国内采煤沉陷区现状
习近平总书记关于生态文明建设的“绿水青山就是金山银山”理论为煤炭开采生态环境保护指明了方向，其多次深入抚顺、徐州贾汪区等采煤沉陷区实地考察并提出了具体要求。我国政府已将资源、环境及生态问题纳入重点管理工作，密集出台了一系列政策和措施推进采煤沉陷区治理。此外，矿区土地复垦利用与生态环境修复已成为我国的热点、焦点和难点问题；近2年，国务院以及相关部委密集出台了推动采煤沉陷区综合治理利用的多项政策和措施。
我国采煤沉陷区范围较大，与大型基础设施建设及城市快速扩张的需求相矛盾，以安全经济绿色利用为基础的采煤沉陷区治理利用技术是硬需求。由于大多数采煤沉陷区处于残余变形阶段，老采空区残留空隙和煤柱在地下水、荷载等的影响下有可能失稳，地表的建筑物将受其影响，对居民的生命和财产安全构成威胁；此外，由于地表的不均匀下沉，造成沉陷范围内的道路、桥梁、给排水管路、供电、通信线路等设施将产生拉、压、弯曲等变形，市政设施受残余变形的影响会出现损坏，将对居民日常生活产生较大影响。 因此，煤矿采空区上覆岩层移动及地表沉陷的复杂性和长期性，决定了对地表和地表建筑物安全的影响以及沉陷区灾害防治监测的复杂性和难度。目前，无人机摄影测量、InSAR遥感测量、GNSS实时动态测量等监测技术已经在测绘行业得到了广泛应用，但由于成本及对精度的要求，上述监测技术在采煤沉陷区内的应用刚刚起步。针对采煤沉陷区致灾原因复杂，单一的监测手段无法满足规律分析及监测的需求，亟需开发多手段、多数据源、系统性、全生命周期空天地全方位的监测预警技术。
辽宁省北票市是煤炭资源较为枯竭的城市，经过100多年的开采，采煤沉陷区面积达46 km²（图1），作为全国采煤沉陷区综合治理的1 6个试点县之一，是国家发改委重点支持的首个采煤沉陷区综合监测项目落地地区，北票市采煤沉陷区范围之大和复杂程度为国内首例。采煤沉陷区灾害空天地孔一体化监测的实施，响应了国家有关号召，有助于及时发现采煤沉陷区灾害问题，预计能够为北票市城市规划提供约5 km2 可以直接利用的建设用地，初步估计能够带来超过50亿元的土地出让金。同时为预防、预警和控制采煤沉陷区灾害，进行科学决策，提供更为可靠的依据。
图1 北票市采煤沉陷区分布面积
图2 采煤沉陷区空天地孔一体化监测平台
图3 空天地孔一体化监测预警平台构建思路
一体化监测平台构建及关键技术
一体化监测平台构建目标
针对采煤沉陷区的灾害监测技术较为缺乏的现状，结合北票市已形成的46 km2 采煤沉陷区，并根据采煤沉陷区地表环境类型多样、损伤动态、尺度跨度大的特点，基于生态扰动监测从小尺度向多源、多尺度发展的趋势，形成采煤沉陷区灾害空天地孔一体化监测技术体系。该体系从地表和覆岩内部2个维度对采煤沉陷区残余地表变形及覆岩的变形、应力、位移、水位等情况进行监测，形成了集InSAR地表大区域残余变形、地面监测点移动变形、孔内应力、孔内岩层移动以及孔内水位等数据于一体的高精度监测和可视化预警平台（图2）。
一体化监测平台构建思路与内容
采煤沉陷区灾害空天地孔一体化监测平台的主要构建思路（图3）与内容如下：
1）基于北票市采煤沉陷区， 测绘1∶500大比例尺地形图，建立地面监测控制网及监测网，针对能够表征地表残余变形特点的关键位置，进行地面勘察孔钻探，并完成断裂带与垮落带的高度探测及孔内变形、 应力及水位实时监测传感器的安装及调试， 为后续的研究工作提供监测基础。
2）采用传统测量（全站仪、水准仪）（点+线）、全球卫星导航系统（连续）、InSAR遥感测量（全面）、无人机摄影测量（三维）以及遥控无人船（地表积水）测量等空天地一体化协同测量技术，对地表变形和裂缝空间进行全空间高精度监测。
3）研发采煤沉陷区钻孔覆岩内部的移动变形、水文及应力监测系统，实现一孔多变量协同监测，解决了现有技术中专孔专用技术的时间成本和费用成本高的缺陷，实现一孔多用。
4）开发集InSAR地表大区域残余变形、地面监测点移动变形、孔内应力、孔内岩层移动以及孔内水位等数据于一体的采煤沉陷区高精度监测和可视化平台，并通过对多源数据的耦合分析，加入相应的分析算法，实现灾害预警功能。
图4 沉陷区地表残余移动变形InSAR监测
一体化监测关键技术
1）InSAR技术在采煤沉陷区监测应用中的适用性改造。联合GNSS实时动态测量及水准测量等测量方法，测量出地表稀疏沉降观测值，利用Kalman滤波、测量平差等方法对InSAR监测的高空间分辨率形变观测值进行校正，以弥补InSAR监测在采煤沉陷区复杂条件下精度偏低的缺陷。
2）覆岩钻孔内一孔多用设备的研发、安装及信号集成无线传输。通过对拉线式位移传感器、测斜仪、渗压计、应力计等覆岩钻孔内监测设备的研制及安装工艺的优化改进，实现了在同一钻孔内安装3种以上监测传感器，并基于4G/5G技术将不同类型传感器的信号集成，通过无线传输至显示终端，并实现工作面采前采后全过程、覆岩与地表全方位的移动变形监测。
3）多源监测数据的耦合对比分析。整合无人机摄影测量、GNSS实时动态测量、InSAR监测、地面测量以及钻孔内岩层移动、水位、应力的实时监测等多源监测数据，根据需要有针对性地利用各类数据的优势，实现对采煤沉陷区岩层及地表移动全区域、全过程的动态监测。
4）采煤沉陷区灾害预警算法的开发及完善。根据采煤沉陷区实测覆岩及地表移动规律，基于概率积分法等，构建采煤沉陷区覆岩及地表移动动态预计模型，并结合多源监测数据的更新，不断对算法修整完善，达到预报预警的目的。
主要创新点
根据采煤沉陷区地表环境类型多样、损伤动态、尺度跨度大等特点，基于生态扰动监测从小尺度向多源、多尺度发展的趋势，形成了空天地孔一体化监测技术体系，是对InSAR监测技术、覆岩变形监测技术等采煤沉陷区中应用的适用性改造研究，也是首次基于空天地孔多手段、多数据源、系统性地研究大范围采煤沉陷区残余变形的尝试，空天地孔一体化监测技术体系具有以下4个方面的创新：
1）首次在一个城市范围内进行采煤沉陷区灾害监测的基础设施建设及设备安装调试。
2）通过大气延迟矫正、提高测量点覆盖采样密度，基于时空Kalman滤波的水准与InSAR监测形变融合，提高InSAR监测技术在采煤沉陷区地表移动变形监测中的适用性。
3）提出在覆岩钻孔内使用一孔多用监测技术，并研发出相应的监测设备及其配套数据传输系统。
4）开发出首个集InSAR监测地表大区域残余变形、地面监测点移动变形、孔内应力、孔内岩层移动以及孔内水位等数据于一体的高精度监测和可视化预警平台。
实际应用效果
1）星载合成孔径雷达（InSAR）遥感监测（空）：完成了2016—2021年北票市采煤沉陷区地表变形的InSAR监测数据追溯；数据分析结果显示，北票市采煤沉陷区地表最大变形位置，5年内累计提升17 cm（图4）。
2）无人机航测地形图（天）：将46 km2 采煤沉陷区划分成11个块段，通过无人机航拍、外业调绘、内业成图等过程，共完成像控点布设270处，正射影像航片40 202张，倾斜摄影航片134 776张，线划图887幅，1∶500地形图制图及三维模型的构建（图5）。
图5 无人机航测三维地形
图6 北票采煤沉陷区GPS C级网及二等水准网布设
3）地面监测基准网构建（地）：构建了北票市采煤沉陷区地面监测基准网（图6），埋设二等水准控制点30个，C级GPS平面控制点10个。构建了北票市采煤沉陷区灾害地面监测网，埋设三等水准测点1 132个，D级GPS平面测点200个。
图7 一孔多用覆岩监测系统设计示意
图8 采煤沉陷区灾害防治监测与防控数据监测平台
4）覆岩钻孔监测（孔）：创新提出了一孔多用解决方案，在钻孔内同时监测覆岩应力、下沉、水平移动以及水位4个参数（图7）。完成15个监测孔钻探施工（共计3 012.3 m）、彩色钻孔电视、测井、取心、监测仪器的安装（共安装33个应力计、30个渗压计、15个测斜仪、10个多点位移计）以及地面采集传输设备的安装调试。
通过采煤沉陷区灾害空天地孔一体化监测项目，掌握了覆岩钻孔内变形监测的方法，研发了专门的仪器设备，形成了有自主知识产权的采煤沉陷区灾害防治监测与防控数据监测平台（图8）。获取的监测数据验证了部分采煤沉陷区地面建设用地的适宜性，支持了北票经济开发区建设及“十四五”规划。
发展前景及展望
煤炭作为我国的主体能源，在保障国家能源供应的同时，形成了约200万h m2 的采煤沉陷区，并以每年约7万h m2 速度增加，按现有的生产规模预计到2030年将达到280万hm2 ，但采煤沉陷土地复垦率仅为35%左右。我国东部采煤沉陷区面积约占全国的60%，且靠近城市，采煤沉陷使63个地级矿业城市的很多建设项目难以正常开展，严重制约了城市的发展，将采煤沉陷区开发为景观与建设用地，建设生态宜居城市是未来发展的方向。
空天地孔一体化监测技术的成功实施可形成采煤沉陷区生态修复与土地整治监测集成技术，有利于在全国各大矿区应用和推广，为矿区的生态环境保护、沉陷区的综合治理利用提供基础数据和理论保障。同时，采煤沉陷区灾害空天地孔一体化监测研究成果在全国范围内均可应用，尤其针对资源枯竭的城市，整个项目均具有可复制性，且有一定的示范意义。
