神东矿区是我国西部超大工作面开采的典型矿区，煤炭大规模高强度开采致使煤岩层结构发生急剧变化，产生大量覆岩裂隙和地表裂缝，影响地表生态环境，如不及时治理还可能诱发次生灾害[1-3]。然而现有地表生态监测手段已不能满足高强度开采下生态环境保护的需求，无法完成对矿区开采沉陷、地裂缝产生及演化规律的长期、动态监测，进而不能全面掌握矿区地表损伤程度，从而针对现场实际情况提出相应治理措施[4-5]。因此，如何实现矿区高强度采动损伤的实时、立体与高效监测，对于预防潜在地质灾害、优化开采参数及生态修复具有重要意义。
随着我国生产技术的迅猛发展，采动损伤监测手段逐渐向精确化、自动化与智能化方向发展[6]。目前采矿与测绘科技工作者在覆岩及地表损伤监测方面进行了诸多研究。在覆岩破坏方面，瞬变电磁法、光纤传感器、地质雷达、微震监测、地震CT技术、立体直流电法等技术被广泛用于监测覆岩“三带”高度与裂隙发育规律[7-12]；在地表移动变形方面，李达等[13]通过SBAS-InSAR技术实现对地表沉降的监测；刘国林等[14]论证了GPS与InSAR数据融合能够有效监测地表形变，此外还有学者运用PS-InSAR,D-InSAR,RTK与水准仪等监测技术对神东矿区进行开采沉陷分析[15-18]；在地裂缝方面，王新静等[19]通过采用一种便携简易式监测装置，获得补连塔12406工作面地裂缝尺寸变化规律；赵毅鑫等[20]基于无人机与高清红外相机实现对大柳塔矿52605工作面的地表浅层隐伏裂缝识别；李亮等[21]运用小波分析法、三维激光扫描与Matlab软件平台，实现对地裂缝位置的精准探测；侯恩科等[22]利用无人机监测技术，得到了工作面推进度与地裂缝发育规律的对应关系。上述研究成果丰富了采动损伤监测手段，对生态修复的发展起到促进作用。
然而，从时间同步性、监测连续性及精确性、数据融合性等方面考虑，应采取多手段互相补充，协同测量，才能精准解决实际问题。与此同时，西部生态损伤区地质环境与沉陷特征具有复杂性、动态性和特殊性，发展空天地多尺度联合监测技术迫在眉睫。笔者选择神东矿区上湾煤矿12401工作面为工程背景，构建“空天地”一体化监测体系对覆岩损伤、地表连续变形与非连续变形进行联合监测，实现采动过程中覆岩运移-地表沉降-地裂缝发育的时空动态监测，为高强度开采损伤控制提供坚实的技术基础。
1 采动损伤与“空天地”一体化监测技术概念
采动损伤实质上是由于工作面煤层开采后围岩应力和位移状态发生改变，引起覆岩发生破断与运移，最终传递至地表，产生地表移动变形和生态累积效应的过程。因此，采动损伤传导到地表的过程涉及煤炭开发全生命周期。采动损伤可以看成是煤岩层应力和位移发生变化后的宏观表现，应力变化表现为覆岩破断和地裂缝的产生，位移变化表现为覆岩下沉和地表连续变形。采动损伤内涵应包含工作面、覆岩、地表以及开采后对地表生态影响等多方面内容，具体表现如图1所示。“空天地”一体化监测技术体系包括利用GNSS控制测量、地面常规测量(水准+导线)及InSAR监测技术从点到面全面实时监测高强度开采地表连续变形；基于无人机测绘技术(搭载可见光相机+红外相机)与人工精准测量技术(GPS+水准尺)高精度高效率采集高强度开采非连续变形信息；运用高密度电法、地质雷达联合探测方法提取高强度开采覆岩损伤信息，具体空间布置如图2所示。构建“空天地”一体化采动损伤监测体系，有利于弥补传统监测手段的不足，对我国西部生态脆弱区域大型煤炭基地的科学开发，建设环境友好型和资源节约型的生态文明矿区，实现美丽中国梦都具有重要的现实意义。
图1 采动损伤内涵
Fig.1 Connotation of mining damage
图2 “空天地”一体化监测技术体系
Fig.2 “Space-sky-surface”integrated monitoring technology system
2 工程概况
上湾矿12401工作面长度为300 m，推进长度为5 429 m，采高为8.8 m，工作面平均推进速度达到13.6 m/d，高强度开采导致地表发生持续变形和地裂缝产生。受地形、气候及传统监测手段精度等因素影响，利用多种监测手段优势互补的方法进行现场监测。具体监测方案如图3所示，InSAR监测范围是以12401工作面为中心的整个矿区；基于无人机单次飞行时间为30 min，确定飞行区域为开切眼后方100 m，两条巷道外侧50 m，工作面推进方向350 m，当工作面推过该区域，无人机监测范围相应向外延伸；布置5条物探观测线，L1测线与工作面走向平行处于工作面中间位置，水平投影垂直开切眼，L2测线斜穿工作面，L3测线与工作面倾向平行并覆盖开切眼上方位置，水平投影与开切眼重合，并延伸至平巷外侧，L4和L5测线的中心位置位于工作面边界处。同时综合运用GNSS控制测量、三维激光扫描等技术为空天地多源数据融合算法运行提供数据集。
图3 监测方案布置
Fig.3 Layout of monitoring scheme
3 GNSS监测定位结果分析
根据GNSS监测原理，采用BDS+GPS对矿区局部区域开展监测工作，精确获得神东矿区地表移动变形位置信息，为三维激光扫描测绘点云拼接提供空间三维坐标，监测结果如图4所示。由图4可看出，以中部区域为基准点，左下方为负值出现明显的相对沉降，右下方为正值代表明显的相对抬升。表明GNSS测量技术可以用于地面沉降分析，本监测过程中的动态监测技术主要是服务于三维激光测量，为三维激光技术提供坐标控制。
图4 GNSS监测结果
Fig.4 GNSS monitoring results
4 InSAR技术监测结果分析
为分析神东矿区形变的时空演化特征，选取矿区内10个点进行时间序列分析，将InSAR获取的形变速率投影到Google Earth光学影像地图上，再将这10个点(P1～P10)叠加于图，最终得到 P1～P10点的地理坐标、形变速率和累计沉降量，如图5所示。由图5可知，P2点地表沉降速率最大达-264.2 mm/a，P4点累计沉降量最大达234.9 mm，P1～P7点地表均发生下沉，P8～P10点地表出现抬升现象。这是由于开采强度大，导致地表损伤控制层在发生弯曲下沉的过程中，在上覆岩土层载荷作用下开采边界外侧发生弹性岩梁撅起效应[23]，在地表显现为隆起，且在地表下沉和抬升交界处容易形成地裂缝。
图5 P1～P10点的地理坐标、形变速率和累计沉降量
Fig.5 Geographical coordinates,deformation rate and accumulated subsidence of points P1-P10
图6显示P1～P10点的形变随着时间的演变特征。P1点和P2点在2018-01-06之前处于缓慢沉降的状态，在这个时间之后出现了急剧下降的现象，而在2018-08-22之后，地表趋于稳定。P3点位于上湾煤矿矿区，该矿于2018年3月底开始开采上湾煤矿前(2018-03-19之前)，地表一直处于非常稳定的状态，而开采后，地表快速下沉，这种快速下沉的趋势一直延续到2018-08-22，在这段时间内，累计下沉了91 mm。P4点沉降速率在整个时间段内较为均匀，一直处于持续沉降状态，累计沉降量为234.9 mm。P5点从2017-11-07开始下沉，沉降较为均匀和缓慢，在2017-12-25开始出现急剧下沉，2018-04-24以后，地表回归稳定。P6点在2017-12-01以前，地表稳定，之后开始下沉，并于2018-08-22恢复稳定状态。P7点在2017-10-14—2018-01-06快速下沉，在2018-01-06和2018-07-05之间沉降变得缓慢，之后，地表回归稳定。P8点在2017-10-14—2018-06-23，地表快速抬升，之后变得稳定。P9点在2017-10-14—2018-03-31处于抬升状态，值得注意的是，在2018-03-31和2018-09-27区间内，P9点的地表形变出现了周期性上升和下沉现象，周期数3个，振幅达到34 mm。P10点在2018-03-19之前，地表处于平稳状态，在开采后地表交替出现下沉与上升现象，容易形成地裂缝。
图6 P1～P10点的形变时间序列
Fig.6 Deformation time series of points P1-P10
为探究地表形变在空间上的变化特征，选取13个剖面线对InSAR矿区的形变结果进行剖面分析，如图7所示。由图7可以看出，A—A′在纵向的沉降范围大约为5 km，横向大约为2 km，沉降速率最大可以达到-290 mm/a。B—B′剖面沉降速率在纵向上的范围大约为3 km，横向大约为1.5 km，沉降速率最大达-300 mm/a。在
处出现一个地表抬升区域，抬升速率达100 mm/a。C—C′剖面在纵向上沉降范围大约为3 km，横向上为1 km，沉降速率最大超过-200 mm/a。D—D′剖面位于上湾煤矿区域内，在D—D′剖面的0.75 km处形成了沉降最大的漏斗，沉降速率大约为-100 mm/a，沉降漏斗的范围大约为1 km。在D—D′剖面1.5 km处出现了一个抬升较大的区域，范围大约为1 km，速率达到90 mm/a。
图7 形变速率剖面
Fig.7 Deformation rate profile
在这个沉降漏斗和抬升区域之间，形成了较大的形变梯度(在0.75 km的范围内，速率梯度达到190 mm/a)，因此，该区域极有可能伴随地裂缝的产生。
5 无人机实测结果分析
通过对观察区域无人机航拍照片拼接，构建采空区地表全景图，结合Trimble© Geo 7x手持机进行地表裂隙连续测量定位，最终获得12401工作面推进过程中地表裂隙发育规律，如图8所示。
图8 地裂缝分布
Fig.8 Distribution of ground fissures
当工作面推进至126 m时，裂隙区主要集中在距离开切眼70 m的采空区中部，走向方向上距离开切眼20 m左右，边缘裂缝以“带状”平行于开采边界分布。裂隙区分布范围小于采空区，仅为采空区面积的20%左右。此时开切眼处产生台阶裂缝，实测最大宽度为10 cm、最大落差为13 cm。当工作面推进至155 m时，随着采空区范围的扩大，新地裂缝向前发育40 m，裂缝超前工作面33 m，开切眼处裂隙范围向外扩张20 m，运输巷地表裂缝发育至开采边界，且开切眼附近的裂缝宽度和落差达到最大值分别达到15 cm和35 cm。工作面开采初期，由于设备调试，工作面推进速度较慢，采场围岩充分卸压，基本顶受采动影响程度相对较大，覆岩及地表裂隙充分发育，导致裂隙超前工作面。当工作面推进至238 m时，地裂缝整体呈“O”型分布，新地裂缝向前发育了43 m，工作面处裂缝角近似直角；开切眼处地裂缝发育至开采边界，且裂缝宽度和落差在逐渐减小。在此阶段，工作面推进速度增加至12 m/d，采场围岩卸压不充分，围岩破坏范围较小，且覆岩载荷传递过程具有一定的时间效应。随着工作面继续推进，地裂缝分布范围不断沿工作面走向方向扩展。当工作面推进至390 m时，除工作面外的三侧边缘裂缝均发育至开采边界外，新地裂缝继续向前发育38 m。上述分析表明，加快推进速度在一定程度上可以降低覆岩相对损伤系数[24]，抑制岩层裂隙扩展程度。工作面推进过程中，发现地裂缝平均间距为40 m与主关键层破断步距一致，表明主关键层破断引起地裂缝周期性产生。
如图9所示，通过统计工作面推进过程中裂缝宽度、支架压力与推进速度的的对应关系，发现中部动态裂缝宽度变化趋势存在 “单峰裂隙”与 “双峰裂隙”，前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍，前后峰值间隔10 d左右。在“单峰裂隙”发育情况下，6月1日—15日工作面平均推进速度10.3 m/d，6月6日进尺6.1 m，周期来压步距约15 m。工作面推进至裂缝前20 m位置裂缝产生并扩展，宽度经历近3个周期来压步距达到峰值，随后便逐渐闭合。由于采用人工填埋地裂缝，裂缝并未完全闭合，而是保持一定宽度最终稳定。在“双峰裂隙”发育过程中，6月11日—7月11日工作面平均推进速度11.9 m/d，裂缝扩展期间推进速度稳定，周期来压步距不均匀，一般在10～25 m。裂缝在6月11日出现，超前工作面约20 m，经过3个周期来压达到峰值，随后趋于闭合。工作面推进至距第1次峰值约70 m时，裂缝第2次扩展，约100 m时裂缝到达第2次峰值，随后再次闭合。
图9 裂缝宽度随工作面推进扩展实测
Fig.9 Measured crack width expanding with the advance of working face
6 地基三维激光扫描技术监测结果分析
从2018年5—9月，项目组对神东矿区地表进行3次地面固定站式三维激光扫描，覆盖矿区自然地貌及部分房屋建筑物等。首先根据现场地形条件，选择合理的布站位置，优先扫描离工作面距离近且受开采扰动影响大的区域。然后基于Riscan PRO软件，选取其中两期点云数据，分别沿走向和倾向与水准测量结果进行地表沉降对比分析，如图10所示。
由图10可知，该区域走向最大下沉量为5.6 m，倾向最大下沉量5 m。2种测量手段走向最大下沉量均出现在K36控制点，误差为0.3%，倾向上水准测量和三维激光测量最大下沉量分别出现在L22和L21控制点，误差为2.5%，表明在允许误差范围内三维激光测量与水准测量结果大致相同，同时验证了三维激光扫描技术的可行性和精确性。
图10 水准测量与三维激光测量对比
Fig.10 Comparison of leveling measurement and 3D laser measurement
7 高密度电法与探地雷达联合探测结果分析
项目组总共布置5条高密度电法与地质雷达综合勘探测线，采用RTK在各个测线放样，实现对地表及隐伏地裂缝的探测。本次选取L1、L3两条典型测线探测结果进行分析。
7.1 高密度电法探测
由图11可知，表层风积沙、砂岩与砾岩等基本呈现低阻状态，L1测线在高程为1 275 m距测线起点390 m和680 m处出现高阻区域，并向旁侧延伸，且在高程1 100 m距起点535 m处存在较大高阻区域。推断距L1测线起点390 m、高程为1 275 m处，距L1测线起点680 m、高程为1 275 m处为地裂缝引起岩石塌陷而产生的离层现象；在高程1 100 m距起点535 m处为采空区及“三带”中导水裂隙带所引起的高阻响应。L3测线在高程为1 240 m距测线起点215 m处、高程为1 250 m距测线起点385 m处和高程为1 280 m、距测线起点545 m出现高阻区域，并向旁侧延伸。推断距L3测线起点215 m、高程为1 240 m处水平延伸的高阻响应为离层现象；距L3测线起点385 m、高程为1 250 m处，距L3测线起点545 m、高程为1 280 m处斜向延伸的高阻响应为隐伏地裂缝。
图11 高密度电法探测
Fig.11 High-density electrical detection
7.2 探地雷达探测
对于探地雷达探测分别采用GR-IV型探地雷达(图12)和SIR-4000型探地雷达(图13)以L3测线为例进行分析。根据雷达剖面分析，判断L3测线在30～45 m段、75～90 m段、110～125 m段、140～150 m段、165～170 m段、185～215 m段、255～265 m段、300～310 m段、320～325 m段、335～345 m段、352～362 m段、398～403 m段、410～425 m段、435～445 m段、480～495 m段(图中蓝色标记)范围内，产生雷达波同相轴错断现象，并且有较强松散层反射响应。其中在140～150 m段、255～265 m段、352～362 m段、435～445 m段雷达剖面异常与SIR-4000雷达剖面异常位置出现重合。判断为地下介质疏松、不密实导致的气相组分增加，而出现异常。地下介质疏松异常是由于原采煤沉降而形成的裂缝，后自然闭合而产生的土壤不密实现象。故雷达剖面异常表现为地裂缝，图中绿色标记为裂缝深度大于4 m。通过探地雷达得到地表10 m范围内不同裂缝发育深度，揭示90%以上的浅层裂缝发育深度小于4 m。
图12 GR-IV型雷达探测结果
Fig.12 GR-IV radar detection results
图13 SIR-4000型雷达探测结果
Fig.13 SIR-4000 radar detection results
8 采动损伤立体化协同监测结果分析
基于InSAR监测结果得到矿区下沉区，明晰精细测量区域，然后结合GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合算法，最终获得矿区整个范围内的地表沉降云图和工作面采动损伤数据信息，如图14，15所示。
由图14可以看出,12401工作面采空区平均下沉速度约为300 mm/a，高于矿区内其他位置的下沉量，地表最大下沉量为6.3 m，最大下沉系数为0.72。地表主裂缝位于采空区中部，其平均间距为 135 m，地表裂隙最大深度为4 m。高密度电法探测表明在开采过后外露地表的裂缝基本已闭合，但位于开切眼附近仍分布有较多浅部“V”型裂缝，在覆岩区域仍有较多裂隙产生，且分布范围较大，并向两侧外延，导水裂隙带发育高度为80 m，平均周期来压步距为15 m，结合图15可推断3次基本顶失稳断裂造成1次主关键层破断，3次主关键层破断运移引发1组地表主裂缝，进而厘清顶板周期来压、岩层移动与地裂缝之间的对应关系。
图14 采动损伤立体化协同监测
Fig.14 Three-dimensional collaborative monitoring of mining damage
图15 顶板来压、主关键层破断与地裂缝的关系
Fig.15 Relationship between roof pressure,main key strata fracture and ground fissure
9 结 论
(1)从煤炭开采全生命周期角度出发，提出采动损伤科学内涵并构建矿区“空天地”一体化监测技术体系，弥补传统测量手段在数据采集、时间同步性、监测效率等方面的不足，实现空天地多尺度协同监测。
(2)基于“空天地”一体化监测技术，探究地表沉降量和形变速率的时空演化规律；厘清地裂缝发育规律与工作面推进速度、来压步距的对应关系；揭示地下深层隐伏裂缝的发育趋势与部分岩层的离层现象。
(3)地表局部区域存在抬升现象，在抬升区和沉降漏斗交界处，形成较大形变梯度，极易产生地裂缝。中部动态裂缝存在“单峰裂隙”与“双峰裂隙”发育规律，前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍。
(4)通过InSAR精细观测区、GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合，得到工作面地表沉降云图和采动损伤数据信息，厘清基本顶周期来压、主关键层破断与地表主裂缝的周期性传导关系。
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