礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法與自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

高文 王華 侯凌志

摘要：礦山地質(zhì)災(zāi)害不僅會直接影響到礦山地質(zhì)環(huán)境，而且會對生命安全造成嚴重威脅，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警非常重要。針對礦山開采可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害，在介紹礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀和常用地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，對地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警體系進行了介紹，并對其應(yīng)用案例高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警進行了分析，為其他礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測措施設(shè)計提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)災(zāi)害；自動化監(jiān)測；監(jiān)測預(yù)警；GNSS監(jiān)測

1.前言

我國礦產(chǎn)資源十分豐富，采礦業(yè)在我國歷史悠久，特別是近20年來，礦業(yè)開發(fā)程度不斷加大，采礦活動引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問題逐漸展現(xiàn)出來，主要有礦山地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和水土污染等，其中礦山地質(zhì)災(zāi)害最為普遍和突出。礦山地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，不僅會直接影響到礦山地質(zhì)環(huán)境，而且會對生命安全造成嚴重威脅。因此，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警的重要性也突顯出來。我國地質(zhì)工作者對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測進行了許多的研究，制定了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測和演化過程研究，提出了礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式和技術(shù)方法。本文對礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法進行了介紹，提出了建立依托地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺的自動、高效、及時的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化全時監(jiān)測和監(jiān)測預(yù)警，達到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的目的。

2.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀

礦山地質(zhì)災(zāi)害主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不穩(wěn)定斜坡等[2]。針對不同的地質(zhì)災(zāi)害類型，礦山在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中可采取不同的監(jiān)測方法。在礦山地質(zhì)環(huán)境保護和土地復(fù)墾方案中，一般設(shè)計的專業(yè)監(jiān)測方法有：雨量觀測、裂縫測量監(jiān)測、變形測量監(jiān)測、深層側(cè)向位移監(jiān)測、GPS測量監(jiān)測等，測量儀器一般為全站儀、經(jīng)緯儀、GPS、測距儀、裂縫計、地應(yīng)力計等。在實際應(yīng)用中常受到通信條件、地形、天氣等限制，部分儀器專業(yè)性較強難以操作，監(jiān)測間隔時間較長且不連續(xù)，加密監(jiān)測頻率則使得外業(yè)工作量大，導(dǎo)致監(jiān)測經(jīng)費投入較大，最終形成礦山企業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作落實情況較差和監(jiān)測效果較差的局面。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐漸提高，監(jiān)測設(shè)備也越來越智能化。周密、喻小等運用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中取得了良好效果；楊乾坤、杜建濤等用合成孔徑雷達干涉（InSAR）技術(shù)運用于地面塌陷測量和監(jiān)測，對其測量精度和監(jiān)測效果進行了論證。此外，陳蒙等在綠色礦山建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中采用了無人機、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算手段。因此越來越多的高新技術(shù)也應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警中來，為礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供了更多有效的方法。

3.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法

礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測是實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警和群測群防的有效手段，監(jiān)測方法應(yīng)以操作性強、效果好的措施為主。一般宏觀監(jiān)測方法為人工巡查觀測，專業(yè)監(jiān)測則是借助各種儀器按照監(jiān)測設(shè)計進行監(jiān)測。

3.1滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜坡監(jiān)測

滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜坡是礦山地質(zhì)災(zāi)害中最常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，許多礦業(yè)活動區(qū)域都會形成滑坡和不穩(wěn)定斜坡，比如露天采場、排土場、礦山公路等。監(jiān)測措施主要有：

（1）地表位移監(jiān)測。地表位移監(jiān)測主要是通過測量滑坡體、崩塌體和不穩(wěn)定斜坡的垂直位移、水平位移和裂縫來進行監(jiān)測。監(jiān)測方法有：大地測量、水準測量、GNSS監(jiān)測、三維激光掃描、InSAR監(jiān)測、標樁或裂縫計監(jiān)測等。標樁或裂縫計監(jiān)測能觀測裂縫發(fā)展情況和趨勢，其余方法能比較直觀地觀測出滑坡體、崩塌體和不穩(wěn)定斜坡的地表位移、變形發(fā)展情況。

（2）深部位移監(jiān)測。深部位移監(jiān)測方法主要有測縫法、鉆孔位移計監(jiān)測法和鉆孔傾斜測量法。其專業(yè)性較強，一般用于大型滑坡監(jiān)測中，能測量滑動面位置和滑體變形速率，判斷滑坡穩(wěn)定性，判定滑坡主滑方向和滑坡治理工程效果。

（3）相關(guān)因素監(jiān)測。相關(guān)因素監(jiān)測視地質(zhì)災(zāi)害具體情況而定，主要有土壤含水量監(jiān)測、巖土應(yīng)力監(jiān)測、雨量監(jiān)測等。

3.2泥石流監(jiān)測

當?shù)V山棄渣場、排土場、尾礦庫等大量松散巖土物質(zhì)沿溝谷、坡面堆積時，即成為形成泥石流物源，在雨量條件達到時，極易引發(fā)泥石流。泥石流監(jiān)測專業(yè)性較強，一般需安裝專業(yè)設(shè)備進行監(jiān)測。泥石流監(jiān)測方法有：雨量監(jiān)測法、視頻監(jiān)測法、泥位監(jiān)測法、傾斜棒監(jiān)測法、流速監(jiān)測法等。

3.3采空塌陷監(jiān)測

當?shù)V山開采方式為地下開采時，在地下形成采空區(qū)，造成采空區(qū)上方的巖土體應(yīng)力失衡失穩(wěn)而引起的地面塌陷，伴生地裂縫，甚至滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害。采空塌陷和地裂縫監(jiān)測方法有：大地測量、水準測量、GNSS監(jiān)測、InSAR監(jiān)測、裂縫計監(jiān)測等。

4.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測體系

由于監(jiān)測方法的多種多樣，礦山應(yīng)根據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害評估結(jié)果，結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復(fù)墾方案，制定專業(yè)的監(jiān)測方案，選擇易操作、經(jīng)濟、高效的新方法新技術(shù)進行監(jiān)測，落實礦山地質(zhì)環(huán)境保護義務(wù)，完善礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測機制，實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警和群防群測的目的。目前，監(jiān)測技術(shù)已十分成熟，基于各自動化監(jiān)測設(shè)備搭建的自動化監(jiān)測預(yù)報預(yù)警平臺體系的優(yōu)勢逐漸展現(xiàn)出來，解決了以往傳統(tǒng)監(jiān)測方法的缺點，并實現(xiàn)了省、市、縣三級信息互聯(lián)互通的功能實時共享。

以四川省綿陽市為例，綿陽市于2018年建立了地質(zhì)災(zāi)害群測群防簡易自動化監(jiān)測體系，其監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。通過監(jiān)測預(yù)警平臺接收安裝在地質(zhì)災(zāi)害點上的監(jiān)測站傳輸返回的數(shù)據(jù)信息，達到專家和相關(guān)技術(shù)人員設(shè)定的限值則自動預(yù)報預(yù)警，同時發(fā)布電話短信信息給所在地質(zhì)災(zāi)害點的責任人，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害迅速應(yīng)急反應(yīng)和群測群防的目的。綿陽市的各礦山企業(yè)均可利用該平臺，購置安裝與相匹配的專業(yè)監(jiān)測站點，將礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測融入地質(zhì)災(zāi)害群測群防自動化監(jiān)測體系中去，確保了監(jiān)測的及時性和有效性。

5.自動化監(jiān)測體系應(yīng)用

綿陽市安州區(qū)高川磷礦在礦山地質(zhì)環(huán)境保護與土地復(fù)墾方案中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方案就是結(jié)合綿陽市地質(zhì)災(zāi)害群測群防簡易自動化監(jiān)測體系進行的專業(yè)監(jiān)測設(shè)計。

高川磷礦位于安州區(qū)高川鄉(xiāng)，處于四川龍門山褶斷帶與四川盆地結(jié)合部，地勢陡峻，切割深，屬于構(gòu)造剝蝕中山區(qū)，相對高差一般400m～600m，山體坡度在30°～45°之間，局部在60°以上。氣候為亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，具有氣候溫和，雨量充沛，年均降水量在1261mm左右，最大年降雨量1700mm（2013年），降水量主要集中在每年的6月～9月。據(jù)四川省2017年綿陽市安州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查結(jié)果顯示，該地區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。2019年，在進行礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查后，在礦區(qū)周邊發(fā)現(xiàn)有大竹坪滑坡（HP1）、大坪滑坡（HP2）、三岔溝火石溝泥石流（N1）、采空塌陷區(qū)（T1）四處地質(zhì)災(zāi)害點，對以上四個地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評估和預(yù)測評估，圈定了預(yù)測采空塌陷區(qū)（YT1）。高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害多而復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害影響程度現(xiàn)狀評估與預(yù)測評估均為嚴重。本礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)計為“人工巡視觀測+自動雨量監(jiān)測站+巖石應(yīng)力計+裂縫自動監(jiān)測+GNSS自動化監(jiān)測”的綜合監(jiān)測方案，對礦山及周邊的滑坡、泥石流、采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害進行監(jiān)測，監(jiān)測點位布設(shè)見圖2。

具體地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測設(shè)計為：

①對預(yù)測塌陷區(qū)（已塌陷區(qū)和）進行定期人工巡視觀測，以工業(yè)場地、道路為巡視觀測重點，兼顧排水溝、攔砂壩等治理恢復(fù)工程設(shè)施，觀測頻率為半月一次，雨季加密觀測頻率；②在三岔溝上游路邊的泥石流影響范圍之外設(shè)立自動雨量站，實施監(jiān)測并向綿陽市監(jiān)測預(yù)警平臺傳輸該地區(qū)雨量數(shù)據(jù)，達到雨量預(yù)警值時實時發(fā)送預(yù)警信息至專職監(jiān)測員，及時組織進行泥石流避險；③礦山生產(chǎn)時，因采空區(qū)未回填，采空區(qū)上方巖石應(yīng)力處于失衡狀態(tài)，在井下生產(chǎn)區(qū)安裝巖石應(yīng)力計，確保生產(chǎn)安全。④對回填處理后的塌陷區(qū)邊緣可視拉裂縫和巡查過程中可能發(fā)現(xiàn)的新的地表拉裂縫進行專業(yè)監(jiān)測，工業(yè)廣場以墻體裂縫為重點監(jiān)測對象，在裂縫上安裝裂縫伸縮儀和裂縫警報器。裂縫位移達到預(yù)定的閾值則自動聲光報警，監(jiān)測員或受威脅群眾對設(shè)備的報警現(xiàn)場及時反應(yīng)。⑤對滑坡、預(yù)測采空塌陷區(qū)采用北斗智慧云監(jiān)測終端（一體化多頻GNSS監(jiān)測終端），共布置了2個基站和8個監(jiān)測站，通過監(jiān)測獲取各測點的水平以及垂直變形量，實時傳輸至綿陽市監(jiān)測預(yù)警平臺，可監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害點實時變形數(shù)據(jù)，并在變形量達到閾值時自動報警和發(fā)送短信至專職監(jiān)測員，還為地質(zhì)災(zāi)害點穩(wěn)定性判斷提供了重要依據(jù)。

以上監(jiān)測設(shè)備中北斗智慧云監(jiān)測終端和自動雨量站均由太陽能進行供電，GPRS進行數(shù)據(jù)傳輸，由設(shè)備公司進行安裝和運行維護；裂縫伸縮儀和巖石應(yīng)力計安裝簡便，礦山專職監(jiān)測員經(jīng)簡單培訓(xùn)后即可安裝監(jiān)測。由通過以上人工+自動化的監(jiān)測方法，實現(xiàn)儀器實時監(jiān)測并傳輸數(shù)據(jù)，人工定期巡視核實，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警體系，對高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害進行監(jiān)測預(yù)警起到了十分重要的作用。

6.結(jié)論

綜上所述，礦山地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警體系實現(xiàn)了監(jiān)測指標異常時自動預(yù)警，有效地解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測專業(yè)人員的不足和偏遠山區(qū)受地形氣候限制的難題，提高了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測頻率、效率及效果，降低了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測成本，為礦山在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進行開采提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，減少和降低了地質(zhì)災(zāi)害損失，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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