基于精密水準技術的礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測研究

司炳新

（伊春市自然資源局，黑龍江 伊春 153000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟水平飛速發(fā)展和科技水平不斷提高，對于能源以及資源的利用程度和要求也隨之上升。近年來對于自然資源的開采過于頻繁，中國政府為此提出了可持續(xù)發(fā)現(xiàn)策略，保護國家的自然資源，維護生態(tài)平衡。但是由于長時間對礦山資源的過度開采，導致礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)惡化，地質(zhì)沉降是礦區(qū)地質(zhì)災害最為嚴重的[1]。地質(zhì)沉降從廣義上來講指的是自然以及人為因素的影響與共同作用下，形成的地面標高降低。其中自然因素對于地面沉降的現(xiàn)象屬于普遍存在的歷史現(xiàn)象是不可避免的；而人為因素主要是指對礦區(qū)地下資源的采礦，破壞了原有的巖體內(nèi)的受力平衡而使得采空區(qū)周圍的地表產(chǎn)生移動和變形，從而導致地上建筑物發(fā)生變形和損壞，甚至影響人們正常的生產(chǎn)和生活。為了能夠改善礦區(qū)地質(zhì)沉降情況，維護正常的礦區(qū)環(huán)境，緩解地質(zhì)沉降對于人們的影響需要采取一定的措施。經(jīng)過長時間的研究，對地質(zhì)進行檢測預測沉降趨勢，及時制定緩解策略，是改善礦區(qū)地質(zhì)沉降問題較為有效的方案之一。在進行地質(zhì)監(jiān)測的過程當中需要使用一定的技術手段來輔助監(jiān)測功能的實現(xiàn)，保證該監(jiān)測結果的真實性以及準確性。在地質(zhì)沉降監(jiān)測當中使用較多的技術為精密水準技術，該技術是監(jiān)測結果必須達到每千米測量高差的偶然誤差不能超過1毫米的水準測量。在礦山地質(zhì)勘察監(jiān)測中應用精密水準技術保證，地質(zhì)沉降監(jiān)測方法的精度更高、效果更好。

1 礦區(qū)地質(zhì)沉降勘查監(jiān)測方法設計

對礦區(qū)進行地質(zhì)勘察監(jiān)測，需要對礦區(qū)的自然地理條件、氣候水文狀況以及地質(zhì)構造等方面進行地質(zhì)勘察與測量，經(jīng)過了解之后，埋設監(jiān)測儀器，通過儀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精密采集以及實時監(jiān)測功能。

1.1 地質(zhì)測量儀器埋設

若對礦區(qū)的地質(zhì)沉降進行勘察監(jiān)測就必須分析地質(zhì)沉降影響因素以及采集與礦區(qū)地質(zhì)沉降相關數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)采集需要地質(zhì)測量儀器。礦山地質(zhì)測量儀器能夠支撐精密水準技術的使用，在中國水準測量儀器系列當中DS，等均屬于精密水準儀。精密水準儀有微傾式、自動補償式和數(shù)字式，這種精密的水準測量儀器主要應用于高精度測量工程[2]。選擇測量基站，在監(jiān)測基站內(nèi)埋設地質(zhì)測量儀器，礦山地質(zhì)沉降測量儀器的埋設工作主要分為幾個方向，首先，分層沉降埋設，將沉降的導管分段進行連接，并按照監(jiān)測需求來埋設深度安放沉降磁環(huán)。利用沉降導管將沉降磁環(huán)埋設到一定的深度，為了減少地下水對監(jiān)測結果的影響，需要減少導管浮力，所以要將導管底口進行堵塞處理并在其中注入部分水。利用鉆孔埋設法以及壓入法埋設孔隙水壓力計。在深層土體向位移埋設部分當中，將鉆機成孔到穩(wěn)定層，測斜導管的埋設深度在2米以上，使內(nèi)壁十字導向槽嚴格對準測位移的方向，并人為規(guī)定正負方向，校對垂直度。最后，埋設地下水位監(jiān)測儀器，監(jiān)測地下水位儀器需要PVC材料導管，且導管長度要求含水層1m以上，具有一定強度保證在測量過程當中不會因為地下水沖撞而發(fā)生變形。將所有測量儀器進行埋設之后借助通信網(wǎng)絡系統(tǒng)將采集到的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測終端進行數(shù)據(jù)處理，得出監(jiān)測結果。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)沉降相關數(shù)據(jù)測量

在儀器埋設好基礎上，用計算機端發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，采集引起地質(zhì)沉降的各項影響因素數(shù)據(jù)采集。由于礦區(qū)地質(zhì)沉降的類型分為構造沉降、抽水沉降和采空沉降三種類型，所以在進行數(shù)據(jù)采集的過程中主要采集這三種沉降類型數(shù)據(jù)，具體影響參數(shù)如表1所示。

表1 礦區(qū)地質(zhì)沉降相關影響參數(shù)表

從表中數(shù)據(jù)可以看出，針對三個類型的沉降影響參數(shù)進行數(shù)據(jù)的采集與測量。構造沉降類型是由于地殼沉降運動引起的地面下沉現(xiàn)象，所以地殼位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)主要包括：位移變形的速度、區(qū)域位移量、滑體活動范圍等，由于地質(zhì)沉降現(xiàn)象是由于地層深部運動最終在地表形成沉降現(xiàn)象，所以針對地層深部位移監(jiān)測以及地表位移監(jiān)測都是十分必要的[3]。地表位移監(jiān)測分為垂直方向上的位移和水平平面方向上的位移，通常情況下采用精密水準的測量儀器進行測量，最終的測量結果以三維圖像或影像的方式輸出，這樣既可以體現(xiàn)出該區(qū)域地表的垂直位移變化狀態(tài)也可以體現(xiàn)出水平位移的狀態(tài)。而對于地層深處的位移現(xiàn)象，需要借助埋設在地下的測量儀器來進行測量，測量的使用方法為電阻絲法和測斜儀法。

關于抽水沉降類型中地下水的活動狀態(tài)是引起地質(zhì)沉降問題的最重要的原因，在不同溫度、不同氣候環(huán)境下，地下水的活動規(guī)律也各不相同，為此需要對地下水的情況進行監(jiān)測、分析出其規(guī)律，方便地質(zhì)沉降預測，及時制定應對措施，緩解沉降現(xiàn)象給人們帶來的影響。在地下水監(jiān)測內(nèi)容主要為地下水的水位變化情況以及地下水數(shù)量變化情況，監(jiān)測地下水的變化是否引起明顯的地質(zhì)沉降，為預防泥石流、滑坡等地質(zhì)災害的發(fā)生提供可靠、準確的預警信息數(shù)據(jù)資料。為了能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)沉降實時監(jiān)測，需要對數(shù)據(jù)采集的時間間隔進行設置，通常情況下設置固定的采樣時間為30分鐘，即每30分鐘計算機控制終端就會發(fā)布一次地質(zhì)沉降相關參數(shù)數(shù)據(jù)采集指令到測量儀器端口，不同的測量儀器針對不同的影響參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，并傳送到計算機端進行進一步的數(shù)據(jù)分析處理。

1.3 數(shù)據(jù)精密預處理及分析

將精密測量儀器采集地質(zhì)沉降影響參數(shù)的數(shù)據(jù)進行處理進而分析。數(shù)據(jù)精密處理首先需要將數(shù)據(jù)輸入到計算機當中，導入數(shù)據(jù)時需要結合精密軌道數(shù)據(jù)，初始數(shù)據(jù)以及圖像經(jīng)過預處理之后可以生成標準的SLC數(shù)據(jù)文件，文件當中除了影響參數(shù)的數(shù)據(jù)之外，還有數(shù)據(jù)獲取模式、時間以及地理矢量范圍等全部數(shù)據(jù)信息。需要對標準的數(shù)據(jù)文件借助二軌方法進行差分干涉處理[4]。在此之前還要對影響數(shù)據(jù)進行一下基線估算處理，評價干涉影響質(zhì)量，從而使形變精度隨相干性的增加而提高。由于在位移監(jiān)測方面輸出的數(shù)據(jù)是空間坐標的形式，所以要將其他數(shù)據(jù)都轉換成為空間三維坐標形式，在轉換過程中一定要保證數(shù)據(jù)的準確性與精確性，避免監(jiān)測結果與其他空間信息疊加產(chǎn)生偏移。最后，將預處理生成的形變圖與矢量圖進行疊加得出數(shù)據(jù)預處理結果，并進行定量與定性分析，將監(jiān)測結果與精密水準數(shù)據(jù)相比較，進一步驗證礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測結果的可行性。

1.4 去除地形失相干

精密水準的地質(zhì)沉降信息的獲取與數(shù)據(jù)處理是在精密水準干涉圖的基礎上進行，在精密水準測量儀器進行監(jiān)測過程中，獲得監(jiān)測信號會受到多種因素影響，導致相干性很低或者失去相干性，也就使得監(jiān)測數(shù)據(jù)不具有使用價值，通常情況下導致失相干的因素有很多，在礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測當中將失相干分為：空間和時間方面失相干，則監(jiān)測結果總失相干可以表示為：

公式中λtotal為總失相干，λgeom為空間失相干，λtemporal代表時間失相干?？臻g失相干的形式是精密水準測量儀器進行兩次重復測量當中由于基線距離的角度不同導致的誤差，那么空間失相干可以用公式2來表示：

其中α為測量儀器測量的角度，Ry是分辨率，B⊥是空間基線的垂直分量，而d是斜距距離。時間失相干的形成原因是在重復獲取數(shù)據(jù)信息時，在時間間隔之內(nèi)地表產(chǎn)生的微小變化，而數(shù)據(jù)獲取的時間間隔即為時間基線[5]。因此時間失相干的表述如公式3所示。

公式中ηy、是測量儀器在垂直和水平兩個方向上的運動，t是時間間隔。應用最小二乘原理以及奇異值分解方式去除地形的失相干，去除的表達式如4所示。

1.5 提取沉降區(qū)域生成沉降圖完成監(jiān)測

將多個去除地形失相干的相位表示主數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)在兩個獲取時間之間的相位變化平均速度與時間的乘積，就可以獲得時間形變序列，即

采集的所有地形信息按照公式5進行計算，最終得出一個M × N形式的矩陣A，由此一來利用奇異值分解方法即可以求出第N+1個數(shù)據(jù)之間N個時間段的相位值平均形變速率，將得出的平均形變速率與時間間隔相乘，就能夠得到監(jiān)測的最終結果進行累加就能得到累計沉降值。設定累計沉降值的正常范圍為0.1-2，則當求出的累計沉降值高于正常范圍時就判定該礦區(qū)地質(zhì)出現(xiàn)沉降趨勢，需要立即對沉降區(qū)進行提取，首先，生成等高線，將值為零的高線生成矢量數(shù)據(jù)提取范圍，以其為參考范圍將下沉區(qū)域提取出來，由于每個像元值代表的是下沉量，這樣就去除了非下沉區(qū)域[6]。然后使用重分類功能將不同下沉區(qū)域區(qū)分開來進而生成沉降區(qū)域圖，方便進行解決方案的制定。

2 模擬實驗分析

在精密水準的條件下進行的礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測時，最終目的是通過監(jiān)測結果及時發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)沉降情況，并對地質(zhì)沉降的變化趨勢進行預測，及時制定應對方案。為了驗證該監(jiān)測方法在實際礦區(qū)沉降當中具有使用價值進行模擬實驗，監(jiān)測指標如表2所示。

表2 監(jiān)測實驗主要指標表

圖1 模擬礦區(qū)橫向沉降剖面圖

照表中的檢測實驗數(shù)據(jù)制定實驗計劃，為了更加凸顯該監(jiān)測方法的使用性設立對比實驗，對比實驗選擇傳統(tǒng)的地質(zhì)沉降監(jiān)測方式。模擬實驗中對比組與實驗組選擇相同的實驗環(huán)境，保證模擬實驗的變量唯一。在實驗當中主要對監(jiān)測結果的監(jiān)測誤差情況以及監(jiān)測精度作為實驗變量，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、處理等一系列實驗過程最終提取地質(zhì)沉降精密信息，從而得出模擬礦區(qū)沉降中心區(qū)域以及沉降邊緣區(qū)域的形變檢測結果，將不同時間采集的沉降值并制成橫向和縱向的剖面圖，其中橫向剖面結果如圖1所示。

按照模擬實驗的實驗監(jiān)測結果對該礦區(qū)的沉降現(xiàn)象進行統(tǒng)計，將兩種礦區(qū)地質(zhì)沉降的監(jiān)測結果的誤差值進行對比，得出誤差對比曲線如圖2所示。

圖2 實驗誤差對比曲線圖

監(jiān)測誤差產(chǎn)生的可能性包括：圖像分辨率的制約、精密水準監(jiān)測數(shù)據(jù)不對應，沉降梯度過大等，從圖中的曲線變化情況可以看出，設計出的基于精密水準礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測方法可以將誤差的浮動范圍控制在0-5之間，且更加趨近于0。相比之下傳統(tǒng)的監(jiān)測方法的誤差最高的情況會超過10，由此可以看出設計出的監(jiān)測方法對于礦區(qū)的地質(zhì)沉降信息具有較高的精確率。

3 結語

礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測對于礦產(chǎn)事業(yè)具有重要作用，監(jiān)測過程包含了信息收集、傳輸、處理等多個方面，在信息技術引領時代的大環(huán)境下，越來越多的現(xiàn)代化技術、設備被應用在地質(zhì)沉降監(jiān)測中，例如精密水準技術，這些科學技術為礦產(chǎn)事業(yè)提供了新型的檢測手法，使得得到的監(jiān)測信息具有高精度、高可靠等優(yōu)勢。現(xiàn)如今精密水準技術已經(jīng)被廣泛的應用到地質(zhì)沉降監(jiān)測當中，且取得了良好的監(jiān)測成果。