CN109635387B - 一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，(1)收集与获取遥感观测与采矿地质条件相关数据；获取矿区范围内高精度二维影像；(2)建立矿区内冲沟坡体与冲沟坡体实验室物理模型；先建立工作面地表三维地形；构建采前、采中、采后各个时间段内的矿区地表DSM；然后建立冲沟坡体实验室物理模型；(3)提取冲沟发育矿区采动坡体形态变化特征；对步骤(2)中不同时间段获取的矿区地表DSM进行对比与特征提取，得出各个时间段的冲沟形态参数变化情况；(4)获取冲沟发育矿区采动坡体变形特征时空分布与变形规律；根据矿区地表DSM和冲沟形态参数变化情况，最终从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形发展规律。

Description

一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法
技术领域
本发明涉及一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，属于煤矿开采技术领域。
背景技术
随着我国西部大开发国策的不断实施，煤炭资源的开发重点已经向西部转移。然而，西部煤田普遍赋存浅埋煤层(埋深小于200米)，同时基岩薄、上覆厚松散层，且地形地貌多样，地表起伏大，相对高差有100余米，西北内蒙古、陕西及山西等主要矿区多为古冲沟发育矿区。冲沟的侵蚀是土地退化的重要原因，造成一定范围水土的流失和环境的改变。在冲沟发育地区，地表植被稀疏与水蚀严重、水土保持能力较弱。地表产状多样的冲沟坡体，使井下工作面(备注：工作面为直接开采矿物或岩石的工作地点，随着采掘进度而移动)矿压显现规律呈现出新的特征，对矿井安全高效生产造成不利影响；而地下开采活动使得本身起伏变化的地表变得更为支离破碎。相对于平原地区开采，冲沟发育矿区内纵横交错及起伏变化的地形地貌与地下开采活动的相互影响更为敏感与剧烈。随着西部开发的深入，矿区地上-地下的相互影响，开采与生态保护之间的矛盾也日趋显现。冲沟发育矿区采动坡体变形信息的获取能够为地下开采提供有效的基础数据支持，能够更为准确地估计采动坡体的活动特征与覆岩活动规律，为安全生产与灾害防治提供支持。同时，变形信息能够更加客观真实、快捷地描述矿区地表塌陷、开裂、滑坡等地质灾害的空间分布与发展规律。地形数据与地下开采扰动的耦合分析，能够更为准确地理解地表冲沟形态的发展，为西部环境科学以及水土保持的研究提供依据。
然而，传统开采很少考虑或者忽视地表地形的影响，通常只有采前勘测，采中、采后的观测不足，地表变形与地下活动之间的关系预计不足。在平原地区或者有房屋覆盖的地表，如果需要计算开采沉陷的范围与大小，一般都将地面预设为水平面，忽略或未高度重视地形和地貌对井下开采的影响。现有采动覆岩活动规律的研究，也都是基于一般赋存条件，没有涉及地表起伏对覆岩活动规律的影响，而实践已经证实，在西北部煤层浅埋条件下，冲沟地形的起伏，会对地下覆岩活动产生非常大的影响。另一方面，地下大规模的开采活动势必引起地表冲沟形态特征的变化。而现有冲沟形态测量大多来源于地表观测数据，很少考虑到地下开采产生的坡体变形对冲沟形态的影响。要获得对冲沟环境问题更好的理解，需要在测量时考虑地上-地下因子的双重因素，建立更长周期与稳定的数据序列。在冲沟发育矿区，地下采矿活动的影响是冲沟形态变化的一个重要因素。但是，地下开采参数很少用于冲沟形态的研究之中，地下开采活动会对冲沟形态产生怎样的影响亦没有地表地形变化的验证，后期发展情形没有跟踪。现有覆岩活动规律探测方法中，大多通过物理数值模拟的方法获取，该方法利用建立的冲沟地质模型分析冲沟地形对采动坡体的压力影响，但是采动坡体的形态并未根据实际的地形而建，同时也未对地表形变的产生进行实地的测量与验证。冲沟发育矿区采动坡体变形信息的特征与地下覆岩活动规律之间的关联还有待定量分析。
本发明针对冲沟发育矿区采动坡体与井下开采活动之间的影响，提出一种利用地上观测与井下开采观测数据相结合的分析方法，采用地表观测与实验室物理模拟联合分析的视角，获得采动坡体在井下开采活动影响下的变形发展规律。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，将内部参数变化和外部参数变化相结合，从而分析得出冲沟坡体在井下开采活动影响下的变形发展规律。
本发明采用的技术方案是：一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，包括如下步骤：
(1)收集与获取冲沟发育矿区遥感观测和采矿地质条件相关数据；
根据冲沟发育矿区地形地貌特点、地层赋存状况及已有变形区域信息，将井下开采工作面的推进时间分割成采前、采中、采后三个时间段，然后采用无人机分别对三个时间段内的矿区地表进行航拍，从而获取开采工作面对应地表的无人机影像，通过影像拼接获取矿区范围内高精度二维影像；
(2)建立冲沟发育矿区内冲沟坡体地形模型与冲沟坡体实验室物理模型；
Ⅰ、建立工作面地表三维地形，获取冲沟坡体地形模型；
采用激光LiDAR设备在矿区内布设观测站点，扫描获取矿区三维点云信息；对获取的点云数据进行滤波与插值处理，获取矿区地表数字表面模型(即DSM)；根据工作面的地形地貌与开采的进度，分别获取采前、采中、采后各个时间阶段的LiDAR点云数据，构建采前、采中、采后各个时间段内的矿区地表DSM，根据冲沟坡体位置，提取冲沟坡体地形模型；
Ⅱ、建立冲沟坡体实验室物理模型；
首先，利用地面钻孔与井下取样相结合的方法对矿区冲沟坡体进行岩样采集，根据采集的岩样确定冲沟坡体的岩层属性，并完成岩样物理力学参数测试；然后，根据步骤Ⅰ中得到的矿区地表DSM和步骤(1)获得的影像数据，对冲沟坡体的几何形态进行细化，使之与原始状态接近，最后选择与岩样物理力学参数相似的材料建立冲沟坡体实验室物理模型；
(3)提取冲沟发育矿区采动坡体形态变化特征；
A、对步骤(2)中建立的冲沟坡体实验室物理模型进行人工开挖，模拟井下开采工作面不断向前推进，观察和记录冲沟坡体模型的变形、移动和破坏现象，以及模型内采动裂隙的发育与空间分布，将此记录为坡体内部变化特征；
B、对步骤(2)中不同时间段获取的矿区地表DSM进行对比与特征提取，获得冲沟坡体形态外部特征及其变化分布；
a、利用地面控制点(即GCPs)或地面易识别的标识点对两个不同时间段获取的矿区地表DSM进行配准，然后对其进行求差，从而获取井下工作面对应地表局部高程差异分布；
b、利用步骤(2)中获取的不同时间段的矿区地表DSM数据，结合现有数字地形分析中的形态提取算法，提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，并比对得出各个时间段的冲沟坡体形态参数变化情况；
其中，冲沟坡体形态参数包括冲沟点特征(即山顶点、鞍部点、节点、沟头点等)，冲沟线特征(即谷脊线、沟沿线等)和冲沟面特征(即正负地形、坡度、坡向等)；
(4)获取冲沟发育矿区采动坡体变形特征时空分布与变形规律；
根据步骤(2)中得出的不同时间段矿区地表DSM，和步骤(3)中得出的所在区域不同时间段冲沟坡体形态参数及各个时间段冲沟坡体形态参数变化情况，采用耦合与回归分析的方法，建立冲沟坡体内部与外部的变形特征耦合关系式，从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采矿影响下的变形发展规律。
进一步，所述步骤(3)中提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数的具体步骤为：首先，建立冲沟坡体二维形态矢量文件，根据步骤(1)中得出的各个时间段矿区范围内高精度二维影像，以矢量格式提取冲沟的二维形态；然后，将步骤(2)中各个时间段的矿区地表DSM与步骤(1)中相同时间段获取的影像分别进行配准，使两者坐标与投影系统一致，并将二维矢量与三维地形表面进行切割，提取相交线所对应的三维地形剖面，从而获得冲沟各截面的剖面；最后，根据提取的冲沟剖面计算相应的几何参数，获得冲沟的三维形态参数。
进一步，所述步骤(4)的具体过程为：根据步骤(2)中得出的不同时间段矿区地表DSM及其相互的差异情况，绘制随着井下开采工作面推进时间变化而变化的井下工作面对应地表变形时空分布图，并对其形变发展趋势进行分析；通过步骤(3)中得出的所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，对比其在“采前-采中-采后”各个时间段的定量变化，采用耦合与回归分析的方法，建立冲沟坡体内部与外部的变形特征耦合关系式，最终从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形发展规律。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：(1)联合地上-地下的观测视角，从井下开采角度与地表遥感监测角度分别建立冲沟坡体的物理模拟模型与地表三维模型，联合分析冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形分布与发展规律；(2)本发明能够获取冲沟采动坡体的内外部变形特征，冲沟坡体的变形特征不仅包括地面遥感观测数据处理所获取的地表形态变化特征(外部变形)，同时也包括采动条件下冲沟坡体活动变形特征(内部变形)，通过本发明能够分别对冲沟坡体的外部变形与内部变形进行提取与分析，从而更加全面地描述采动条件下冲沟坡体变形特征的发展规律；(3)本发明的冲沟采动坡体的物理模型根据实际三维地形而建，更符合实际地形与坡体变形情况，结合采动不同时期，基于地形数据获取的采动坡体外部变形特征能够更为客观、准确的反映地下开采活动对表面地形变化的影响。
附图说明
图1是本发明中激光LiDAR生成的矿区地表DSM示意图；
图2是本发明中冲沟坡体实验室物理模型示意图；
图3是本发明中地表冲沟形态特征与变化的提取流程图；
图4是本发明中提取的冲沟横截面剖面图；
图5是本发明中冲沟坡体形态参数变化情况示意图。
具体实施方式
下面将对本发明做进一步说明。
如图所示，本发明的具体步骤为：
(1)收集与获取冲沟发育矿区遥感观测和采矿地质条件相关数据；
根据冲沟发育矿区地形地貌特点、地层赋存状况及已有变形区域信息，将井下开采工作面的推进时间分割成采前、采中、采后三个时间段，然后采用无人机分别对三个时间段内的矿区地表进行航拍，从而获取开采工作面对应地表的无人机影像，通过影像拼接获取矿区范围内高精度二维影像；
(2)建立冲沟发育矿区内冲沟坡体地形模型与冲沟坡体实验室物理模型；
Ⅰ、建立工作面地表三维地形，获取冲沟坡体地形模型；
采用激光LiDAR设备在矿区内布设观测站点，扫描获取矿区三维点云信息；对获取的点云数据进行滤波与插值处理，获取矿区地表DSM；根据工作面的地形地貌与开采的进度，分别获取采前、采中、采后各个时间阶段的LiDAR点云数据，构建采前、采中、采后各个时间段内的矿区地表DSM，根据冲沟坡体位置，提取冲沟坡体地形模型。如图1所示为利用激光LiDAR生成的抚顺西露天矿的矿区地表DSM。
Ⅱ、建立冲沟坡体实验室物理模型；
首先，利用地面钻孔与井下取样相结合的方法对矿区冲沟坡体进行岩样采集，根据采集的岩样确定冲沟坡体的岩层属性，并完成岩样物理力学参数的测试；然后，根据步骤Ⅰ中得出的矿区地表DSM和步骤(1)获得的影像数据，对冲沟坡体的几何形态进行细化，使之与原始状态接近，最后选择与岩样物理力学参数相似的材料建立冲沟坡体实验室物理模型；如图3所示为冲沟坡体的实验室物理模型。
(3)提取冲沟发育矿区采动坡体形态与变化特征；
A、对步骤(2)中建立的冲沟坡体实验室物理模型进行人工开挖，模拟井下开采工作面不断向前推进，观察和记录冲沟坡体模型的变形、移动和破坏现象，以及模型内采动裂隙的发育与空间分布；
B、对步骤(2)中不同时间段获取的矿区地表DSM进行对比与特征提取，获得冲沟坡体形态变化分布；提取过程如图4所示；
a、利用GCPs或者地面易识别的标识点对两个不同时间段获取的矿区地表DSM进行配准，然后对其进行求差，获取井下工作面对应地表局部高程差异分布；
b、利用步骤(2)中获取的不同时间段的矿区地表DSM数据，结合现有数字地形分析中的形态提取算法，提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，并比对得出各个时间段的冲沟坡体形态参数变化情况；
其中，冲沟坡体形态参数包括冲沟点特征(即山顶点、鞍部点、节点、沟头点等)，冲沟线特征(即谷脊线、沟沿线等)和冲沟面特征(即正负地形、坡度、坡向等)；
(4)获取冲沟发育矿区采动坡体变形特征时空分布与变形规律；
根据步骤(2)中得出的不同时间段矿区地表DSM，和步骤(3)中得出的所在区域不同时间段冲沟坡体形态参数及各个时间段冲沟坡体形态参数变化情况，建立冲沟坡体内部与外部的变形特征耦合关系式，从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形发展规律。
进一步，所述步骤(3)中提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数的具体步骤为：首先，建立冲沟坡体二维形态矢量文件，根据步骤(1)中得出的各个时间段矿区范围内高精度二维影像，以矢量格式提取冲沟的二维形态；然后，将步骤(2)中各个时间段的矿区地表DSM与步骤(1)中相同时间段获取的影像分别进行配准，使两者坐标与投影系统一致，并将二维矢量与三维地形表面进行切割，提取相交线所对应的三维地形剖面，从而获得冲沟各截面的剖面；最后，根据提取的冲沟剖面计算相应的几何参数，获得冲沟的三维形态参数。如图5所示为提取的冲沟横截面剖面图；
进一步，所述步骤(4)的具体过程为：根据步骤(2)中得出的不同时间段矿区地表DSM及其相互的差异情况，绘制随着井下开采工作面推进时间变化而变化的井下工作面对应地表变形时空分布图，并对其形变发展趋势进行分析；通过步骤(3)中得出的所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，如图5所示列举了冲沟坡体形态的相关特征参数，对比其在“采前-采中-采后”各个时间段的大小与定量变化，建立冲沟坡体内部-外部的变形特征耦合关系式，最终从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形发展规律。

Claims (2)

1.一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）收集与获取冲沟发育矿区遥感观测和采矿地质条件相关数据；
根据冲沟发育矿区地形地貌特点、地层赋存状况及已有变形区域信息，将井下开采工作面的推进时间分割成采前、采中、采后三个时间段，然后采用无人机分别对三个时间段内的矿区地表进行航拍，从而获取开采工作面对应地表的无人机影像，通过影像拼接获取矿区范围内高精度二维影像；
（2）建立冲沟发育矿区内冲沟坡体地形模型与冲沟坡体实验室物理模型；
Ⅰ、建立工作面地表三维地形，获取冲沟坡体地形模型；
采用激光 LiDAR 设备在矿区内布设观测站点，扫描获取矿区三维点云信息；对获取的点云数据进行滤波与插值处理，获取矿区地表数字表面模型（DSM）；根据工作面的地形地貌与开采的进度，分别获取采前、采中、采后各个时间阶段的 LiDAR 点云数据，构建采前、采中、采后各个时间段内的矿区地表 DSM，根据冲沟坡体位置，提取冲沟坡体地形模型；
Ⅱ、建立冲沟坡体实验室物理模型；
首先，利用地面钻孔与井下取样相结合的方法对矿区冲沟坡体进行岩样采集，根据采集的岩样确定冲沟坡体的岩层属性，并完成岩样物理力学参数测试；然后，根据步骤Ⅰ中得到的矿区地表 DSM 和步骤（1）获得的影像数据，对冲沟坡体的几何形态进行细化，使之与原始状态接近，最后选择与岩样物理力学参数相似的材料建立冲沟坡体实验室物理模型；
（3）提取冲沟发育矿区采动坡体形态变化特征；
A、对步骤（2）中建立的冲沟坡体实验室物理模型进行人工开挖，模拟井下开采工作面不断向前推进，观察和记录冲沟坡体模型的变形、移动和破坏现象，以及模型内采动裂隙的发育与空间分布，将此记录为坡体内部变化特征；
B、对步骤（2）中不同时间段获取的矿区地表 DSM 进行对比与特征提取，获得冲沟坡体形态外部特征及其变化分布；
a、利用地面控制点（GCPs）或地面易识别的标识点对两个不同时间段获取的矿区地表DSM 进行配准，然后对其进行求差，从而获取井下工作面对应地表局部高程差异分布；
b、利用步骤（2）中获取的不同时间段的矿区地表 DSM 数据，结合现有数字地形分析中的形态提取算法，提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，并比对得出各个时间段的冲沟坡体形态参数变化情况；
其中，冲沟坡体形态参数包括冲沟点特征，冲沟线特征和冲沟面特征；
所述步骤（3）中提取所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数的具体步骤为：首先，建立冲沟坡体二维形态矢量文件，根据步骤（1）中得出的各个时间段矿区范围内高精度二维影像，以矢量格式提取冲沟坡体的二维形态；然后，将步骤（2）中各个时间段的矿区地表DSM与步骤（1）中相同时间段获取的影像分别进行配准，使两者坐标与投影系统一致，并将二维矢量与三维地形表面进行切割，提取相交线所对应的三维地形剖面，从而获得冲沟各截面的剖面；最后，根据提取的冲沟剖面计算相应的几何参数，获得冲沟的三维形态参数；
（4）获取冲沟发育矿区采动坡体变形特征时空分布与变形规律；
根据步骤（2）中得出的不同时间段矿区地表 DSM，和步骤（3）中得出的所在区域不同时间段冲沟坡体形态参数及各个时间段冲沟坡体形态参数变化情况，采用耦合与回归分析的方法，建立冲沟坡体内部与外部的变形特征耦合关系式，从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采矿影响下的变形发展规律。
2.根据权利要求 1 所述的一种获取冲沟发育矿区采动坡体变形规律的方法，其特征在于，所述步骤（4）的具体过程为：根据步骤（2）中得出不同时间段的矿区地表 DSM 及其相互的差异情况，绘制随着井下开采工作面推进时间变化而变化的井下工作面对应地表变形时空分布图，并对其形变发展趋势进行分析；通过步骤（3）中得出的所在区域不同时间段的冲沟坡体形态参数，对比其在采前、采中和采后各个时间段的定量变化，采用耦合与回归分析的方法，建立冲沟坡体内部-外部的变形特征耦合关系式，最终从内部、外部两个方面分析得出冲沟坡体在井下开采工作面采动影响下的变形发展规律。
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