基于GIS的礦山塌陷損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)及可視化方法

吳兵（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000）

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基于GIS的礦山塌陷損害評(píng)價(jià)系統(tǒng)及可視化方法

吳兵（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000）

地理信息系統(tǒng)（GIS）對(duì)礦山工程具有宏觀性監(jiān)測(cè)作用，借助GIS可實(shí)現(xiàn)礦山塌陷事故一體化建設(shè)，保證礦區(qū)地質(zhì)監(jiān)測(cè)與防治工作協(xié)調(diào)發(fā)展。本文分析了礦山塌陷機(jī)理，構(gòu)建塌陷危害性評(píng)價(jià)系統(tǒng)，以“可視化”為視角提出切實(shí)可行的塌陷災(zāi)害防控措施。

GIS；礦山塌陷；評(píng)價(jià)系統(tǒng)；可視化

礦山采掘工程常遇到各種地質(zhì)災(zāi)害，增加了礦區(qū)挖掘與生產(chǎn)難度，不利于礦山工程可持續(xù)發(fā)展?；谛畔⒓夹g(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用模式逐漸升級(jí)，以GIS為中心的礦山系統(tǒng)模式得到推廣，成為礦山塌陷事故災(zāi)害防治的有效方式。采礦企業(yè)要結(jié)合礦山塌陷事故損害評(píng)價(jià)體系，提出切實(shí)可行的信息化監(jiān)測(cè)控制方案。

1　礦山塌陷機(jī)理

礦山地面塌陷是井下開(kāi)采的礦山，在開(kāi)采過(guò)程中，因?qū)⒃V體和伴生的廢石采出后，形成大小規(guī)模不等的地下空間，在重力作用和地應(yīng)力不均衡等因素的影響下，首先在采空區(qū)域產(chǎn)生地裂縫，逐漸發(fā)展為采空區(qū)的地面塌陷。礦山地面塌陷是井下開(kāi)采的礦山，在開(kāi)采過(guò)程中，因?qū)⒃V體和伴生的廢石采出后，形成大小規(guī)模不等的地下空間，在重力作用和地應(yīng)力不均衡等因素的影響下，出現(xiàn)了不同程度的塌陷。

2　礦山塌陷危害性評(píng)價(jià)系統(tǒng)

基于塌陷防治技術(shù)方案下，采礦企業(yè)要積極采取科學(xué)的控制方案，將塌陷防治技術(shù)功能用于最大化，體現(xiàn)塌陷監(jiān)控結(jié)構(gòu)的安全性能。對(duì)于早期設(shè)定的安全控制平臺(tái)，采礦系統(tǒng)要堅(jiān)持多樣式調(diào)度，從安全指令及安全檢修等方面實(shí)施優(yōu)化改造。安全問(wèn)題一直是影響塌陷控制效率的關(guān)鍵因素，礦山系統(tǒng)控制也頻發(fā)不同規(guī)模的安全事故，使得采礦行業(yè)對(duì)安全系統(tǒng)給予高度重視。

2.1 地面塌陷范圍評(píng)價(jià)

塌陷影響區(qū)的平面范圍不僅受采空區(qū)范圍控制，同時(shí)受煤層傾角影響：傾斜煤層采空區(qū)塌陷范圍與采空區(qū)范圍不完全對(duì)稱，偏向煤層傾向方向一定距離，偏離的幅度受移動(dòng)角β控制。當(dāng)煤層開(kāi)采后，形成冒落帶，造成頂板一定范圍內(nèi)的巖石沿巖層傾向方向下滑移動(dòng)，在地表出現(xiàn)塌陷區(qū)。由于地層傾角大，致使地表塌陷區(qū)一般會(huì)偏于采空區(qū)的正上方，往往會(huì)向巖層傾向方向偏移。

2.2 地表沉陷變形評(píng)價(jià)

地表沉陷變形與開(kāi)采煤層及覆巖的物理力學(xué)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)、煤層傾角、采出厚度、開(kāi)采尺寸大小、開(kāi)采深度、開(kāi)采方法及頂板管理等密切相關(guān)。例如，結(jié)合某礦區(qū)資料，按以下公式進(jìn)行測(cè)算：

最大下沉值：Wmax=qMcosα

最大傾斜值：icm=Wmax/r

最大曲率值：K=1.52Wmax/r2

最大水平移動(dòng)值：Umax=bWmax

最大水平變形值：εcm=1.52bWmax/r

影響半徑：r=H/tgβ

式中：H——煤層埋深（m）；

tgβ——主要影響角正切；

q——下沉系數(shù)；

M——煤層采厚（m）；

b——水平移動(dòng)系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算煤礦采空的最大影響半徑為106.8m，最大下沉值9.35m，最大傾斜變形值為87.5mm/m，最大曲率值為1.25mm/m2，最大水平移動(dòng)值2.6m，最大水平變形值37mm/m。

2.3 沉降穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

某煤礦區(qū)發(fā)生地表沉降后，當(dāng)?shù)卣畼O為重視，并安排對(duì)影響區(qū)內(nèi)主要建筑物進(jìn)行非均勻沉降觀測(cè)。例如，某建筑物日均沉降相對(duì)較小，沉降速度約0.24mm/d。296d后沉降量增大，最大達(dá)1.5mm/d，175d累計(jì)沉降量257mm。此后沉降量逐漸降低，并趨于穩(wěn)定，沉降量約0.054mm/d，表明該塌陷影響區(qū)地面沉降基本趨于穩(wěn)定。

3　基于GIS礦山塌陷可視化技術(shù)

我國(guó)采礦市場(chǎng)處于改革調(diào)整階段，企業(yè)是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主體構(gòu)成，其必須按照塌陷監(jiān)控調(diào)度需求提供可行的改造方案，才能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源優(yōu)化配置。采礦系統(tǒng)安全控制中，需結(jié)合智能系統(tǒng)運(yùn)行模式為平臺(tái)，提供切實(shí)可行的安全控制計(jì)劃，幫助塌陷監(jiān)控構(gòu)建新型控制平臺(tái)，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

3.1 智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

“安全第一”是采礦行業(yè)發(fā)展指導(dǎo)思想，以安全準(zhǔn)則為前提開(kāi)展調(diào)度工作，能夠從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)礦區(qū)資源一體化調(diào)度。面對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度平臺(tái)存在的問(wèn)題，采礦企業(yè)要充分利用定向控制、安全監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能模塊，對(duì)采礦系統(tǒng)采取綜合安全防御系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感應(yīng)到的安全隱患，及時(shí)安排專業(yè)人員采取措施處理，避免塌陷風(fēng)險(xiǎn)影響到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 定向控制技術(shù)

隨著采礦科技不斷進(jìn)步與發(fā)展，以自動(dòng)化為主體的礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到推廣，構(gòu)建現(xiàn)代化塌陷監(jiān)控調(diào)度平臺(tái)是不可缺少的?！鞍踩珕?wèn)題”是阻礙礦山系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，深入分析塌陷監(jiān)控調(diào)度潛在的安全隱患，可以為塌陷監(jiān)控運(yùn)行作業(yè)提供全面保障，降低各種因素造成的不利影響。結(jié)合礦山系統(tǒng)運(yùn)行存在的安全隱患，從定向控制、安全監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警等方面，提出塌陷監(jiān)控調(diào)度安全化控制的可行性對(duì)策。

3.3 安全調(diào)度技術(shù)

礦山系統(tǒng)作為塌陷監(jiān)控調(diào)度的中轉(zhuǎn)平臺(tái)，要按照塌陷監(jiān)控結(jié)構(gòu)層次標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行自動(dòng)化指令，設(shè)定采礦監(jiān)控中心作為安全控制平臺(tái)。礦山系統(tǒng)自動(dòng)化改造的必要性，以GPS技術(shù)、GIS技術(shù)、遙感技術(shù)等為重點(diǎn)，提出企業(yè)參與自動(dòng)化礦山控制的綜合對(duì)策。自信息技術(shù)推廣以來(lái)，塌陷監(jiān)控自動(dòng)化礦山系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)多層次轉(zhuǎn)型，各種實(shí)用性功能開(kāi)始融入操控系統(tǒng)，如：塌陷監(jiān)控監(jiān)視、設(shè)備檢修、用電分析等功能，逐漸成為塌陷監(jiān)控調(diào)度的新功能。

4　基于GIS礦山塌陷可視化方法

采礦系統(tǒng)智能化改造中，要堅(jiān)持“安全第一”的生產(chǎn)原則，確保塌陷監(jiān)控運(yùn)行符合采礦作業(yè)要求，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域塌陷監(jiān)控調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。本次研究中，科學(xué)技術(shù)是保障塌陷監(jiān)控安全的關(guān)鍵點(diǎn)，只有融入各種信息技術(shù)方案，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)步運(yùn)行，綜合提升供塌陷監(jiān)控作業(yè)的運(yùn)行效率。

4.1 勘查可視化

GIS是現(xiàn)代地質(zhì)勘察先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合GIS構(gòu)建定位平臺(tái)，提高了塌陷地質(zhì)勘察的針對(duì)性，確保塌陷資源開(kāi)發(fā)與利用率的最大化。結(jié)合我國(guó)塌陷資源現(xiàn)狀，可結(jié)合GIS用于塌陷勘察的技術(shù)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于GIS塌陷地質(zhì)勘察的具體操作方法。GIS系統(tǒng)憑借其獨(dú)特的定位優(yōu)勢(shì)，在大范圍塌陷勘察中發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)了高端科技輔助塌陷采掘的先進(jìn)性。企業(yè)在擬定塌陷資源開(kāi)發(fā)方案中，要考慮GIS技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，從多個(gè)方面設(shè)計(jì)切實(shí)可行的勘察作業(yè)方案。

4.2 遙控可視化

基于遙感技術(shù)（RS）設(shè)定物理勘探模型，可從多個(gè)方面優(yōu)化塌陷塌陷監(jiān)測(cè)作業(yè)流程，體現(xiàn)出新技術(shù)在礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)中，國(guó)家對(duì)各類(lèi)地質(zhì)形式需求量持續(xù)增多，促使地方勘察與開(kāi)發(fā)模式升級(jí)改造。我國(guó)塌陷資源豐富，每年開(kāi)發(fā)與利用塌陷區(qū)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，對(duì)地質(zhì)勘察工作的要求越來(lái)越高。遙感技術(shù)是塌陷地質(zhì)勘察的新技術(shù)，適用于規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、生態(tài)化等開(kāi)采作業(yè)方案。因此，要結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)實(shí)況，擬定切實(shí)可行的地質(zhì)勘察技術(shù)方案，且將技術(shù)策略落實(shí)到具體操作中。

4.3 界面可視化

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、解算、存儲(chǔ)自動(dòng)完成。地質(zhì)塌陷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理機(jī)發(fā)布中心子系統(tǒng)及輔助支持子系統(tǒng)組成?；贕IS遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式必須符合化發(fā)展需求，以環(huán)境監(jiān)測(cè)模式為前提，以提高機(jī)械設(shè)備信號(hào)控制效率為目標(biāo)，從多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)遙控系統(tǒng)功能化改造。塌陷監(jiān)測(cè)設(shè)定于礦區(qū)內(nèi)，但受控于調(diào)度中心礦區(qū)點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)完成監(jiān)測(cè)控制與安全調(diào)度。

5　結(jié)論

新時(shí)期，GIS技術(shù)用于地球物理勘探是必然趨勢(shì)，體現(xiàn)了信息技術(shù)在塌陷勘察中的應(yīng)用價(jià)值。深部塌陷監(jiān)測(cè)作業(yè)過(guò)程中，需發(fā)揮GIS技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合地球物理方法形成良好的勘察平臺(tái)，及時(shí)掌握塌陷區(qū)的分布規(guī)律，為塌陷監(jiān)測(cè)等作業(yè)提供指導(dǎo)依據(jù)。例如，結(jié)合物理學(xué)原理，GIS勘察必須按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，從多個(gè)角度采取塌陷監(jiān)測(cè)處理策略，在維持地質(zhì)環(huán)境完整性前提下，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與利用的一體化建設(shè)。

［1］郭向坤，劉惠德，戚文云.基于GIS的礦山重大危險(xiǎn)源管理信息系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007（05）.

［2］戚文云，劉惠德，郭向坤.基于GIS的礦山水文地質(zhì)信息管理系統(tǒng)的研究［J］.礦業(yè)快報(bào)，2007（03）.

［3］葛文杰，郭宇輝.基于GIS的礦山重大安全隱患決策支持系統(tǒng)探討［J］.江西有色金屬，2007（02）.

［4］張玉柱，楊建華.基于GIS的礦山安全信息系統(tǒng)研究［J］.煤炭工程，2006（04）.

［5］李瑞霞.基于GIS的礦區(qū)開(kāi)采沉陷影響土地利用變化研究［J］.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（04）.

吳 兵（1988-），湖南人，助理工程師，本科，主要從事工程測(cè)量工作。

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2095-2066（2016）07-0098-02

2016-2-18