礦山開采地面沉降觀測技術(shù)的選擇與應(yīng)用研究

劉利　王宇波

摘 要： 地面沉降主要指的是在某一地表面積內(nèi)出現(xiàn)的地面水平面下降的情況。通常導(dǎo)致地面沉降的原因在于自然因素以及人為因素兩方面內(nèi)容。其中，人類開采礦產(chǎn)資源活動是直接誘發(fā)礦山地面沉降的主要因素。本文主要針對人為因素造成的礦山地面沉降提出多種地面沉降的觀測技術(shù)，并詳細介紹了每種觀察技術(shù)的特點和應(yīng)用范疇，旨在提高觀測能力，為礦山安全生產(chǎn)提供可借鑒的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 礦山開采； 地面沉降； 觀測技術(shù)； 選擇與應(yīng)用

隨著我國礦產(chǎn)資源的需求量增大，現(xiàn)有的表層資源已經(jīng)開采過度，人類開始向更為深入的礦山進行找礦活動。過度的礦產(chǎn)開采，礦山出現(xiàn)了地面沉降的地質(zhì)現(xiàn)象，這是一種地質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，也是一種礦產(chǎn)資源的損耗。地面沉降導(dǎo)致自然環(huán)境的惡化，還消耗了不可補償?shù)淖匀毁Y源。因此，礦山開采中運用恰當(dāng)?shù)牡孛娉两涤^測技術(shù)，對礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)沉降的趨勢，并采取相應(yīng)的停止開采、安全轉(zhuǎn)移等應(yīng)對措施。

1. 礦山地面沉降的原因

礦山的地面沉降是礦山地區(qū)最為常見的地質(zhì)災(zāi)害，地面沉降給礦山地區(qū)造成不可估量的人身財產(chǎn)安全危害，誘發(fā)地面沉降的因素主要有客觀因素和主觀因素。其一，客觀因素主要是自然因素，這是不可控制的因素，一方面是新構(gòu)造運動帶動我國普遍山區(qū)的地面沉降，主要發(fā)生于第四紀之后；另一方面是第四紀的自然運動導(dǎo)致的沉積物堆積帶來的天然固結(jié)。其二，主觀因素主要是人為因素。一方面是礦產(chǎn)資源的供需不平衡，人類找礦活動的過量，礦山的地下水資源、礦產(chǎn)資源被過量抽空，導(dǎo)致礦山整體下降；另一方面是礦區(qū)周邊建筑物過多且高層，重力作用導(dǎo)致建筑物對地面產(chǎn)生了靜壓力，導(dǎo)致礦山地面沉降。

2. 礦山開采地面沉降觀測技術(shù)的選擇與應(yīng)用

2.1 常規(guī)地面測量方法的應(yīng)用

常規(guī)的地面測量方法是采用常規(guī)的測量儀器，測量儀器較為普遍，因此，此類的測量方法稱為常規(guī)測量方法。變形監(jiān)測是常規(guī)測量的主要內(nèi)容，常規(guī)測量的其他測量內(nèi)容還有高程測量、角度邊長測量、坐標(biāo)變形測量等。常規(guī)測量具有常規(guī)性，體現(xiàn)在測量儀器較方便攜帶，測量方式直觀易現(xiàn)，測量儀器的選擇具有階梯型，根據(jù)需要測量的內(nèi)容選擇對應(yīng)精確度的儀器。

2.1.1 精密高程測量

精密高程測量指的是運用高精密的測量儀器—水準(zhǔn)儀，對高程進行觀測，這種高精密的測量方法操作性強，技術(shù)發(fā)展趨于成熟，觀測結(jié)果精確度高、穩(wěn)定性強，選擇此種測量，通常應(yīng)用于垂直位移的觀測，因此這種高程測量方式屬于國家三等以上的高程測量。但是，精密高程測量方法占用勞動力多、速度慢，測量結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的礦山易出現(xiàn)測量誤差。

2.1.2角度測量

區(qū)別于精密高程測量的垂直位移測量，角度測量主要使用經(jīng)緯儀對礦山進行水平方向的位移測量，主水平位移測量的主要內(nèi)容是三角網(wǎng)形式的水平位移，角度測量的選取為三角測量，通過測定位移和變形情況實現(xiàn)監(jiān)測目的。此外，全站儀的普遍應(yīng)用使角度測量更為數(shù)據(jù)化和自動化，應(yīng)用在邊角網(wǎng)的測量具有普適度。

2.1.3精密距離測量

精密距離測量是一種對距離測量的方式，與精密高程測量相似，其具有高精密度、高穩(wěn)定性的特點，也具有著消耗勞動力大的不足。應(yīng)用在高低起伏的地形或溝壑時，使用傳統(tǒng)的因瓦基線尺測量有著攜帶不方便、測量勞動強度大等影響，因此，使用精密光電測距儀能夠彌補因瓦基線的不足，在起伏較明顯的地表觀測效果甚佳。

2.2 GPS變形觀測技術(shù)及其應(yīng)用

GPS變形觀測技術(shù)是運用于全球空間定位技術(shù)進行的監(jiān)測。首先，對礦山地區(qū)的建筑物和地形結(jié)構(gòu)進行合理地劃分，根據(jù)分布情況，對地面沉降的監(jiān)測區(qū)域部下監(jiān)測網(wǎng)。其次，監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測點和基準(zhǔn)點要符合在監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)上，位置的選取必須在地形地質(zhì)的分析基礎(chǔ)上。較為科學(xué)的選取地點為地質(zhì)穩(wěn)定的基巖上，這樣才能保證連片地接收定位信息。再次，GPS網(wǎng)的布控要符合一定的布網(wǎng)規(guī)律。平均距離達到1000km時，固定誤差不大于3mm；平均距離達到300km時，固定誤差不大于5mm；平均距離達到70km時，固定誤差不大于8mm；平均距離達到0.2～15km時，固定誤差不大于10mm。此外，GPS的變形監(jiān)測作業(yè)方法主要有靜態(tài)和動態(tài)兩種模式。礦山的沉降變化不明顯，通常使用靜態(tài)的監(jiān)測作業(yè)方式；反之，則使用動態(tài)的變形監(jiān)測方式，常用的動態(tài)模式的方法有模糊度函數(shù)和OTF。另外，使用GPS技術(shù)的觀測后期需要做數(shù)據(jù)處理，計算出以下內(nèi)容：GPS三維自由網(wǎng)的平差、監(jiān)測網(wǎng)的抗差、監(jiān)測點的位移和沉降。最后，便是將礦山的三維監(jiān)測網(wǎng)進行分析判斷。對監(jiān)測點的動態(tài)變化趨勢和水平、垂直位移進行比對，并分析其變化的周期性規(guī)律，從而判斷被監(jiān)測地區(qū)是否發(fā)生地面沉降。

2.3 INSAR觀測技術(shù)及其應(yīng)用

INSAR技術(shù)又稱干涉雷達測量，是一種在地形垂直變化觀測中有著明顯效果的監(jiān)測技術(shù)。通過獲得D 兩種SAR圖像的相位差來成像被測量地區(qū)的干涉圖像。最初的INSAR技術(shù)應(yīng)用于地球的地表測量，后逐漸運用在其他領(lǐng)域，如今在礦山的地面沉降測量有著積極作用。由于礦山環(huán)境由于受自然因素和人文因素同時作用，具有著與周邊環(huán)境不同的特點，獨特性主要體現(xiàn)在礦山植被稀疏，占地變化顯著，干涉特征明顯這三個方面。首先，對于植被較稀疏的地區(qū)使用衛(wèi)星復(fù)雷達圖獲得圖像間的干涉條紋。其次，由于礦山地區(qū)的獨特性，在雷達反饋圖上能呈現(xiàn)明顯區(qū)別于周邊山村的干涉條紋，用來判斷礦山地區(qū)的地理位置。再次，傳統(tǒng)的GPS融合技術(shù)精確度明顯落后于INSAR技術(shù)，困難地區(qū)用雷達觀測優(yōu)勢明顯。另外，雷達衛(wèi)星成像不受到時間限制，全天候的觀測提高了精準(zhǔn)度，并實現(xiàn)了動態(tài)監(jiān)測，還能大面積的觀測。此外，為使地面沉降和大氣相位的誤差逐漸減少，INSAR技術(shù)融合了干涉堆棧技術(shù)，彌補了雷達技術(shù)的不足。

2.4 GPS和INSAR融合觀測技術(shù)極其應(yīng)用

GPS和INSAR融合的觀測技術(shù)實現(xiàn)了兩者的優(yōu)勢互補，新技術(shù)是在取長補短的基礎(chǔ)上，在地面沉降觀測中進行數(shù)據(jù)判斷更有說服力。一方面是GPS觀測技術(shù)對空間分辨率的變形監(jiān)測效果欠缺，測點的布控由于分辨率低的因素導(dǎo)致空間測點不精確，但其在時間高分辨上對測點的準(zhǔn)確度有很大的貢獻。另一方面是INSAR技術(shù)在空間分辨率上達到了20m×20m，空間測點信息全面，區(qū)域性的成片測點具有連續(xù)性，但衛(wèi)星雷達監(jiān)測受到時間限制，重復(fù)周期短，時間分辨率受到周期影響，因而不能提供更為全面的時間分辨率。由此可以看出，單一地使用某種觀測技術(shù)不能在時間和空間上同時實現(xiàn)全面的觀測效果，在地面沉降的觀測中不能提供準(zhǔn)確、全面、范圍廣泛的分辨信息，因此需要兩種技術(shù)的相互融合，提高礦山地區(qū)地面沉降的觀測效率。

2.5 三維激光掃描技術(shù)極其應(yīng)用

三維激光掃描監(jiān)測適用于地表變形的監(jiān)測，三維激光使用的儀器是集合了光、機、電三種要素的激光掃描儀。三維監(jiān)測強調(diào)了三維立體的監(jiān)測，最初是運用于地面的建筑物測量，現(xiàn)已拓展到礦山生產(chǎn)的地面沉降測量。此種三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在礦坑監(jiān)測、礦山井塔、礦坑邊坡高程監(jiān)測中，具有高精密、采集信息量大、方便采集、具有強大數(shù)據(jù)后處理能力等優(yōu)勢。

2.6 數(shù)字攝影測量及其應(yīng)用

數(shù)字攝影測量是實現(xiàn)地面沉降觀測的數(shù)字化和自動化的體現(xiàn)。數(shù)字攝影測量是通過計算機軟件，對數(shù)字攝影技術(shù)反饋的數(shù)字信息或是數(shù)字攝像進行讀取，區(qū)別于傳統(tǒng)的測量，其最大的特點是，數(shù)字攝影測量的信息處理是數(shù)字處理，不同于傳統(tǒng)直觀的立體圖像處理，其主要是通過計算機視覺來替代人眼的立體觀測，其實質(zhì)在于將獲得的數(shù)字影像，通過計算機軟件來建立成數(shù)字地面模型和正射影像圖，并經(jīng)過對比數(shù)字地面模型來將各個區(qū)域沉降情況分析出來。因此，該種觀測技術(shù)運用在地形較為復(fù)雜的礦山地區(qū)具有很大的優(yōu)勢。

總而言之，礦山開采地面沉降觀測技術(shù)已經(jīng)向高精度、高效率發(fā)展，應(yīng)用先進的地面沉降觀測技術(shù)，能夠及時預(yù)測地面沉降的趨勢和規(guī)律，不僅減輕了人類直觀監(jiān)測的工作量，還為礦山的安全生產(chǎn)提供可靠的安全保障。此外，礦山的地面沉降防治措施是一項重要工程，需要整合人力、物力、財力資源，齊心協(xié)力才能達到地質(zhì)災(zāi)害的防治效果。

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