[發明專利]基于GNSS-IR技術的采煤沉陷監測方法

在審

• 申請號: 202210984852.3
• 申請日: 2022-08-17
• 公開（公告）號: CN115390098A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 徐天河;李云偉;高凡;王娜子
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01S19/14
• 分類號: G01S19/14;G01S19/41
• 代理公司: 廈門一創聯智知識產權代理事務所(普通合伙) 35252
• 代理人: 楊玉蓉

本發明公開了基于GNSS?IR技術的采煤沉陷監測方法，獲取地表點在空間中絕對沉陷量步驟為：將GNSS接收機和天線安裝在需要監測的采煤沉陷區地表面，地下煤層被采動前，GNSS天線與高程基準面之間的距離為H₀，地下煤層被采動后，地表和GNSS天線在空間中的位置發生下沉，此時GNSS天線與高程基準面之間的距離為H₁；利用GNSS載波相位差分定位，分別獲得H₀和H₁的值，然后，將H₀減去H₁，獲得GNSS天線處的沉陷量ΔH_abs；利用GNSS?IR技術，獲得地下煤層被采動前后，地表任意一點P相對于GNSS天線的沉陷量為ΔH_rel，將沉陷量ΔH_abs與沉陷量為ΔH_rel相加，即可獲得地表點P在空間中的絕對沉陷量，單測站即可實現地表沉陷的高精度、連續實時監測。

技術領域

本發明涉及一種GNSS-IR技術監測地下采煤引起的地表沉陷的方法，屬于地表變形監測領域。

背景技術

地下煤層被采出后，采空區直接頂板巖層在自重力及其上覆巖層的作用下，產生向下的移動和彎曲。巖層的形變傳導至地表后，會造成地面的沉陷，進而形成地表的塌陷盆地。采煤沉陷不僅會導致一系列的生態環境問題，甚至可能引發重大的地質災害事故，如建筑物的裂縫與崩塌，高速公路路基的沉陷，鐵路鋼軌的懸浮等。對采煤引起的地表沉陷進行監測可以對潛在的地質災害進行預測、預警、預防，進而有效避免災害事故的發生；通過監測獲得的地表沉陷數據還可以為采煤塌陷地的治理、采煤塌陷規律的研究提供可靠、科學的依據。

全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)是泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統以及相關的增強系統。GNSS接收機測量4顆及以上的GNSS衛星距離就可以解算得到用戶接收機所在的空間位置(經緯度、大地高)。

GNSS-IR是利用全球導航衛星所發射的L頻段信號作為外輻射源，以地基平臺為反射信號接收設備載體，通過接收并處理來自海洋、陸地或其他物體反射的GNSS信號與直射信號疊加形成的干涉信號，實現對被測媒質的特征要素提取的技術。通過接收、處理測站地表反射的GNSS信號，GNSS-IR技術可以對測站周邊數千平方米范圍內的地表電磁物理參數進行監測。

現有的采煤塌陷監測技術可以分為三類：地基、空基和星基監測技術。地基采煤塌陷監測技術包括水準測量和GNSS定位技術；空基監測技術主要以無人機為載體平臺，技術類型包括：傾斜攝影測量技術和機載激光掃描技術(LiDAR)；星基監測技術以衛星為載體平臺，技術類型主要為合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)。

現有技術方法主要存在如下問題：

地基監測技術：現有的地基采煤塌陷監測技術只能獲得離散的、少數監測站處的沉陷數據，因而該技術時空分辨率低、監測的空間尺度極低。盡管可以通過增加測站的方式提高監測的空間尺度，但是該方式會極大地增加經濟成本，在現實中是不可行的。

空基監測技術：空基監測技術易受云、雨等天氣因素影響，不能提供連續的地表沉陷數據，且該技術的實施費時耗力、經濟成本高。

星基監測技術：星基監測技術受空間采樣的先天限制，即相鄰像素的形變不能超過1/4個波長(對于C波段是，1.4cm/25m；對于L波段是7cm/2m)；因此，實際中，該技術無法應用于厚煤層及特厚煤層采煤沉陷的監測(尤其是，處于活躍期的大幅度地表沉陷的監測)。

現有的GNSS定位技術僅可以對測站(或GNSS天線)處的地表沉陷進行監測，即“點監測”，而不能對測站周邊區域地表的采煤沉陷進行監測；本發明利用GNSS-IR技術，可以填補現有技術在高時空分辨率采煤沉陷監測領域的空白，單測站即可實現7000m²范圍內地表沉陷的高精度、連續實時監測。