CN114088001A - 空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统及方法，涉及资源开采技术领域。本发明的一方面提供了一种监测方法包括获取目标地区的地表沉陷数据；获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；获取所述目标地区的地表深层变形破坏数据；根据获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。本发明的另一方面提供了一种监测系统。根据本发明的监测系统和方法可全面并准确的掌握采动覆岩活动规律，并且无需人工布设地面观测点，降低了操作难度和观测成本，适合应用于具有面积较大、地形复杂等特点的矿区，或者人类难以到达的地区。

Description

空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统及方法
技术领域
本发明涉及资源开采技术领域，特别地涉及一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统及方法。
背景技术
煤炭是我国能源的重要组成部分，煤炭分布的地域性决定了西部煤炭在我国能源中的主导地位。随着东部煤炭资源的不断被开发利用，煤炭开采逐渐向西部转移。而西部煤层埋藏浅，采动裂隙发育高度往往大于基岩高度，导致采动覆岩破断容易直接波及至地表，出现顶板整体台阶下沉，采场矿压显现剧烈，采动地表变形严重。同时地表生态环境受地下开采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、土地荒漠化加剧等后果，使本就十分脆弱的生态环境遭受毁灭性破坏。而地表裂缝的分布规律及演化特征在某种程度上可以反演矿区在长时间尺度下的整体变化和沉陷规律，可见对地表裂缝和沉陷观测尤为重要。因此，准确有效地掌握采动覆岩活动规律，解决煤炭资源超大规模开发与生态环境损害之间的矛盾，才能真正实现煤炭资源的科学开采。
传统的地表形变监测技术(如精密水准、全站仪观测)已经达到了较高的观测精度，但需要人工布设地面观测点，而矿区一般具有面积较大、地形复杂等特点，这无疑会大幅增加观测成本；而且对于人类难以到达的地区，传统方法也难以实施。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。
发明内容
本发明提供一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统及方法，用于至少解决上述一个技术问题。
根据本发明的第一个方面，本发明提供空天地一体化采动覆岩变形破坏监测方法，包括以下步骤：
S1：获取目标地区的地表沉陷数据；
S2：获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；
S3：获取所述目标地区的地表深层变形破坏数据；
S4：根据步骤S1、S2和S3中分别获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律；
S5：根据所述采动覆岩运移规律，获得地下资源的开采方式和开采规模，从而实现地下资源的科学开采。
优选地，步骤S1中通过太空监测机构获取所述地表沉陷数据，所述地表沉陷数据包括地表沉陷位置和地表下沉程度。
进一步优选地，所述太空监测机构包括位于太空的遥感卫星和设置于所述遥感卫星上的干涉雷达，所述干涉雷达对目标地区的地表进行全天候监测并采集地表信息，通过对比不同时段的地表信息数据以获取目标地区的地表沉陷数据。
优选地，步骤S2中，通过天空监测机构获取所述地表浅层变形破坏数据，所述地表浅层变形破坏数据包括地表浅层裂隙发育情况和地表浅层岩层运移情况。
进一步优选地，所述天空监测机构包括无人机和搭载于所述无人机上的量测相机，所述量测相机在无人机飞行于目标地区上空的过程中拍摄地表信息，以获得目标地区的所述地表浅层变形破坏数据。
进一步优选地，所述无人机包括飞行控制模块以及分别与飞行控制模块相连的起落架和旋翼，所述飞行控制模块通过控制所述旋翼使所述无人机执行升空和飞行动作，所述飞行控制模块通过控制所述起落架使所述无人机执行起落动作。
优选地，步骤S3中，通过地面监测机构获取所述地表深层变形破坏数据，所述地表深层变形破坏数据包括地表深层裂隙发育情况和地表深层岩层运移情况。
进一步优选的，所述地面监测机构包括探地雷达，所述探地雷达包括主机和与所述主机相连的自激自发式天线，所述自激自发式天线向地下发送电磁波并接收返回信号，所述主机处理从所述自激自发式天线处获得的所述返回信号以得到所述地表深层变形破坏数据。
优选地，步骤S4中，通过处理器对步骤S1、S2和S3中分别获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据进行处理形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。
根据本发明的第二个方面，本发明提供一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统，包括，
太空监测机构，其用于获取目标地区的地表沉陷数据；
天空监测机构，其用于获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；
地面监测机构，其用于获取目标地区的地表深层变形破坏数据；以及
处理器，其将获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据进行处理形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明述及的监测系统包括太空监测机构、天空监测机构、地面监测机构，监测系统的设计合理，准确有效，有效的解决了采动覆岩运移规律的监测问题，其中太空监测机构可获取目标地区的地表沉陷数据，天空监测机构获取地表浅层变形破坏数据，地面监测机构可获取地表深层变形破坏数据，从空、天、地三个方面实现对目标地区的整体变化和沉陷规律的监测，最终形成采动覆岩变形破坏动态模型，从而全面并准确的掌握了采动覆岩活动规律(例如，目标地区岩层垮落时间的长度等)。这样，在煤炭开采过程中，可根据掌握的采动覆岩活动规律指定开采计划，例如开采方式、开采参数(例如，采高、开采速度、工作面长度等)和开采规模等，以减少采动覆岩对地表的破坏，保护地表生态环境，实现煤炭减损开采和科学开采。同时，本发明的监测系统和方法，无需人工布设地面观测点，降低了操作难度和观测成本，适合应用于具有面积较大、地形复杂等特点的矿区，或者人类难以到达的地区。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的整体检测系统结构示意图；
图2是本发明的遥感卫星搭载干涉雷达示意图；
图3是本发明的无人机搭载量测相机示意图；
图4是本发明的探测雷达示意图；
图5是本发明的监测方法流程示意图。
附图标记：
1-遥感卫星；2-干涉雷达；3-无人机；4-量测相机；5-探地雷达；
6-起落架；7-飞行控制器；8-旋翼；9-主机；10-自激自发式天线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测系统，包括太空监测机构、天空监测机构和地面监测机构。其中，太空监测机构包括干涉雷达2和遥感卫星1，设置有干涉雷达2的遥感卫星1可实现全天候、高精度监测地表沉陷位置和下沉程度，其中全天候监测即一天24小时不间断地对采区地表信息进行采集；天空监测机构包括无人机3和量测相机4，量测相机4搭载于无人机3上，随着无人机3飞行，拍下并记录采区地表浅层裂隙发育和地表浅层岩层运移情况；地面监测机构包括探地雷达5，探地雷达5可探测地表深部岩层形态，获取采区地表深层裂隙发育情况和地表深层岩层运移情况。
然后，处理器对太空监测机构获取的所述地表沉陷数据、天空监测机构获取的所述地表浅层变形破坏数据和地面监测机构获取的所述地表深层变形破坏数据进行处理形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。
如图2中所示，在一个具体的实施例中，太空监测机构包括干涉雷达2和遥感卫星1，搭载于遥感卫星1上的干涉雷达2对采区地表信息进行全天候不间断采集，通过对比不同时段的地表信息数据，最终可精确得出采区地表沉陷位置及下沉程度。
优选地，干涉雷达2可采用双轨法差分干涉测量技术进行测量，相较于传统测量技术，其测量精度更高。
优选地，遥感卫星1位于太空，其型号尺寸由装备制造、探测技术及技术政策确定。
如图3所示，在一个具体的实施例中，天空监测机构包括无人机3和量测相机4，其中无人机3的组成包括起落架6、飞行控制器7和旋翼8，无人机3飞行于采区上空，飞行控制器7可操控旋翼8完成无人机3的升空飞行等动作，并配合起落架6完成起落等动作，搭载于无人机3上的量测相机4在无人机3飞行于采区上空的过程中拍下地表信息，最终可精确得到采区地表浅层裂隙发育和地表浅层岩层运移情况。
优选地，无人机3位于矿区上空，其型号尺寸由装备制造、探测技术及技术政策确定。
优选地，量测相机4采用三维相机，以获得采区地表真实的三维立体图像。
进一步优选地，量测相机4采用倾斜摄影技术对采区地表进行拍摄。
如图4所示，在一个具体的实施例中，地面监测机构包括探地雷达5，探地雷达5包括主机9和自激自发式天线10，自激自发式天线10向地下发射高频电磁波并接受返回信号，通过主机9处理该返回信号得到采区地表深层裂隙发育情况和地表深层岩层运移情况。
优选地，探地雷达5位于采区地表，其型号尺寸由装备制造、探测技术及技术政策确定。
如图5所示，本发明提供一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测方法，使用上述的监测系统来进行监测，包括以下步骤：
S1：获取目标地区的地表沉陷数据；
S2：获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；
S3：获取所述目标地区的地表深层变形破坏数据；
S4：根据步骤S1、S2和S3中分别获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律；
S5：根据所述采动覆岩运移规律，获得地下资源的开采方式和开采规模，从而实现地下资源的科学开采。
需要说明的是，步骤S1、S2和S3无先后顺序。
在一个具体的实施例中，在步骤S1中，所述太空监测机构包括遥感卫星1和干涉雷达2，搭载于所述遥感卫星1上的所述干涉雷达2对采区地表进行全天候检测，通过对比不同时段的地表信息数据以获取采区地表精确的地表沉陷位置及下沉程度。
在一个具体的实施例中，在步骤S2中，所述天空监测机构包括无人机3和量测相机4，搭载于所述无人机3上的所述量测相机4在无人机3飞行于采区上空的过程中拍摄地表信息，以获得采区地表精确的地表浅层裂隙发育及地表浅层岩层运移情况。
在一个具体的实施例中，在步骤S3中，所述地面监测机构包括探地雷达5，所述探地雷达5包括主机9和自激自发式天线10，所述自激自发式天线10向地下发送高频电磁波并接收返回信号，通过所述主机9处理所述返回信号得到地表深层裂隙发育情况和地表深层岩层运移情况。
综上所述，本发明述及的监测系统包括太空监测机构、天空监测机构、地面监测机构，监测系统的设计合理，准确有效，有效的解决了采动覆岩运移规律的监测问题，其中太空监测机构可获取目标地区的地表沉陷数据，天空监测机构获取地表浅层变形破坏数据，地面监测机构可获取地表深层变形破坏数据，从空、天、地三个方面实现对目标地区的整体变化和沉陷规律的监测，最终形成采动覆岩变形破坏动态模型，从而全面并准确的掌握了采动覆岩活动规律(例如，目标地区岩层垮落时间的长度等)。这样，在煤炭开采过程中，可根据掌握的采动覆岩活动规律指定开采计划，例如开采方式、开采参数(例如，采高、开采速度、工作面长度等)和开采规模等，以减少采动覆岩对地表的破坏，保护地表生态环境，实现煤炭减损开采和科学开采。同时，本发明的监测系统和方法，无需人工布设地面观测点，降低了操作难度和观测成本，适合应用于具有面积较大、地形复杂等特点的矿区，或者人类难以到达的地区。
需要说明的是，本发明所述的地下资源可以是煤炭等资源。
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。

Claims (10)

1.一种空天地一体化采动覆岩变形破坏监测方法，包括以下步骤：
S1：获取目标地区的地表沉陷数据；
S2：获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；
S3：获取所述目标地区的地表深层变形破坏数据；
S4：根据步骤S1、S2和S3中分别获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律；
S5：根据所述采动覆岩运移规律，获得地下资源的开采方式和开采规模，从而实现地下资源的科学开采。
2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，步骤S1中通过太空监测机构获取所述地表沉陷数据，所述地表沉陷数据包括地表沉陷位置和地表下沉程度。
3.根据权利要求2所述的监测方法，其特征在于，所述太空监测机构包括位于太空的遥感卫星和设置于所述遥感卫星上的干涉雷达，所述干涉雷达对目标地区的地表进行全天候监测并采集地表信息，通过对比不同时段的地表信息数据以获取目标地区的地表沉陷数据。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，步骤S2中，通过天空监测机构获取所述地表浅层变形破坏数据，所述地表浅层变形破坏数据包括地表浅层裂隙发育情况和地表浅层岩层运移情况。
5.根据权利要求4所述的监测方法，其特征在于，所述天空监测机构包括无人机和搭载于所述无人机上的量测相机，所述量测相机在无人机飞行于目标地区上空的过程中拍摄地表信息，以获得目标地区的所述地表浅层变形破坏数据。
6.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于，所述无人机包括飞行控制模块以及分别与飞行控制模块相连的起落架和旋翼，所述飞行控制模块通过控制所述旋翼使所述无人机执行升空和飞行动作，所述飞行控制模块通过控制所述起落架使所述无人机执行起落动作。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，步骤S3中，通过地面监测机构获取所述地表深层变形破坏数据，所述地表深层变形破坏数据包括地表深层裂隙发育情况和地表深层岩层运移情况。
8.根据权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述地面监测机构包括探地雷达，所述探地雷达包括主机和与所述主机相连的自激自发式天线，所述自激自发式天线向地下发送电磁波并接收返回信号，所述主机处理从所述自激自发式天线处获得的所述返回信号以得到所述地表深层变形破坏数据。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的监测方法，其特征在于，步骤S4中，通过处理器对步骤S1、S2和S3中分别获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据进行处理形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。
10.一种用于实现权利要求1-9中任一项所述的监测方法的监测系统，其特征在于，包括，
太空监测机构，其用于获取目标地区的地表沉陷数据；
天空监测机构，其用于获取所述目标地区的地表浅层变形破坏数据；
地面监测机构，其用于获取目标地区的地表深层变形破坏数据；以及
处理器，其将获取的所述地表沉陷数据、所述地表浅层变形破坏数据和所述地表深层变形破坏数据进行处理形成采动覆岩变形破坏动态模型，以获取目标地区的采动覆岩运移规律。
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