CN110991048B - 一种关闭井工矿地表沉陷预测方法 - Google Patents

Abstract

一种关闭井工矿地表沉陷预测方法，适用于煤矿井下使用。利用InSAR技术获取关闭井工矿地表沉陷；构建关闭井工矿地表沉陷预测模型；基于InSAR监测结果反演模型参数；关闭井工矿地表沉陷预测方法。其预计精度高、模型参数少、流程操作简单、易实现、技术含量高等优点，首次提出了关闭井工矿地表沉陷预测预计模型，填补了矿井关闭后地表沉陷预测预计方面的空白，延伸了现有开采沉陷理论与技术框架，为矿井关闭后地表沉陷的预测预计提供了技术手段。

Description

一种关闭井工矿地表沉陷预测方法

技术领域

本发明涉及一种关闭井工矿地表沉陷预测方法，尤其适用于一种关闭井工矿地表沉陷预测模型结合InSAR监测结果的关闭井工矿地表沉陷预测方法。

技术背景

随着我国煤炭资源的持续开发(特别是黄金十年的高强度开采)，部分矿井储量急剧下降，形成资源衰竭型煤矿，也有部分矿井不符合安全生产要求，或开采成本高、亏损严重，面临关闭或废弃。尤其是近年来实施的煤炭去产能政策，促使一批矿井和露天矿坑因过剩产能退出而关闭，形成大量的关闭/废弃矿井。矿井关闭后，由于多种原因未进行闭坑治理，随着矿井排水设备的停用，地下水位上升，将改变采动破裂岩体的应力和承载能力，导致塌陷区二次形变，对废弃矿区上方地表建构筑物安全形成威胁。因此，构建关闭井工矿地表沉陷预测模型、预测关闭井工矿地表沉陷具有重要意义。

因关闭井工矿地表沉陷具有长期性、隐蔽性和突发性等特点，给传统监测技术(如：水准测量、GNSS、三维激光扫描、全站仪等)的观测站的布设、保存以及确定监测周期带来极大困难。合成孔径雷达差分干涉测量技术(DInSAR，Differential InterferometricSynthetic Aperture Radar)具有全天候、覆盖范围大、监测精度高等优点，在地形测绘、形变监测、地球物理参数反演等领域的应用越来越广。且SAR存档数据对获取已经发生的矿区地表沉陷具有无可比拟的优势。但因DInSAR技术受到时间基线、空间基线、大气延迟等因素的影响严重，监测精度较低。进而对高相干点进行处理分析的先进DInSAR方法应运而生，其监测精度可以达到毫米级。该类方法主要包括单主影像的PS-InSAR(PermanentScatterer-InSAR)、IPTA(Interferometric Point Target Analysis)和多主影像的SBAS(Small Baseline Subsets)等。由于关闭井工矿地表沉陷预计模型的模型参数受水文地质采矿条件、岩层岩性、采动覆岩结构、地质构造的影响严重，很难在实际利用中确定合适的模型参数。且传统的形变监测技术(例如：水准测量、GNSS、三维激光扫描、全站仪等)获取的形变空间覆盖较低、采样密度小，其反演的模型参数局限性较大。因此利用时序InSAR技术获取的大范围高精度高密度的关闭井工矿长时间序列地表沉陷，可为反演关闭井工矿地表沉陷预计模型参数提供数据支撑。

发明内容

针对上述技术问题，提出了一种模型参数少，预测精度高的关闭井工矿地表沉陷预测方法。

为实现上述技术目的，本发明的关闭井工矿地表沉陷预测方法，包括以下步骤：

步骤1：利用SAR技术获取关闭后废弃井工矿地表沉陷信息：

步骤2：构建关闭井工矿地表沉陷预测模型；

步骤3：基于InSAR监测结果反演关闭井工矿地表沉陷预测模型参数；

步骤4：利用地表沉陷预测模型和地表沉陷预测参数预测当前关闭井工矿的地表沉陷状况，预计结果可为关闭井工矿地面建构筑物与生态环境影响评价及建设场地稳定性评估提供基础数据。

利用卫星获取被测因矿井关闭引起地表沉陷的矿区SAR影像，对SAR影像进行最优干涉对组合、高相干性点选取和相位解缠处理，最后通过先进DInSAR技术获取关闭井工矿地表沉陷信息，包括地表下沉和抬升两种信息；

地表沉陷预测模型的包括下沉预测模型和抬升预测模型，具体生成步骤为：

由于矿井关闭后在初期地下水作用下，堆积在采空区内的垮落破裂岩体强度弱化、变形模量从E₀到E_水逐渐减小，设未经过地下水作用的破裂岩体变形模量为E₀，检测时已经受地下水作用的破裂岩体变形模量为E_水，变形模量单位为MPa，在覆岩有效应力σ₀的作用下，则破裂岩体产生的应变为

由岩土力学理论知识可知，覆岩所承受的总应力σ等于有效应力σ₀与岩土体孔隙压力μ之和，即：σ＝σ₀+μ，矿井关闭前因矿区排水活动导致岩土体孔隙压力视为0，而矿井关闭后，地下水位回升初期，覆岩中孔隙压力变化可忽略，此时地下水回升初期采动覆岩所承受的有效应力σ₀等于总应力σ，使用公式：σ＝σ₀＝0.01γ_岩H计算，γ_岩为覆岩重度，单位为t/m³，H为采空区破裂岩体埋深标高，单位为m；

常规的顶板完全垮落的开采后，地下采空区覆岩破碎断裂后形成的采空区冒落带为主要变形源，在初期地下水作用下，破裂岩体产生的下沉预计模型为

H_m为冒落带高度，单位米，W为矿井关闭后地表下沉量，单位米；

井工矿关闭后由于地下水进一步回升导致岩土体孔隙压力μ增大，从而使采动覆岩所承受的有效应力减小为

其中μ＝0.01γ_水(H-H_水)；

结合破裂岩体力学试验可知应变和应力之间关系，在地下水的作用下岩土体的弹性形变恢复量为

其中b为岩石力学参数，利用公式：

计算岩土体弹性形变恢复量，式中，γ_水为水重度、γ_岩为覆岩重度，单位为t/m³；H为采空区破裂岩体埋深标高，H_水为采空区水位标高，单位为m，b为岩石力学参数；

结合传统力学理论可推得矿井关闭后地表抬升预计模型为：

单位米；式中，H_m为冒落带高度，单位米。

地表沉陷预测参数的获取步骤为：

利用InSAR获取的关闭井工矿地表沉陷结合构建的关闭井工矿地表沉陷预计模型反演参数：

对抬升模型进行指数变换和参数整合，反演抬升模型参数

其中

为待求参数，U为矿井关闭后地表抬升量，单位米，可利用InSAR获取的地表沉陷结果确定，H_水、H可由关闭井工矿的矿区水文地质采矿资料确定，最终基于InSAR监测结果利用最小二乘原理结合变换后的关闭井工矿地表沉陷预测模型可求得模型参数A和参数B，参数A和参数B仅为计算用无实际含义。

有益效果：本发明首次提出了关闭井工矿地表沉陷预测预计模型，填补了矿井关闭后地表沉陷预测方面的空白，扩展了开采沉陷预测预计方法，同时将关闭井工矿地表沉陷预测模型与InSAR技术监测地表沉陷有机结合，将InSAR监测结果纳入到模型参数反演中，在充分利用InSAR监测结果的同时提高了模型参数的精度，使模型预计的地表沉陷更加稳健；整个流程结构清晰，具有预测精度高、模型参数少、实现操作过程简单、易实现、费用低，对资源型城市的改造与重发展、关闭井工矿土地重利用、地质灾害预警、生态环境治理等具有重要的实际意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法流程图；

图2为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法使用的ENVISAT数据组成的干涉对时空基线图；

图3(a)为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法的高相干点分布图；

图3(b)为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法的最终形变监测结果示意图；

图4为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法被测矿井关闭的矿区地下水位曲线示意图；

图5为本发明关闭井工矿地表沉陷预测方法最小二乘反演参数结果示意图。

具体实施方式

以下将结合图和具体实施过程对本发明做进一步详细说明：

如图1所示，本发明的关闭井工矿地表沉陷预测方法步骤如下：

步骤1：利用InSAR技术获取关闭井工矿地表沉陷：

选取矿井关闭矿区，利用SAR卫星获取选取矿区的影像数据，首先利用SAR影像参数文件，设定时间、空间基线和多普勒离心差阈值，选取小于阈值的SAR影像干涉对进行差分干涉处理，并依据像元振幅离差指数选取高相干性点；再通过相位解缠算法获取高相干点的解缠相位；最后利用先进DInSAR算法获取地表沉陷信息。

步骤2：构建关闭井工矿地表沉陷预测预计模型：

关闭矿井覆岩及地表沉陷可分为两阶段，下沉阶段和上升阶段。

当矿井关闭后，初期地下水作用在采空区破裂岩体上，使破裂岩体变形模量减小，从而使覆岩及地表产生二次移动变形。假定地下水作用前破裂岩体变形模量为E₀，地下水作用后破裂岩体强度弱化，变形模量降低为E_水，覆岩有效应力为σ₀，则破裂岩体产生的应变为：

由岩土力学理论可知，当岩土体具有孔隙压力μ时，其总应力σ由两部分组成：

σ＝σ₀+μ (2)

在矿井关闭前，由于矿井排水，地下水位降低，可认为覆岩中孔隙压力μ较小，假定为0。而矿井关闭后，地下水位回升初期，覆岩中孔隙压力变化较小，可忽略。因此假设此时采动覆岩所承受的有效应力σ₀等于总应力σ，即：

σ＝σ₀ (3)

可按下式计算：

σ＝σ₀＝0.01γ_岩H (4)

式中，γ_岩为覆岩重度，单位为T/m³；H为采空区破裂岩体埋深标高，单位为m。

根据矿井关闭后采空区覆岩结构特征可知，采空区冒落带为主要变形源。结合传统力学理论，在初期地下水作用下，由破裂岩体强度弱化产生的地表下沉预测模型为：

式中，H_m为冒落带高度，单位为m；E₀、E_水分别为地下水作用前后破裂岩体变形模量，单位为MPa；H为采空区破裂岩体埋深标高，单位为m；W为矿井关闭后地表下沉量，单位为m。

矿井关闭后，随着地下水位的进一步上升，造成覆岩孔隙压力增大，可能会引起地表抬升。

根据破裂岩体力学试验，破裂岩体变形满足下述关系：

σ₀＝ae^bε (6)

对(6)式两边取对数则有：

lnσ₀＝lna+bε (7)

对(7)式变化形式则得：

式中σ₀为有效应力，单位MPa；ε为应变；a,b为岩石力学参数，e为指数函数的底。

矿井关闭后，随着地下水位升高，孔隙压力μ增大，而覆岩总应力σ不变，因此采动覆岩所受的有效应力降低为

由(8)式可知有效应力降低为

时产生的变形为：

因此矿井关闭后，在地下水作用下，其恢复的弹性变形Δε为：

其中：

σ＝0.01γ_岩H (12)

μ＝0.01γ_水(H-H_水) (13)

将(4)、(9)、(12)、(13)式带入(11)式整理得：

式中，γ_水、γ_岩分别为水和覆岩重度，单位为t/m³；H、H_水分别为采空区破裂岩体埋深标高和水位标高，m；b为岩石力学参数。

根据矿井关闭后采空区覆岩结构特征可知，采空区冒落带为主要变形源。结合传统力学理论可推得矿井关闭后地表抬升预计模型为：

式中，H_m为冒落带高度，单位为m；U为矿井关闭后地表抬升量，单位为m。

步骤3：基于InSAR监测结果反演模型参数：

因关闭井工矿地表沉陷预计模型中，模型参数与采空区覆岩岩性、地质构造以及水文地质采矿条件有关，实际利用模型预计地表沉陷时很难确定其具体量值。因此利用InSAR获取的关闭井工矿地表沉陷结合步骤2中提出的下沉模型(公式(5))与抬升模型(公式(15))基于最小二乘方法反演参数的值。

为了使利用InSAR获取的关闭井工矿地表沉陷反演抬升模型参数更易执行，对公式(15)进行指数变换为：

同时令

则(13)式可进一步简化为：

式中，U可利用InSAR获取的地表沉陷结果确定，H_水、H可由被测关闭井工矿的矿区水文地质采矿资料确定，其他符号同前。进而利用最小二乘算法可求得参数A、B。

步骤4：利用关闭井工矿地表沉陷预计模型预测地表沉陷：

利用步骤3中确定的下沉模型参数(E₀、E_水)和抬升模型参数

基于步骤2中提出的关闭井工矿地表沉陷预计模型(公式(5)与公式(15))，可预测关闭井工矿地表沉陷。预计结果可为关闭井工矿地表建构筑物稳定性评价与工程应用提供基础数据。

实施例一：

步骤1：利用InSAR技术获取关闭井工矿地表沉陷：

本实例选取被测矿井关闭的矿区，采用的是欧空局SAR卫星获取的被测矿区的10景升轨C波段8mx 4m(距离向x方位向)分辨率的ENVISAT影像，范围为1350×7000(距离向x方位向)像元。选取ENVISAT数据中的2010年3月16日影像为主影像，所有辅影像配准和重采样至主影像，共形成9个干涉对，本发明实施例形成的干涉对组成情况结果如图2。再利用DInSAR技术获取差分干涉图，设置振幅离差指数阈值为0.4选取时间序列上的高相干点，再利用相位解缠算法获取解缠相位，最后根据先进DInSAR算法获取时序形变。本发明实施例采用振幅离差指数阈值选取的高相干点分布图以及最终形变监测结果如图3(a)和图3(b)所示，本发明实施例区域InSAR监测到的被测矿井关闭的矿区最大抬升速率为34.4mm/yr；

步骤2：基于最小二乘的模型参数反演

结合模型公式(15)以及其简化形式公式(17)，如图4所示，根据本发明实施例被测矿井关闭的矿区的地下水位监测数据可以确定至2010年10月12日地下水位标高H_水，取24.5m，采空区破裂岩体埋深标高H可根据被测矿井关闭的矿区的煤层等深线确定，煤层等深线如图3(b)所示。在被测矿井关闭的矿区内均匀选取由InSAR算法获取的地表沉陷信息。本发明实施例选取的高相干点的形变值与采空区破裂岩体埋深标高H如表1所示：

表1高相干点的形变值与采空区破裂岩体埋深标高H

最终利用最小二乘方法求取模型参数

的值分别为0.131和0.3936，本发明实施例最小二乘拟合结果如图5所示。

步骤3：基于关闭井工矿地表沉陷预计模型预测地表沉陷：

基于步骤2中求得的模型参数值，利用关闭井工矿地表沉陷预计模型公式(16)，本发明实施例预计了2010年10月12日的采空区破裂岩体埋深标高100m、250m、350m处的地表沉陷，并与相应时间的InSAR监测结果进行对比，验证了模型预计结果的可靠性。结果如表2所示：

表2模型预测结果与InSAR监测结果对比

从本发明实施例预计的结果和流程可以看出，本发明的关闭井工矿地表沉陷预计模型与形变预测方法可以很好的预计关闭井工矿地表沉陷，填补了关闭井工矿地表沉陷预计模型的空白，为构建预计预测关闭井工矿地表沉陷模型提供了新的思路和方法。

Claims (3)

1.一种关闭井工矿地表沉陷预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用SAR技术获取关闭后废弃井工矿地表沉陷信息：

步骤2：构建关闭井工矿地表沉陷预测模型；

步骤3：基于InSAR监测结果反演关闭井工矿地表沉陷预测模型参数；

步骤4：利用地表沉陷预测模型和地表沉陷预测参数预测当前关闭井工矿的地表沉陷状况，预计结果能够为关闭井工矿地面建构筑物与生态环境影响评价及建设场地稳定性评估提供基础数据；

地表沉陷预测模型的包括下沉预测模型和抬升预测模型，具体生成步骤为：

由于矿井关闭后在初期地下水作用下，堆积在采空区内的垮落破裂岩体强度弱化、变形模量从E₀到E_水逐渐减小，设未经过地下水作用的破裂岩体变形模量为E₀，检测时已经受地下水作用的破裂岩体变形模量为E_水，变形模量单位为MPa，在覆岩有效应力σ₀的作用下，则破裂岩体产生的应变为

由岩土力学理论知识可知，覆岩所承受的总应力σ等于有效应力σ₀与岩土体孔隙压力μ之和，即：σ＝σ₀+μ，矿井关闭前因矿区排水活动导致岩土体孔隙压力视为0，而矿井关闭后，地下水位回升初期，覆岩中孔隙压力变化可忽略，此时地下水回升初期采动覆岩所承受的有效应力σ₀等于总应力σ，使用公式：σ＝σ₀＝0.01γ_岩H计算，γ_岩为覆岩重度，单位为t/m³，H为采空区破裂岩体埋深标高，单位为m；

常规的顶板完全垮落的开采后，地下采空区覆岩破碎断裂后形成的采空区冒落带为主要变形源，在初期地下水作用下，破裂岩体产生的下沉预计模型为

H_m为冒落带高度，单位米，W为矿井关闭后地表下沉量，单位米；

井工矿关闭后由于地下水进一步回升导致岩土体孔隙压力μ增大，从而使采动覆岩所承受的有效应力减小为

其中μ＝0.01γ_水(H-H_水)；

结合破裂岩体力学试验可知应变和应力之间关系，在地下水的作用下岩土体的弹性形变恢复量为

其中b为岩石力学参数，利用公式：

计算岩土体弹性形变恢复量，式中，γ_水为水重度、γ_岩为覆岩重度，单位为t/m³；H为采空区破裂岩体埋深标高，H_水为采空区水位标高，单位为m，b为岩石力学参数；

结合传统力学理论可推得矿井关闭后地表抬升预计模型为：

单位米；式中，H_m为冒落带高度，单位米。

2.根据权利要求1所述的关闭井工矿地表沉陷预测方法，其特征在于步骤1具体为：利用卫星获取被测因矿井关闭引起地表沉陷的矿区SAR影像，对SAR影像进行最优干涉对组合、高相干性点选取和相位解缠处理，最后通过先进DInSAR技术获取关闭井工矿地表沉陷信息，包括地表下沉和抬升两种信息。

3.根据权利要求1所述的关闭井工矿地表沉陷预测方法，其特征在于地表沉陷预测参数的获取步骤为：

利用InSAR获取的关闭井工矿地表沉陷结合构建的关闭井工矿地表沉陷预计模型反演参数：

对抬升模型进行指数变换和参数整合，反演抬升模型参数

其中

为待求参数，U为矿井关闭后地表抬升量，单位米，利用InSAR获取的地表沉陷结果确定，H_水、H由关闭井工矿的矿区水文地质采矿资料确定，最终基于InSAR监测结果利用最小二乘原理结合变换后的关闭井工矿地表沉陷预测模型求得模型参数A和参数B，参数A和参数B仅为计算用无实际含义。

Images