；

步骤25，对该形变结果进行大气误差和轨道误差校正后，得到工作面采动地表动态形变情况。

3.根据权利要求1所述的探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其特征在于，步骤3中，所述利用氡气地表探测井下工作面覆岩采动裂隙动态发育状况的方法包括：

步骤31，在工作面地表从开切眼对应位置开始，沿垂直于工作面走向方向间隔布置氡气测线，在任一氡气测线上间隔布置氡气测点；

步骤32，采用α杯累积测氡仪及连续测氡仪实时测量工作面开采过程中各个测点处的氡气浓度变化情况，反演分析井下工作面开采覆岩采动裂隙的动态发育状况。

4.根据权利要求3所述的探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其特征在于，步骤31中，相邻两条氡气测线之间的距离为20～30m，任一氡气测线上相邻两个氡气测点之间的距离为10～20m。

5.根据权利要求3所述的探测西部浅埋煤层开采覆岩动态活动规律的方法，其特征在于，步骤32中，所述α杯累积测氡仪的探杯埋设深度为30～40cm；所述连续测氡仪的抽气杆打孔深度为50～60cm。