一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其步驟包括：選取西部礦區(qū)典型工作面現(xiàn)場(chǎng)，掌握工作面具體開(kāi)采參數(shù)；利用低相干條件下D?InSAR影像高精度配準(zhǔn)算法處理工作面采動(dòng)全過(guò)程的地表形變雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況；利用氡氣地表探測(cè)井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況；采用小波變換分析方法，分析工作面具體開(kāi)采參數(shù)與采動(dòng)地表形變、采動(dòng)裂隙發(fā)育三者之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，該動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系表征西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律。本發(fā)明將衛(wèi)星遙感方法與放射性測(cè)量方法引入到煤炭地下開(kāi)采領(lǐng)域，可精確、快捷、有效地揭示西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)特征。
【專利說(shuō)明】
一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于煤炭資源地下開(kāi)采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種探測(cè)煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，特別涉及一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著東部礦區(qū)煤炭資源的枯竭，中部礦區(qū)資源與環(huán)境約束的矛盾加劇，我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的重心已快速轉(zhuǎn)移至西部生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)，并已初步形成了西北五大煤炭基地(陜北、黃隴、神東、寧東、新疆)。西部礦區(qū)煤層的典型稟賦特性是埋藏淺、厚度大、基巖薄、地表生態(tài)環(huán)境脆弱。在“煤炭黃金十年”高速發(fā)展期，煤炭資源的大規(guī)模、高強(qiáng)度、粗放式開(kāi)采，引起采動(dòng)覆巖(從煤層頂板至地表)裂隙發(fā)育高度大于基巖厚度，導(dǎo)致采場(chǎng)覆巖破斷易直接波及至地表，出現(xiàn)頂板整體臺(tái)階下沉，采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)劇烈，采動(dòng)地表形變嚴(yán)重。同時(shí)，井下開(kāi)采對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響更為敏感和劇烈，極易造成地下水系破壞、地表植被退化、土地荒漠化加劇等，使本就十分脆弱的生態(tài)環(huán)境遭受毀滅性破壞。煤炭開(kāi)采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境損害問(wèn)題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，煤炭資源生態(tài)環(huán)境保護(hù)性開(kāi)采已成為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求以及《國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展綱要》重點(diǎn)領(lǐng)域的優(yōu)先主題。因此，在國(guó)家供給側(cè)改革大背景下，如何準(zhǔn)確有效地掌握我國(guó)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律，已成為西部礦區(qū)煤炭資源實(shí)現(xiàn)科學(xué)開(kāi)采的重要理論基礎(chǔ)。
[0003]當(dāng)前，在采動(dòng)覆巖活動(dòng)特征工程實(shí)踐方面，缺乏一種可靠、有效、易操作的探測(cè)方法與手段?，F(xiàn)有的探測(cè)方法和手段(如GPS觀測(cè)法、鉆孔電視法、鉆孔電阻率法等)往往存在工程量大、操作復(fù)雜、成本較高及數(shù)據(jù)獲取困難等缺點(diǎn)?，F(xiàn)有方法與手段往往會(huì)受到具體采礦地質(zhì)條件的影響而導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)效果較差，例如受工作面超前采動(dòng)支承壓力影響而難以實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)測(cè)，無(wú)法完全反映井下工作面采動(dòng)全過(guò)程，不能準(zhǔn)確判定上覆巖層的動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律，更難以判定其內(nèi)部的采動(dòng)裂隙是否與上部松散含水層相連，嚴(yán)重影響了礦井安全、綠色、高效開(kāi)采技術(shù)的有效實(shí)施。因此，亟需對(duì)采動(dòng)覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律探測(cè)方法與手段進(jìn)行創(chuàng)新。
[0004]氡氣，是目前人類所能接觸到的唯一具有放射性且最重的惰性氣體。由于氡氣具有放射性，即使?jié)舛群苄?，其也可被測(cè)出；同時(shí)它又具備惰性氣體的性質(zhì)，即可在微裂隙或微孔隙中傳輸和積聚，近年來(lái)，氡氣探測(cè)技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于礦產(chǎn)資源勘查、工程地質(zhì)探測(cè)及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面。合成孔徑雷達(dá)差分干涉測(cè)量(Differential InterferometricSynthetic Aperture Radar，D_InSAR)是一種利用遙感衛(wèi)星獲取復(fù)雷達(dá)圖像相位信息提取地表形變特征的新興技術(shù)。D-1nSAR測(cè)量技術(shù)應(yīng)用研究成果相對(duì)豐富，特別是在大區(qū)域范圍地表形變監(jiān)測(cè)、油氣等開(kāi)采區(qū)地面沉降觀測(cè)及煤炭開(kāi)采區(qū)地表沉陷探測(cè)等方面較為廣泛。然而，遙感影像高精度配準(zhǔn)是雷達(dá)干涉測(cè)量的重要前提，其配準(zhǔn)精度直接影響生成干涉圖的質(zhì)量和地表形變提取精度，一般應(yīng)保證配準(zhǔn)精度達(dá)到子像元級(jí);我國(guó)西部礦區(qū)地表一般為厚松散風(fēng)積沙層覆蓋，且工作面開(kāi)采過(guò)程中易發(fā)生劇烈形變，導(dǎo)致地表覆蓋特征變化較大，雷達(dá)干涉條紋的相干性較低，屬于典型的低相干條件。在低相干條件下，采用傳統(tǒng)算法往往導(dǎo)致配準(zhǔn)精度較低，以致后續(xù)生成的雷達(dá)干涉圖質(zhì)量更低，甚至無(wú)法生成雷達(dá)干涉圖。因此，針對(duì)工作面采動(dòng)地表(屬于小范圍區(qū)域)形變實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面的研究則較少。目前，也尚未有將“D-1nSAR測(cè)量(空)”與“氡氣地表探測(cè)(地)”兩種方法融合用于探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，該方法基于“空-地”聯(lián)合探測(cè)，能夠精確、快捷、有效地揭示西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律。
[0006]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，包括如下步驟:
[0007]步驟I，選取西部礦區(qū)典型工作面現(xiàn)場(chǎng)，掌握工作面具體開(kāi)采參數(shù)；
[0008]步驟2，利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法處理工作面采動(dòng)全過(guò)程的地表形變雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況；
[0009]步驟3，利用氡氣地表探測(cè)井下工作面開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況；
[0010]步驟4，根據(jù)測(cè)得的采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況、采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況，采用小波變換分析方法，分析工作面具體開(kāi)采參數(shù)與采動(dòng)地表形變、采動(dòng)裂隙發(fā)育三者之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，該動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系表征西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律。
[0011 ]具體的，步驟2中，工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況由如下步驟得到:
[0012]步驟21，獲取工作面“采前-采中-采后”全過(guò)程的多景雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)；
[0013]步驟22，利用低相干區(qū)D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法將所有SAR影像數(shù)據(jù)采樣到同一個(gè)坐標(biāo)系中，根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)之間的時(shí)間和空間基線分布以及相干性大小，生成工作面采動(dòng)地表多景干涉條紋圖；
[0014]步驟23，在定標(biāo)和配準(zhǔn)好的SAR影像中探測(cè)出可作為永久散射體的點(diǎn)；
[0015]步驟24，通過(guò)離散點(diǎn)解纏和粗差點(diǎn)剔除方法反演工作面采動(dòng)地表相干點(diǎn)處的形變結(jié)果；
[0016]步驟25，對(duì)該形變結(jié)果進(jìn)行大氣誤差和軌道誤差校正后，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況。
[0017]上述步驟3中，利用氡氣地表探測(cè)井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況的方法包括:
[0018]步驟31，在工作面地表從開(kāi)切眼對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始，沿垂直于工作面走向方向間隔布置氡氣測(cè)線，在任一氡氣測(cè)線上間隔布置氡氣測(cè)點(diǎn)；
[0019]步驟32，采用α杯累積測(cè)氡儀及連續(xù)測(cè)氡儀實(shí)時(shí)測(cè)量工作面開(kāi)采過(guò)程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的氡氣濃度變化情況，反演分析井下工作面開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況。
[0020]進(jìn)一步的，步驟31中，相鄰兩條氡氣測(cè)線之間的距離為20?30m，任一氡氣測(cè)線上相鄰兩個(gè)氡氣測(cè)點(diǎn)之間的距離為10?20m。
[0021 ] 上述步驟32中，α杯累積測(cè)氡儀的探杯埋設(shè)深度為30?40cm;連續(xù)測(cè)氡儀的抽氣桿打孔深度為50?60cmo
[0022]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:(1)本發(fā)明基于“空-地”聯(lián)合探測(cè)，將衛(wèi)星遙感方法與放射性測(cè)量方法引入到煤炭地下開(kāi)采領(lǐng)域，利用D-1nSAR測(cè)量工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況，同時(shí)利用氡氣探測(cè)覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育情況，通過(guò)兩者的結(jié)合，可精確、快捷、系統(tǒng)、有效地揭示西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律，開(kāi)創(chuàng)了煤炭地下開(kāi)采領(lǐng)域中覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律探測(cè)的新思路；(2)本發(fā)明利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法對(duì)雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可有效改善圖像提取精度，克服了傳統(tǒng)算法在低相干條件下配準(zhǔn)精度低、后續(xù)生成的雷達(dá)干涉圖質(zhì)量低、甚至無(wú)法生成雷達(dá)干涉圖的缺點(diǎn)，使得D-1nSAR測(cè)量技術(shù)可應(yīng)用于小范圍區(qū)域的工作面采動(dòng)地表形變實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為步驟2中利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法對(duì)雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)的處理過(guò)程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明的一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，包括如下步驟:
[0026]步驟I，選取西部礦區(qū)典型工作面現(xiàn)場(chǎng)，掌握工作面具體開(kāi)采參數(shù)。
[0027]步驟2，利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法處理工作面采動(dòng)全過(guò)程的地表形變雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況；
[0028]具體的，本步驟中:
[0029]首先，獲取涵蓋工作面“采前-采中-采后”全過(guò)程的多景TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)；
[0030]其次，利用低相干區(qū)高精度配準(zhǔn)算法將所有SAR影像數(shù)據(jù)采樣到同一個(gè)坐標(biāo)系中，根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)之間的時(shí)間和空間基線分布以及相干性大小，生成工作面采動(dòng)地表多景干涉條紋圖；
[0031]再次，在定標(biāo)和配準(zhǔn)好的SAR影像中探測(cè)出可作為永久散射體的點(diǎn);可基于幅度離散指數(shù)或相位穩(wěn)定性原則等方法探測(cè)可作為永久散射體的點(diǎn)；
[0032]然后，通過(guò)離散點(diǎn)解纏和粗差點(diǎn)剔除方法反演工作面采動(dòng)地表相干點(diǎn)處的形變結(jié)果;
[0033]最后，對(duì)該形變結(jié)果進(jìn)行大氣誤差和軌道誤差校正，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況。
[0034]步驟3，利用氡氣地表探測(cè)井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況；
[0035]首先，在工作面地表從開(kāi)切眼對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始，沿垂直于工作面走向方向間隔布置氡氣測(cè)線，在任一氡氣測(cè)線上間隔布置氡氣測(cè)點(diǎn);其中，相鄰兩條氡氣測(cè)線之間的距離可為20?30m，任一氡氣測(cè)線上相鄰兩個(gè)氡氣測(cè)點(diǎn)之間的距離可為10?20m;
[0036]然后，采用α杯累積測(cè)氡儀及連續(xù)測(cè)氡儀實(shí)時(shí)測(cè)量工作面開(kāi)采過(guò)程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的氡氣濃度變化情況，反演分析井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況;其中，α杯累積測(cè)氡儀的探杯埋設(shè)深度為30?40cm;連續(xù)測(cè)氡儀的抽氣桿打孔深度為50?60cmo
[0037]步驟4，根據(jù)測(cè)得的采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況、采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況，采用小波變換分析方法，分析工作面具體開(kāi)采參數(shù)與采動(dòng)地表形變、采動(dòng)裂隙發(fā)育三者之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，該動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系表征西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律。
[0038]本發(fā)明基于“空-地”聯(lián)合探測(cè)，將衛(wèi)星遙感方法與放射性測(cè)量方法引入到煤炭地下開(kāi)采領(lǐng)域，利用D-1nSAR測(cè)量工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況，同時(shí)利用氡氣探測(cè)覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育情況，通過(guò)兩者的結(jié)合，可精確、快捷、系統(tǒng)、有效地揭示西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律，開(kāi)創(chuàng)了煤炭地下開(kāi)采領(lǐng)域中覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律探測(cè)的新思路;同時(shí)，本發(fā)明利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法對(duì)TerraSAR-X雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可有效改善圖像提取精度，克服了傳統(tǒng)算法在低相干條件下配準(zhǔn)精度低、后續(xù)生成的雷達(dá)干涉圖質(zhì)量低、甚至無(wú)法生成雷達(dá)干涉圖的缺點(diǎn)，使得D-1nSAR測(cè)量技術(shù)可應(yīng)用于小范圍區(qū)域的工作面采動(dòng)地表形變實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1，選取西部礦區(qū)典型工作面現(xiàn)場(chǎng)，掌握工作面具體開(kāi)采參數(shù)； 步驟2，利用低相干條件下D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法處理工作面采動(dòng)全過(guò)程的地表形變雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況； 步驟3，利用氡氣地表探測(cè)井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況； 步驟4，根據(jù)測(cè)得的采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況、采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況，采用小波變換分析方法，分析工作面具體開(kāi)采參數(shù)與采動(dòng)地表形變、采動(dòng)裂隙發(fā)育三者之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，該動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系表征西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其特征在于，步驟2中，所述工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況由如下步驟得到: 步驟21，獲取工作面“采前-采中-采后”全過(guò)程的多景雷達(dá)衛(wèi)星SAR影像數(shù)據(jù)； 步驟22，利用低相干區(qū)D-1nSAR影像高精度配準(zhǔn)算法將所有SAR影像數(shù)據(jù)采樣到同一個(gè)坐標(biāo)系中，根據(jù)SAR影像數(shù)據(jù)之間的時(shí)間和空間基線分布以及相干性大小，生成工作面采動(dòng)地表多景干涉條紋圖； 步驟23，在定標(biāo)和配準(zhǔn)好的SAR影像中探測(cè)出可作為永久散射體的點(diǎn)； 步驟24，通過(guò)離散點(diǎn)解纏和粗差點(diǎn)剔除方法反演工作面采動(dòng)地表相干點(diǎn)處的形變結(jié)果; 步驟25，對(duì)該形變結(jié)果進(jìn)行大氣誤差和軌道誤差校正后，得到工作面采動(dòng)地表動(dòng)態(tài)形變情況。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其特征在于，步驟3中，所述利用氡氣地表探測(cè)井下工作面覆巖采動(dòng)裂隙動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況的方法包括: 步驟31，在工作面地表從開(kāi)切眼對(duì)應(yīng)位置開(kāi)始，沿垂直于工作面走向方向間隔布置氡氣測(cè)線，在任一氡氣測(cè)線上間隔布置氡氣測(cè)點(diǎn)； 步驟32，采用α杯累積測(cè)氡儀及連續(xù)測(cè)氡儀實(shí)時(shí)測(cè)量工作面開(kāi)采過(guò)程中各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的氡氣濃度變化情況，反演分析井下工作面開(kāi)采覆巖采動(dòng)裂隙的動(dòng)態(tài)發(fā)育狀況。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其特征在于，步驟31中，相鄰兩條氡氣測(cè)線之間的距離為20?30m，任一氡氣測(cè)線上相鄰兩個(gè)氡氣測(cè)點(diǎn)之間的距離為10?20m。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的探測(cè)西部淺埋煤層開(kāi)采覆巖動(dòng)態(tài)活動(dòng)規(guī)律的方法，其特征在于，步驟32中，所述α杯累積測(cè)氡儀的探杯埋設(shè)深度為30?40cm;所述連續(xù)測(cè)氡儀的抽氣桿打孔深度為50?60cmo
【文檔編號(hào)】G01V11/00GK105929462SQ201610239629
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月18日
【發(fā)明人】張煒, 張東升, 吳立新, 馬立強(qiáng), 胡文敏, 閆世勇
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)