李 勇，賀 鑫，李培現(xiàn)，王 炳，4，楊中輝，4，張芷祺，楊可明

(1.國能億利能源有限責任公司 黃玉川煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.國家能源集團 國源電力有限公司，北京 100033；3.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083；4.礦業(yè)大學(北京)內(nèi)蒙古研究院生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感大數(shù)據(jù)研究中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017001)

煤炭資源開采以后地下采空區(qū)應力重新分布，巖層在重力作用下產(chǎn)生地表移動和變形。隨著開采空間的增大，變形將波及地表引起地表塌陷和破壞，部分區(qū)域會產(chǎn)生地裂縫、塌陷坑等破壞，進而引起生態(tài)地質(zhì)環(huán)境惡化及災害發(fā)生。為有效監(jiān)測地表移動、變形引起的破壞，一般通過設立地表移動觀測站，采用GNSS、水準及全站儀進行觀測。設置地表觀測站，通過對定期觀測數(shù)據(jù)的處理分析，確定地表移動的預計參數(shù)和特征參數(shù)，認識和掌握開采沉陷規(guī)律，進而通過沉陷預計分析為礦井開采的優(yōu)化設計、地表采動損害程度評價以及防護措施的選擇提供技術(shù)支撐[1，2]。傳統(tǒng)的采動地表變形監(jiān)測一般采用水準儀和全站儀進行施測，需要事先將監(jiān)測樁點布設在待采工作面的下沉主斷面上；該方法實現(xiàn)簡單易行，監(jiān)測精度和可靠性高，是目前應用最為廣泛的一種開采沉陷監(jiān)測手段[3-5]。

隨著空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，礦區(qū)地表形變監(jiān)測方法逐步更新，常用監(jiān)測手段有以下4類：全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)[6-8]；合成孔徑雷達差分干涉測量(DInSAR)[9-11]；無人機數(shù)字攝影測量；近年來，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，在線形變監(jiān)測集成系統(tǒng)已成為形變監(jiān)測自動化的發(fā)展趨勢。2016年Hu等人聯(lián)合GNSS和測量機器人技術(shù)，設計了一種三層架構(gòu)“感知層-服務層-應用層”的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了礦區(qū)開采地表形變的近實時在線監(jiān)測與分析[15]；2017年Dong等借助無線傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)和云計算技術(shù)，采用多源信息感知與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開發(fā)了一套礦山尾礦壩形變監(jiān)測與災害預警系統(tǒng)(PSRMNS-IOTCC)[16]，雖然借助無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了相關信息感知和融合處理，但協(xié)同觀測仍以局部觀測為主、任務相對單一。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)進步，采動影響下的變形監(jiān)測已從傳統(tǒng)的點、線機械式監(jiān)測向線、面數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡化的高精度、準實時連續(xù)信息化監(jiān)測發(fā)展。技術(shù)的發(fā)展使采動變形空天地多源傳感器協(xié)同監(jiān)測成為可能。

為有效管理和使用礦山開采地表塌陷區(qū)監(jiān)測信息，針對礦山生產(chǎn)需求我國學者開發(fā)了功能多樣、實用的地表沉陷預測及監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[5，17-19]。但是目前大多數(shù)塌陷區(qū)監(jiān)測分析及開采沉陷預計系統(tǒng)均存在以下的問題尚未解決。首先，多數(shù)開采沉陷軟件雖然基本能夠滿足地表移動觀測站數(shù)據(jù)分析、計算的基本功能，但是使用難度大、技術(shù)要求高，推廣性差；此外，以往開采沉陷預計程序大多為開采沉陷研究學者開發(fā)注重模型計算但是難以滿足大型煤炭企業(yè)在部署環(huán)境、安全性能、自動化程度、大數(shù)據(jù)倉庫設置等方面的規(guī)范，無法適應智慧礦山標準化建設的需求。本文研發(fā)了地表塌陷區(qū)天眼巡檢監(jiān)測系統(tǒng)，并在黃玉川礦應用。與傳統(tǒng)開采沉陷監(jiān)測系統(tǒng)相比，黃玉川煤礦地表采空塌陷區(qū)天眼巡查系統(tǒng)采用現(xiàn)代化的WebGIS解決方案。將數(shù)據(jù)的采集、處理以及客戶端操作分析分離，利于系統(tǒng)的擴展和維護，系統(tǒng)可以與上級單位大數(shù)據(jù)平臺有效融合，各項性能符合國家智能礦山建設的要求。

1 系統(tǒng)需求分析及功能設計

1.1 系統(tǒng)開發(fā)目標

針對黃玉川煤礦地表沉陷現(xiàn)狀，基于礦山開采沉陷理論、巖移觀測新技術(shù)、衛(wèi)星遙感影像以及采礦地質(zhì)條件與礦山環(huán)境資料等，開發(fā)適合于區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的地表移動觀測、無人機巡查、開采沉陷預計及災害實時監(jiān)控的空天巡查系統(tǒng)。通過選取合適的致災因子及評價單元，對礦區(qū)監(jiān)測對象存在的地質(zhì)環(huán)境問題和可能引發(fā)的地質(zhì)災害進行評估并給出預警等級，系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分發(fā)服務等功能于一體。

1.2 主要功能設計

黃玉川煤礦地表主要為黃土溝壑，開采后地表裂縫發(fā)育。在部分坡度較大的影響區(qū)內(nèi)坡腳處易發(fā)生滑塌破壞。

地表采空塌陷區(qū)主要是受到開采影響引起地表沉降及變形影響形成的地表裂隙、建構(gòu)筑物損害以及滑坡、泥石流等次生災害。地表裂縫的上下貫通還將引起地表水、空氣與井下的連通，進而造成井下水害、煤層自燃等次生災害。因此，本系統(tǒng)的主要目標擬通過有效的監(jiān)測、預測及計算，獲取地表塌陷、裂隙、滑坡、塌陷、泥石流、土壤侵蝕等影響，建立災害分析、預測、預警體系，為煤礦采空塌陷區(qū)災害防、控、治提供數(shù)據(jù)支撐和科學依據(jù)。因此根據(jù)煤礦智能化、標準化建設要求，設計主要功能如下：

1.2.1 地表移動觀測站數(shù)據(jù)管理與分析

目前傳統(tǒng)的地表移動觀測站主要采用GNSS、全站儀、水準等方法進行觀測?；讷@取的不同時段地表坐標及高程計算地表下沉、傾斜、曲率、水平移動、水平變形等移動變形指標數(shù)據(jù)。因此該系統(tǒng)包含了地表移動數(shù)據(jù)存儲管理及地表移動變形計算的基本功能。

下沉計算可以采用式(1)，指定方向水平移動計算采用式(2)。

和水平移動可用下式進行計算。

Wn=Hn0-Hnm

(1)

式中，Wn為地表第n點的m次觀測時的下沉，mm；Hn0，Hnm分別為地表n點首次和m次觀測時的高程，mm。

Un=(Xm-X0)cosφ+(ym-y0)sinφ

(2)

式中，(X0，Y0)為n點首次觀測坐標；(X0，Y0)為n點m次觀測坐標；φ為指定方向的坐標方位角；Un為n點指定方向地表水平移動量，mm。

其余變形亦可按照有關公式計算，在此不再贅述。

1.2.2 地裂縫無人機天眼巡查系統(tǒng)

目前，主要的地裂縫識別和處置方法是通過野外實測和調(diào)查獲取[13，20]，黃玉川煤礦開采后的地表裂縫主要采用強夯和碾壓處理。近年來，隨著遙感、無人機的使用，為地裂縫、滑坡等煤礦次生災害的監(jiān)測提供了新的技術(shù)手段。黃玉川煤礦無人機天眼巡查系統(tǒng)主要包括地面無人機飛行控制系統(tǒng)、無人機云臺、攝影測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件。地裂縫的提取采用黃玉川煤礦獲取的大量無人機數(shù)據(jù)進行人工標記，形成訓練數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集影像特征如下：①因礦山開采形成的地裂縫，多呈平行成組出現(xiàn)的細長條狀態(tài)；②裂縫邊緣一般曲線分布，宏觀看有規(guī)定的走向，但是微觀上邊緣曲線雜亂無規(guī)律；③裂縫區(qū)域一般呈現(xiàn)暗黑色調(diào)，與周圍影像有明顯的對比度差異。

采用隨機森林算法進行學習訓練，建立裂縫提取模型，構(gòu)建監(jiān)督分類狀態(tài)下地表裂隙提取算法。

1.2.3 遙感影像生態(tài)地質(zhì)環(huán)境預測預警

生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風險評價基于礦區(qū)地質(zhì)災害的影響因素的指標選取基本因素和誘發(fā)因子?；疽蛩匕ǖV區(qū)坡度、高程、坡向、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、交通條件、已有地質(zhì)災害發(fā)育分布狀況等；誘發(fā)因素包括降雨、開挖和地震等?；谏鲜鲈u價指標，結(jié)合黃玉川煤礦黃土溝壑的區(qū)域地形條件，構(gòu)建了基于層次分析法的礦區(qū)地質(zhì)災害風險評價模型，并上線運行。各指標因子如圖1所示。

圖1 礦區(qū)地質(zhì)危險度評價層次結(jié)構(gòu)模型

1.2.4 重要災害易發(fā)區(qū)實時監(jiān)控

針對評估出的災害易發(fā)區(qū)域，在開采期間建立實時監(jiān)控措施。主要通過設立GNSS連續(xù)運營監(jiān)測站、裂縫傳感器、拉線位移計、鉆孔傾斜儀等多種專用和普適性地質(zhì)災害監(jiān)測手段進行數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)測。所獲得的監(jiān)測結(jié)果傳至數(shù)據(jù)服務云平臺進行存儲、分析和使用。當各傳感器數(shù)據(jù)超過一定閾值或者重大極端災害發(fā)生時觸發(fā)預警。該方法無須建立全礦區(qū)的地表災害監(jiān)測，僅僅通過對預計影響區(qū)內(nèi)的災害易發(fā)區(qū)域進行監(jiān)測和治理，精準防控程度高，大大降低了監(jiān)測成本。對不同破壞類型的地質(zhì)災害可以布設針對性的傳感器，提高了監(jiān)測手段的精準性。實時監(jiān)測系統(tǒng)參照物聯(lián)網(wǎng)的層次結(jié)構(gòu)進行設置，主要有傳感器端的數(shù)據(jù)感知獲取層、數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS/4G/5G技術(shù)。數(shù)據(jù)服務器承擔三種功能，首先是收據(jù)的接收和存儲，然后對實時采集的數(shù)據(jù)進行計算和分析，此外還提供對應用層的數(shù)據(jù)分發(fā)功能。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取及發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸存儲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集及存儲

1.2.5 開采沉陷預計

開采沉陷預計采用傳統(tǒng)概率積分法模型進行計算。黃玉川煤礦目前已開采區(qū)域主要包含4#、6#兩個水平，其中4#煤采用一次采全高綜采工藝，全部陷落法管理頂板；6上煤采用綜采放頂煤工藝，全部陷落法管理頂板，因此選用概率積分模型進行開采沉陷預計是合適的。該模型基于隨機介質(zhì)理論，通過對開采空間的在走向、傾向上的積分獲取主斷面地表移動變形大小，進而計算地表域內(nèi)下沉及變形。由于其模型簡單，模型所使用的參數(shù)較少且易于獲取，是我國應用最為廣泛的地表沉陷預計方法，下沉和水平移動計算見式(3)、式(4)。

式中，W(x，y)為(x，y)點的下沉量；Wcm為充分采動條件下地表最大下沉值，Wcm=mqcosα；Ucm為最大水平移動值，Ucm=bWcm，b為水平移動系數(shù)；m為采厚；q為下沉系數(shù)；α為煤層傾角；r為開采影響傳播角；D為地下開采區(qū)域(考慮拐點偏移)。

綜上所述，黃玉川煤礦地表采空塌陷區(qū)天眼巡查系統(tǒng)主要功能集成了傳統(tǒng)地表移動觀測站數(shù)據(jù)獲取、無人機災害風險點調(diào)查及裂隙提取、基于遙感影像的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境災害風險分析、基于實時傳感網(wǎng)絡的重要災害易發(fā)區(qū)動態(tài)監(jiān)控以及開采沉陷預測預報等5大主體功能。各部分基本業(yè)務流程如圖3所示。

圖3 主要功能的基本業(yè)務流程

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)及開發(fā)

2.1 基本業(yè)務架構(gòu)及開發(fā)流程

根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)要求，將各功能模塊分解為數(shù)據(jù)獲取端，數(shù)據(jù)服務器端以及客戶端。其中數(shù)據(jù)獲取端主要解決數(shù)據(jù)的獲取、邊緣存儲及發(fā)送的問題。按照不同的數(shù)據(jù)來源及監(jiān)測方式，將獲取端分解為以下四類：

1)地表移動觀測站，該部分主要是地面獨立點的位置及高程監(jiān)測信息，數(shù)據(jù)格式可用表的形式存儲和發(fā)送，獲取及存儲簡單。

2)雷達干涉測量，該部分結(jié)果多通過其他專業(yè)軟件處理后上傳，格式主要是shp格式，這部分內(nèi)容可通過管理端自主上傳至服務器。

3)無人機巡查數(shù)據(jù)。對于無人機數(shù)據(jù)，主要是tiff 格式柵格數(shù)據(jù)，該部分內(nèi)容數(shù)據(jù)可以主動上傳存儲至服務器，采用深度學習算法在服務器端應用程序進行處理獲取目標數(shù)據(jù)

4)實時傳感器數(shù)據(jù)，實時傳感器數(shù)據(jù)有一定采樣頻率，通過GPRS/4G/5G等方式傳輸至服務器，以表格形式存儲。

數(shù)據(jù)服務器端主要是執(zhí)行數(shù)據(jù)的查詢、修改和增加，數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)據(jù)的分析及日志信息。其中數(shù)據(jù)分析是服務器端主要的應用業(yè)務，功能是進行開采沉陷預計、分析，災害預測預報及預警，并依據(jù)客戶需求生成各類報表。客戶端層主要是完成用戶登錄、數(shù)據(jù)管理、報表的輸出顯示以及大屏展示。功能開發(fā)以基本業(yè)務邏輯邊界進行拆分，形成代碼流程并選擇合適的硬件。主要業(yè)務邏輯架構(gòu)如圖4所示。

2.2 主要技術(shù)路線

在數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采用GPRS/4G/5G技術(shù)從采集終端自動傳輸數(shù)字信號至服務器應用程序。服務器應用程序負責數(shù)據(jù)的處理、計算及存儲?？蛻舳瞬捎脼g覽器進行數(shù)據(jù)的查詢、修改及大屏顯示功能。系統(tǒng)開發(fā)采用REST(Representational State Transfer) API技術(shù)分離前后端?？蛻舳送ㄟ^Https請求數(shù)據(jù)的查詢、修改。由于本項目是塌陷區(qū)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所有獲取數(shù)據(jù)均認為是由于變化引起，不允許前端用戶執(zhí)行刪除業(yè)務。通過前后端的分離，減少代碼編寫和部署時間，提高了工作效率。黃玉川煤礦所建立的系統(tǒng)融合了基于數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)展示、項目管理等功能，項目主要包括表單數(shù)據(jù)填報、自動API生成、GIS展示、數(shù)據(jù)分析等功能，架構(gòu)設計考慮到與其他系統(tǒng)進行集成的功能，支持頁面集成、數(shù)據(jù)集成等方式。

3 工程應用

3.1 工程概況及地表移動觀測站分析

黃玉川煤礦11401工作面為4煤首采工作面，工作面走向長度為1401m，傾斜長度為250m，煤層底板標高為916.63～1045.72m，地面標高為1131.3～1242.7m，埋深為169～250m，切眼角度3°。工作面東距井田邊界470m，西為11402未開拓工作面，南為一水平一盤區(qū)大巷，北到DF6斷層。工作面地面位于柳樹灣村南營子社南，南部位于劉家圪臺下方。本工作面煤層產(chǎn)狀，總的趨勢為走向北東，傾向北西，傾角在2°～17°。屬緩傾斜煤層，4煤層是礦主采煤層之一，在本工作面厚度從3.0～4.7m 之間，平均為3.58m。煤質(zhì)較硬，含2～5層夾矸，夾矸成分多為高灰煤，厚度從0.1～0.5m不等。煤層可采厚度3.15m，煤層較硬。煤層穩(wěn)定性較好。

圖4 業(yè)務邏輯結(jié)構(gòu)

據(jù)地質(zhì)資料，鉆孔巖石力學試驗結(jié)果，各可采煤層頂、底板巖石以泥巖及砂質(zhì)泥巖為主，抗壓強度多數(shù)小于30MPa，4 煤層頂、底板砂質(zhì)泥巖、泥巖軟化系數(shù)為0.29～0.71，屬于易軟化巖層。為獲取地表移動規(guī)律，采用11401工作面上方地表為丘陵地貌并覆蓋13m厚的黃土紅土層，溝壑縱橫，中厚度基巖(約180m)，2013年11月份在11401工作面上方布置了2條測線，總長度為960m，測點數(shù)共計47個，測點間隔約為20m，控制點布置于工作面外部觀測線的末端。C線布置于工作面停采線側(cè)，為走向半盆地觀測線，D線沿傾向布置于停采線側(cè)為傾向半盆地線，如圖5所示。自2015年4月份進行了首次觀測，至2016年10月觀測共計6次。

圖5 11401工作面幾何尺寸及觀測點分布

根據(jù)所觀測的數(shù)據(jù)制作表1格式的數(shù)據(jù)表格并上傳至系統(tǒng)，將自動生成如下的單一點位及剖面曲線，如圖6所示。

圖6 觀測線地表移動曲線

3.2 開采沉陷預計結(jié)果

以11401工作監(jiān)測數(shù)據(jù)進行概率積分法參數(shù)反演獲取黃玉川煤礦地表移動概率積分法參數(shù)，參數(shù)反演采用基于地表移動矢量的概率積分法參數(shù)反演模型[21]。該模型以地表點的移動矢量為依據(jù)，誤差平方和最小為指標，采用遺傳算法進行概率積分法參數(shù)的反演，其計算過程和算法實現(xiàn)參見文獻[21]。預計計算采用的概率積分法參數(shù)如下：下沉系數(shù)q=0.64，水平移動系數(shù)b=0.3，主要影響角正切tanβ=1.82，開采影響傳播角θ0=90～0.06α，拐點偏移距S0=0.05H。沉陷預計結(jié)果如圖7所示。

圖7 黃玉川煤礦現(xiàn)有地表沉陷量預計結(jié)果(m)

3.3 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境風險評價

各因子指標進行分區(qū)特征劃分見表1。

表1 地質(zhì)環(huán)境危險性評價各因子權(quán)重分布

獲得坡度、坡向、高程、土地類型、植被覆蓋度、距離道路的位置關系的指標分類，如圖8所示。結(jié)合圖8開采地表沉陷預計結(jié)果，采用層次分析法建立黃玉川煤礦地質(zhì)環(huán)境危險性評價判斷矩陣，進而獲得各因子的權(quán)重。

采用表1各因子權(quán)重和圖9各因子值，求和可以進行態(tài)地質(zhì)環(huán)境風險評價分區(qū)，如圖9所示。該圖考慮地表地形、開采沉陷、坡度等因素影響，各因子權(quán)重分配合理，評價結(jié)果分區(qū)與實施吻合。

圖8 黃玉川煤礦影響生態(tài)地質(zhì)環(huán)境影響因子

圖9 基于層次分析法的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境風險評價分區(qū)結(jié)果

4 結(jié) 論

1)為全面掌握煤礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境受開采影響變化，在對傳統(tǒng)監(jiān)測手段、信息系統(tǒng)分析的基礎上，提出了構(gòu)建地表采空塌陷區(qū)天眼巡查系統(tǒng)的構(gòu)想?；诘V山開采沉陷理論、巖移觀測數(shù)據(jù)，在無人機、衛(wèi)星遙感、現(xiàn)代傳感器等監(jiān)測手段支撐下，將系統(tǒng)的建設目標設定為重大災害實時監(jiān)控的空天巡查系統(tǒng)。

2)針對黃玉川煤礦地表沉陷現(xiàn)狀，系統(tǒng)功能主要包含地表移動觀測站數(shù)據(jù)管理與分析、地裂縫無人機天眼巡查系統(tǒng)、遙感影像生態(tài)地質(zhì)環(huán)境預測預警、重要災害易發(fā)區(qū)實時監(jiān)控、開采沉陷預計5項基本功能。

3)依據(jù)系統(tǒng)業(yè)務架構(gòu)和前后端分離的REST API技術(shù)，將各功能模塊分解為數(shù)據(jù)獲取端，數(shù)據(jù)服務器端以及客戶端。數(shù)據(jù)獲取端融合物聯(lián)網(wǎng)、GPRS/5G/4G技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時獲?。粩?shù)據(jù)服務端完成數(shù)據(jù)存儲管理及主要業(yè)務流程；客戶端采用REST API技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、修改以及大屏展示。

4)以黃玉川煤礦11401工作面地表移動觀測站數(shù)據(jù)分析、開采沉陷預計及地質(zhì)環(huán)境評價結(jié)果、大屏幕展示了系統(tǒng)運行結(jié)果。該系統(tǒng)部署在黃玉川煤礦上級公司服務器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)使用的統(tǒng)一。為促進黃玉川煤礦智能綠色礦山建設在生態(tài)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測方向的數(shù)據(jù)分析、決策提供了基礎依據(jù)。系統(tǒng)研究成果在其他井工開采礦區(qū)有推廣應用價值。

5)在此平臺基礎上可進一步擴展地面塌陷專項監(jiān)測調(diào)查體系，在衛(wèi)星遙感(光學、InSAR)、無人機(LiDAR)等新興技術(shù)的支撐下，完善礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、評價指標體系和治理技術(shù)基礎理論研究，逐步建立“天上看、地上查、動態(tài)管、超前治″的“天眼巡查+互聯(lián)網(wǎng)+管控治理″的礦山生態(tài)地質(zhì)環(huán)境管理信息系統(tǒng)。