本發(fā)明屬于煤炭資源地下開采技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采場覆巖活動控制方法，特別涉及一種基于遙感監(jiān)測的沖溝地形下采場覆巖活動控制方法。

背景技術(shù)：

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，占我國化石能源資源的90％以上，是穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、自主保障程度最高的能源。煤炭在一次能源消費中的比重將逐步降低，但在相當(dāng)長時期內(nèi)，煤炭的主體能源地位不會變化。目前，我國煤炭工業(yè)已進(jìn)入“四期并存”(需求增速放緩期、過剩產(chǎn)能消化期、環(huán)境制約強(qiáng)化期、結(jié)構(gòu)調(diào)整攻堅期)的發(fā)展階段。由于我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)短時期內(nèi)很難改變，因此建設(shè)集約、安全、高效、綠色的現(xiàn)代煤炭工業(yè)體系，保障國家能源供應(yīng)安全，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展，具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

煤炭作為一種化石能源為人類文明和社會進(jìn)步做出巨大貢獻(xiàn)的同時，也給礦區(qū)帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境損害問題，如煤炭開采引發(fā)地表塌陷、破壞地下水系統(tǒng)循環(huán)、礦區(qū)環(huán)境遭受廢棄物污染等。煤炭資源開采與生態(tài)環(huán)境約束的突出矛盾已引起國家層面的重視，《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年(2016-2020年)規(guī)劃綱要》中明確提出“…大力推進(jìn)煤炭清潔高效利用，限制東部、控制中部和東北、優(yōu)化西部地區(qū)煤炭資源開發(fā)，推進(jìn)大型煤炭基地綠色化開采和改造…”；而《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”(2016-2020年)規(guī)劃》中再次提出“…牢固樹立綠色發(fā)展理念，推行煤炭綠色開采，發(fā)展煤炭洗選加工，發(fā)展礦區(qū)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加強(qiáng)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理，推動煤炭供給革命…”。近年來，我國煤炭資源開發(fā)的重心已快從中東部轉(zhuǎn)移到西部生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)，并已形成了陜北、黃隴、神東、寧東、新疆等西北大型煤炭基地。我國西北礦區(qū)煤層的典型稟賦特性是厚度大、埋藏淺、基巖薄、覆蓋層厚；工作面地表起伏較大，大多呈古沖溝縱橫發(fā)育形態(tài)。

我國西北內(nèi)蒙古、陜西及山西等主要礦區(qū)多為古沖溝發(fā)育礦區(qū)，沖溝是地表的一種侵蝕地貌。在沖溝發(fā)育地區(qū)，地表植被稀疏，水土保持能力較弱。相對于平原礦區(qū)，沖溝發(fā)育礦區(qū)內(nèi)縱橫交錯及起伏變化的地形地貌與地下開采活動的相互影響更為敏感與劇烈。以內(nèi)蒙古東勝礦區(qū)中南部礦井為例，該區(qū)域煤層埋藏深度一般為60～150m之間，煤層賦存穩(wěn)定，開采條件優(yōu)越。然而，在現(xiàn)場工程實踐過程中發(fā)現(xiàn)，由于該區(qū)域地表的古沖溝發(fā)育影響，大多數(shù)礦井的工作面開采過程中往往會呈現(xiàn)出異常的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。例如，工作面正常開采過程中出現(xiàn)頂板大面積懸頂而很遲發(fā)生初次來壓、工作面突然發(fā)生強(qiáng)度超過初次來壓的異常周期來壓、以及不定期發(fā)生煤柱突然失穩(wěn)造成大面積冒頂現(xiàn)象。種種異常特征表明，在沖溝地形下淺埋煤層開采過程中，地表產(chǎn)狀多樣的沖溝坡體使井下工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律呈現(xiàn)出新的特征，給礦井安全高效生產(chǎn)造成了不利影響；同時，地下開采活動使原本就起伏變化的地表變得更加支離破碎，甚至導(dǎo)致地表發(fā)生形變?yōu)暮Α?/p>

目前，針對沖溝地形下淺埋煤層開采的研究，大多停留在礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、應(yīng)力場分布特征、采場覆巖移動規(guī)律和工作面壓架災(zāi)害原因分析等方面?，F(xiàn)有的相關(guān)研究往往是個別具體采礦地質(zhì)條件下的頂板控制技術(shù)，其現(xiàn)場應(yīng)用局限性大，不適用于各種異常的礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。因此，亟待發(fā)明一種基于遙感監(jiān)測的沖溝地形下采場覆巖活動控制方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種基于遙感監(jiān)測的沖溝地形下采場覆巖活動控制方法，能夠有效地控制沖溝地形下淺埋煤層開采上覆巖層活動，保證井下工作面能夠?qū)崿F(xiàn)安全高效開采。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是：包括如下步驟：

步驟1、選取我國西北礦區(qū)典型的沖溝地形下淺埋煤層開采礦井，并分別掌握不同礦井對應(yīng)工作面的覆巖賦存狀況和具體開采參數(shù)；

步驟2、利用無人機(jī)飛行平臺獲取覆蓋沖溝地表的多個時相的多視影像，利用sfm三維重建方法建立沖溝地表三維地形；利用時序分析方法，對多個時相建立的沖溝地表三維地形進(jìn)行差異對比，獲取采動坡體動態(tài)形變信息；

步驟3、根據(jù)沖溝地表三維地形與采動坡體動態(tài)形變信息，利用數(shù)字地形分析方法提取沖溝的相關(guān)地形特征參數(shù)；

步驟4、根據(jù)步驟2中獲取的采動坡體動態(tài)形變信息和步驟3中提取的沖溝的相關(guān)地形特征參數(shù)，結(jié)合步驟1中掌握的工作面的覆巖賦存狀況和具體開采參數(shù)，針對不同工作面的采礦地質(zhì)條件，分別采用不同的采場覆巖活動控制方法，從而形成對沖溝地形下采場覆巖活動的控制方法體系。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：

(1)利用無人機(jī)影像獲取工作面開采過程中多個時相局部尺度的高精度數(shù)字表面模型，對局部范圍內(nèi)的地形特征進(jìn)行動態(tài)分析，能夠克服地形帶來的限制，成本低、作業(yè)簡單、效率高，獲取的地形精度高，能夠根據(jù)工作面開采進(jìn)度靈活獲取對應(yīng)地表地形；

(2)從“井上-井下”一體化的視角，聯(lián)合地表三維遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)與井下工作面現(xiàn)場實際開采情況，掌握沖溝地形下煤層開采上覆巖層活動特征；

(3)針對不同工作面的采礦地質(zhì)條件，采用不同的采場覆巖活動控制方法，具有更好的針對性和適應(yīng)性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的一個實施例的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于遙感監(jiān)測的沖溝地形下采場覆巖活動控制方法，包括如下步驟：

步驟1、選取我國西北礦區(qū)典型的沖溝地形下淺埋煤層開采礦井，并分別掌握不同礦井對應(yīng)工作面的覆巖賦存狀況和具體開采參數(shù)；

步驟2、利用無人機(jī)飛行平臺獲取覆蓋沖溝地表的多個時相的多視影像，利用sfm三維重建方法建立沖溝地表三維地形；利用時序分析方法，對多個時相建立的沖溝地表三維地形進(jìn)行差異對比，獲取采動坡體動態(tài)形變信息；

步驟3、根據(jù)沖溝地表三維地形與采動坡體動態(tài)形變信息，利用數(shù)字地形分析方法提取沖溝的相關(guān)地形特征參數(shù)；

步驟4、根據(jù)步驟2中獲取的采動坡體動態(tài)形變信息和步驟3中提取的沖溝的相關(guān)地形特征參數(shù)，結(jié)合步驟1中掌握的工作面的覆巖賦存狀況和具體開采參數(shù)，針對不同工作面的采礦地質(zhì)條件，分別采用不同的采場覆巖活動控制方法，從而形成對沖溝地形下采場覆巖活動的控制方法體系。

其中，所述步驟2的具體操作過程如下：

1)利用無人機(jī)獲取工作面“采前-采中-采后”全過程沖溝地表的影像與拍攝時相機(jī)參數(shù)，獲取相機(jī)模型內(nèi)外參數(shù)；

2)在沖溝礦區(qū)所處的工作面測區(qū)范圍內(nèi)，利用靜態(tài)gps方法獲取至少4個地面控制點的坐標(biāo)與高程；

3)利用sift算法提取影像sift特征，利用sift特征點實現(xiàn)操作步驟1)中影像之間的初始匹配，采用sfm算法建立多張影像之間的相對位置，確定影像間的重疊關(guān)系與方向；利用semi-global密集匹配方法生成影像密集視差圖，實現(xiàn)多幅影像的密集匹配；

4)利用ransac模型，剔除操作步驟3)中的錯誤匹配點，獲得滿足幾何約束的匹配特征點集；

5)根據(jù)操作步驟4)中正確的匹配特征點集，解算地面點坐標(biāo)；每有新的影像重疊，則進(jìn)行融合，從而得到場景的密集點云數(shù)據(jù)；

6)根據(jù)點云插值處理操作步驟5)中的密集點云數(shù)據(jù)，生成礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型；

7)利用操作步驟2)中的地面控制點的坐標(biāo)實現(xiàn)多個時相礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型的配準(zhǔn)；

8)對多個時相的礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型進(jìn)行求差，獲取采動坡體動態(tài)形變信息。

在實施例中，所述步驟3的相關(guān)地形特征提取具體操作過程包括：

1)根據(jù)生成的礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型，按照差分方法生成工作面地表的坡度、坡向分布圖以及等高線圖；

2)根據(jù)礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型與1)中生成的工作面地表坡度、坡向圖提取沖溝相關(guān)點、線特征，其中點特征包括山頂點、鞍部點、節(jié)點、溝頭點；利用點特征提取的結(jié)果與數(shù)字地形分析中的soa方法提取沖溝地形谷底線與溝沿線，形成沖溝線特征集；

3)工作面推進(jìn)時沖溝截面形態(tài)獲取，根據(jù)沖溝地形谷底線與鞍部點確定沖溝走向，生成與工作面地表沖溝走向垂直的二維直線矢量，將其與對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的沖溝地形的礦區(qū)工作面數(shù)字表面模型進(jìn)行配準(zhǔn)，使兩者坐標(biāo)與投影系統(tǒng)一致，然后將二維直線矢量與沖溝地表三維地形進(jìn)行切割，提取相交線所對應(yīng)的三維地形剖面，主溝和沖溝各截面的剖面即產(chǎn)生。

本發(fā)明實施例步驟4的操作過程中，采場覆巖活動控制方法包括工作面沿溝開采方法、預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂方法、局部區(qū)域注漿充填方法、工作面采高優(yōu)化方法或短壁工作面開采方法。

當(dāng)?shù)乇頉_溝溝谷距離煤層高度大于100m且覆巖層內(nèi)無堅硬基本頂條件下，選用工作面沿溝開采方法。

當(dāng)?shù)乇頉_溝溝谷距離煤層高度大于100m且覆巖層內(nèi)有堅硬基本頂條件下，選擇預(yù)裂爆破強(qiáng)制放頂方法。

當(dāng)?shù)乇頉_溝溝谷距離煤層高度小于50m且沖溝內(nèi)含有水體條件下，選用局部區(qū)域注漿充填方法。

當(dāng)?shù)乇頉_溝溝谷距離煤層高度在50～100m且采高小于5m條件下，選用工作面采高優(yōu)化方法。

當(dāng)?shù)乇頉_溝溝谷距離煤層高度小于50m且井田范圍呈不規(guī)則小塊段條件下，選擇短壁工作面開采方法。