[发明专利]矿区沉陷车载式激光测量方法

说明书

技术领域

本发明属于矿山测量领域，特别是矿区沉陷区测量领域，涉及一种矿区沉陷车载式激光测量方法，尤其是利用激光点测距、激光线扫描、激光三维扫描以及GPS/IMU/加速值组合补偿技术的矿区沉陷车载式激光测量方法。

背景技术

矿产资源的大规模开发和利用，给人类带来巨大的社会效益和经济效益的同时，也给人类的生产和生活造成一系列的环境问题和开采损害。矿区开采沉陷是由于矿物开采后形成采空区，其上部岩层在重力等作用下发生冒落、断裂、挤压、弯曲、移动等变形，传播到地面形成的，是主要的人工地质灾害之一[1]。

矿区地表沉陷发生在地下开采上方和露天开采活动附近区域。地下开采导致了大面积采空区，采空区面积扩大到一定范围后，岩层移动发展到地表，使地表产生移动和变形。在开采影响波及到地表以后，结果是受采动影响的地表从原有标高向下沉陷，从而在采空区上方地表形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，称为地表移动盆地，危及周边工业企业与民居建筑的安全。矿区开采引发的地面沉陷灾害，直接破坏了地表土地的自然状态，形成地表裂缝，改变了地表大气降水径流和汇水条件，影响灌溉，降低了土地可耕性，加剧荒漠化程度，降低了土地使用价值；而且由于水平变形和不均匀沉陷，造成沉陷区内工业和民用建(构)筑物、水利设施、交通设施等产生裂缝和扭曲等变形，直接影响人们的安全生产和日常生活，还可能引发地表突然坍塌，带来灾难性的后果[2]。

矿区开采引起的地面沉陷是一个复杂的过程，要认识这一复杂过程中包含的规律，必须对开采沉陷的野外数据进行大范围、高分辨率、高精度的采集、整理和分析，在精确的实测资料基础上，研究并建立各种预测计算模型[3-4]。因此，沉陷监测是开采沉陷研究至关重要的课题。高效、快速、高精度的沉陷监测数据可为地面沉陷灾害预测、损失评估提供可靠的依据，进而为地面沉陷提供合理的治理措施，从而有效地控制沉陷，降低地面沉陷造成的损失[5]。

“十二五”期间，中国在资源和环境领域的发展目标是到2015年，新建和生产矿区的地质环境得到全面治理，历史遗留的矿区地质环境恢复治理率达到35％以上。在矿区地质与地表环境的监测及恢复治理工作中，矿区开采沉陷的快速高精度监测是重要组成部分，也是对科技提出的重大挑战，亟需研发矿区地表沉陷的快速高精度监测成套技术系统，突破地表沉陷高精度自动化监测关键技术，为构建数字矿山[6]提供支撑。提升我国应对矿区地质灾害的能力、装备和技术条件，为矿区地质与地表环境的动态监测及恢复治理工作做出贡献。

研究现状

早在19世纪中叶，矿区开采沉陷问题就已受到人们关注。1860年德国铁路部门为验证地下开采对铁路的影响，在鲁尔矿区对铁路进行了下沉测量；19世纪末期开始，前苏联、波兰、德国、澳大利亚、英国、加拿大、日本和美国等国家，对开采引起的地表沉陷变形规律进行了深入的研究，并取得了丰硕的成果。我国地表沉陷变形规律的研究工作始于20世纪50年代，开滦“黑鸭子”观测站的建立标志着我国开采沉陷变形观测及其研究的开始；其后，开滦、抚顺、阜新、大同、峰峰、焦作、淮南、平顶山、芙蓉等矿区先后制定了地表移动观测规划，并建立了一批岩层与地表移动观测站[7]。

回顾矿区开采沉陷，其监测技术手段已由传统的经纬仪测坐标、钢尺测边长、水准仪测高程发展到使用全站仪、测量机器人进行岩移测量。近年随着空间对地观测技术的发展，传统测量方法已逐渐为GPS监测方法所替代[8]，较好地解决了地表某点连续动态变化监测的问题。尽管利用GPS并结合常规测量手段可以取得较高的精度，但仍然面临一些基本问题：1)GPS在时间域上的分辨率很高，但在空间域上的分辨率无法达到很高；2)要对大范围沉陷区域进行监测，必须布设和维护大量的监测点，需要投入大量人财物；3)基准点的稳定性；4)野外观测作业周期长；5)垂直向精度较低；6)由沉陷点、线数据构建沉陷面必须经过数值内插，难以保证结果的精度等。因此，迫切需要改进目前的监测方法，研制新的高精度自动监测手段[9]。