面向精密水準(zhǔn)技術(shù)的礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測

劉 冬

（長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院，湖南 長沙 410000）

當(dāng)前隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷向前發(fā)展，人類的日常生活和生產(chǎn)活動(dòng)對各種礦產(chǎn)資源的需求量越來越大，因此我國針對礦產(chǎn)資源的開發(fā)工作程度越來越高。由于礦產(chǎn)資源的開發(fā)量不斷上漲，因此我國提出了關(guān)于可持續(xù)性發(fā)展工作戰(zhàn)略，要有效控制自然資源的開采量，保證生態(tài)環(huán)境的平衡。由于我國很多地區(qū)的礦產(chǎn)資源儲存量相對較大，因此長時(shí)間對該地區(qū)進(jìn)行礦產(chǎn)資源過度開發(fā)造成地質(zhì)惡化，礦區(qū)產(chǎn)生不同程度的地質(zhì)沉降現(xiàn)象，對整個(gè)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及人們的生命安全造成了嚴(yán)重的威脅。地質(zhì)沉降主要指的是在自然環(huán)境或者人為因素的干擾條件下造成地面標(biāo)高降低，對于自然因素而言通常情況下無法進(jìn)行預(yù)防和避免，但是人為性礦產(chǎn)資源的過度開發(fā)，也會造成礦區(qū)地質(zhì)條件出現(xiàn)不同程度的沉降現(xiàn)象，破壞了原有的巖體結(jié)構(gòu)受力平衡，進(jìn)而造成了周圍的巖土條件不斷朝著采空區(qū)域發(fā)生移動(dòng)和變形，同時(shí)還會造成周圍的建筑體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到不良影響。為了進(jìn)一步解決礦區(qū)地質(zhì)沉降問題，保證礦區(qū)作為環(huán)境的安全性，必須要采取針對性措施來加以解決，經(jīng)過相關(guān)工作人員的長期實(shí)踐工作和分析之后，通過采取面向精密水準(zhǔn)技術(shù)對礦區(qū)的地質(zhì)沉降問題進(jìn)行全面監(jiān)測。該監(jiān)測技術(shù)的結(jié)果需要達(dá)到每千米測量高度差，誤差不能超過1mm的測量標(biāo)準(zhǔn)，在我國各大礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作中應(yīng)用非常普遍，并且所獲取的沉降監(jiān)測精密度更高。

1 精密水準(zhǔn)技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對礦區(qū)內(nèi)部展開地質(zhì)勘查和監(jiān)測工作中，需要對礦區(qū)內(nèi)部的自然地理?xiàng)l件水文地質(zhì)條件以及地質(zhì)構(gòu)造等多方面內(nèi)容進(jìn)行全面勘查和分析，通過前期勘察之后埋設(shè)相關(guān)的監(jiān)測儀器設(shè)備，并且對礦區(qū)地質(zhì)沉降問題進(jìn)行全面監(jiān)測。

在針對礦區(qū)地質(zhì)沉降問題進(jìn)行勘查和監(jiān)測工作中，必須要充分考慮到勘察區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)條件產(chǎn)生沉降的相關(guān)影響因素，需要有效收集礦區(qū)內(nèi)部的地質(zhì)沉降數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息的收集需要地質(zhì)測量儀器設(shè)備。通過礦山地質(zhì)測量儀設(shè)備的有效應(yīng)用，充分發(fā)揮出精密水準(zhǔn)技術(shù)的工作優(yōu)勢，有效提高礦區(qū)地質(zhì)現(xiàn)象監(jiān)測的精確性?，F(xiàn)階段，在我國水準(zhǔn)測量儀器設(shè)備當(dāng)中，大部分都屬于精密水準(zhǔn)儀設(shè)備，其中主要包含了微傾式、自動(dòng)補(bǔ)償式以及數(shù)字式等相關(guān)設(shè)備，這種精密型水準(zhǔn)測量儀器設(shè)備在一些高精度的工程測量工作中發(fā)揮出的作用非常明顯。如圖1。

圖1 精密水準(zhǔn)儀設(shè)備

前期工作需要選擇測量基礎(chǔ)站點(diǎn)，在監(jiān)測基礎(chǔ)站范圍內(nèi)埋設(shè)地質(zhì)測量及設(shè)備，礦山地質(zhì)沉降測量及設(shè)備埋設(shè)工作需要分為以下幾個(gè)方向：

首先，需要展開分層沉降埋設(shè)，需要將沉降的導(dǎo)管通過分段的方法進(jìn)行銜接，并且根據(jù)監(jiān)測工作要求埋設(shè)安放沉降磁環(huán)。使用沉降導(dǎo)管將沉降磁環(huán)直接設(shè)置在一定的深度范圍，為了有效控制地下水環(huán)境，對地質(zhì)沉降監(jiān)測結(jié)果所產(chǎn)生的干擾，需要進(jìn)一步減少導(dǎo)管的浮力，需要將導(dǎo)管的底口部分進(jìn)行堵塞和處理，同時(shí)向其中加入一定量的水[1]。

其次，通過使用鉆孔埋設(shè)法和加入法在土壤層當(dāng)中埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，通過鉆機(jī)成孔的穩(wěn)定層測斜倒管的埋設(shè)深度需要保證在2m以上，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)內(nèi)壁十字導(dǎo)向槽準(zhǔn)確對應(yīng)位移的方向，并且通過人為規(guī)定正負(fù)方向，對安裝位置進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)整。

最后，需要設(shè)置地下水位監(jiān)測儀器設(shè)備，地下水位監(jiān)測儀器設(shè)備使用PVC材料管道，導(dǎo)管的長度需要保證在含水層到1m以上，同時(shí)就要盡可能保證在測量工作中，不會因?yàn)樗聸_擊問題而產(chǎn)生形變。將所有的測量儀器設(shè)備準(zhǔn)確設(shè)置之后，需要使用先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將所收集到的測量數(shù)據(jù)信息，直接傳輸?shù)浇K端系統(tǒng)內(nèi)部來進(jìn)行處理，最終可以得到礦區(qū)內(nèi)部的地質(zhì)沉降監(jiān)測工作結(jié)果。

2 礦區(qū)地質(zhì)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)測量分析

在儀器設(shè)備埋設(shè)完成之后，需要通過計(jì)算機(jī)終端發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)收集工作指令，收集礦區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)沉降所產(chǎn)生的各項(xiàng)影響因素。由于礦區(qū)的地質(zhì)沉降類型主要分為構(gòu)造沉降、抽水沉降等形式，因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作當(dāng)中，需要對兩種不同類型的地質(zhì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步收集。構(gòu)造沉降主要針對的是地殼位移監(jiān)測抽水沉降，主要針對的是地下水位的監(jiān)測以及地下含水量監(jiān)測，采空沉降主要指的是礦區(qū)采空面積，采坑深度等方面監(jiān)測。需要針對兩種不同類型的地質(zhì)沉降影響參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集和測量。

2.1 構(gòu)造沉降監(jiān)測

構(gòu)造沉降問題主要是因?yàn)榈貧こ两颠\(yùn)動(dòng)所造成的地面下沉問題，因此地殼位移監(jiān)測數(shù)據(jù)收集主要包含了位移變形速率、區(qū)域位移量大小以及滑梯活動(dòng)工作范圍等。由于地質(zhì)沉降主要是因?yàn)榈貙由畈窟\(yùn)動(dòng)在地表面形成的沉降問題，因此在針對地層深部位移監(jiān)測過程中做好地表位移監(jiān)測至關(guān)重要。地表位移監(jiān)測主要分為垂直方向上的位移和水平方向上的位移情況。通常情況下，通過使用精密水準(zhǔn)測量儀設(shè)備來進(jìn)行測量工作，最終的測量工作結(jié)果主要是以三維圖像和影像的形式輸出，如圖2，這樣不但可以充分體現(xiàn)出該區(qū)域地表的垂直位移變化工作狀態(tài)，同時(shí)還可以直接體現(xiàn)出水平位移的工作狀態(tài)。對于地層深處的位移問題需要借助埋設(shè)在地表的沉降儀器設(shè)備來進(jìn)行觀測，所使用的觀測方法主要是以電阻絲法和測斜儀法為主[2]。

圖2 構(gòu)造沉降三維圖像

2.2 抽水沉降監(jiān)測

圖3 抽水沉降監(jiān)測系統(tǒng)

在抽水沉降監(jiān)測工作過程中，礦區(qū)地下水的構(gòu)成狀態(tài)是造成地質(zhì)沉降問題的重要影響因素。在不同的溫度和氣候條件下，地下水的活動(dòng)規(guī)律也各有不同，因此需要對地下水的工作情況進(jìn)行全面監(jiān)測和分析，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律方便地質(zhì)沉降工作的全面預(yù)測，同時(shí)還需要制定出相應(yīng)的應(yīng)對措施，有效緩解沉降現(xiàn)象，對礦區(qū)開采工作所產(chǎn)生的不良影響。在地下水的監(jiān)測工作過程中，主要是對地下水位的高低變化情況以及地下水的數(shù)量變化情況展開全面分析和研究，監(jiān)測地下水的變化是否出現(xiàn)明顯的地質(zhì)沉降現(xiàn)象，如圖3，為了有效預(yù)防泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題的產(chǎn)生，需要為其提供出更加準(zhǔn)確的預(yù)警信息以及相關(guān)數(shù)據(jù)資料，為了充分實(shí)現(xiàn)地質(zhì)沉降的實(shí)時(shí)性監(jiān)測工作，需要對數(shù)據(jù)收集的具體時(shí)間和間隔進(jìn)行設(shè)置。通常情況下，需要設(shè)置固定參數(shù)采樣時(shí)間為半小時(shí)，每間隔半小時(shí)時(shí)間需要對計(jì)算機(jī)的控制終端發(fā)布一次地質(zhì)沉降的相關(guān)信息。

2.3 數(shù)據(jù)精密預(yù)處理工作與分析

通過對精密測量儀器設(shè)備所收集到的地質(zhì)沉降參數(shù)信息和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步整理和分析數(shù)據(jù)精密處理工作。首先，需要將所獲取的參數(shù)數(shù)據(jù)直接輸送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)過程中需要有效結(jié)合精密數(shù)據(jù)條件，在初始數(shù)據(jù)和圖像經(jīng)過預(yù)處理工作之后，可以生成相應(yīng)的SLC數(shù)據(jù)文件，文件當(dāng)中除了影響參數(shù)的數(shù)據(jù)信息之外，還包含了數(shù)據(jù)的獲取模式，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間以及數(shù)據(jù)矢量范圍等相關(guān)重要信息。在此工作之前，需要對影響數(shù)據(jù)信息進(jìn)行估算處理，對外部所產(chǎn)生的各種影響因素進(jìn)行進(jìn)一步判斷，有效提高礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性。其次，在位移監(jiān)測工作方面輸出的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，主要是以空間坐標(biāo)的形式來加以呈現(xiàn)，因此需要將所獲取的數(shù)據(jù)信息有效轉(zhuǎn)化成空間三維坐標(biāo)形式。在具體的轉(zhuǎn)化工作過程中，必須要有效保證數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，有效避免后續(xù)的精確結(jié)果和其他的空間信息之間進(jìn)行疊加產(chǎn)生偏移現(xiàn)象。最后，需要將預(yù)處理工作所生成的變形圖像和矢量圖像進(jìn)行疊加，從中得出數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作結(jié)果，并且對其進(jìn)行定量和定性分析，將所收集到的監(jiān)測結(jié)果和精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行進(jìn)一步對比和分析，有效驗(yàn)證礦區(qū)地質(zhì)條件范圍內(nèi)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作結(jié)果的可行性[3]。

3 監(jiān)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于精密水準(zhǔn)技術(shù)，在礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作過程中，最終工作目標(biāo)是通過監(jiān)測工作結(jié)果有效發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)部的地質(zhì)沉降情況，同時(shí)對地質(zhì)沉降變化趨勢展開全面預(yù)測和分析，制定出科學(xué)有效的應(yīng)對工作方案。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該監(jiān)測方法，在礦區(qū)沉降工作當(dāng)中的具體應(yīng)用效果，相關(guān)工作人員對監(jiān)測工作展開了模擬實(shí)驗(yàn)和分析，并且獲取了監(jiān)測工作內(nèi)容、監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)、沉降監(jiān)測精度、面沉降監(jiān)測精度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘榷囗?xiàng)工作指標(biāo)。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)制定的相關(guān)計(jì)劃，對精密水準(zhǔn)技術(shù)在礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作中的相關(guān)操作方法進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)整，通過模擬相同的監(jiān)測工作環(huán)境，有效保證模擬實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性與合理性。在具體的監(jiān)測工作過程中需要有效控制監(jiān)測精度變量情況，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集和處理，有效保證地質(zhì)沉降監(jiān)測信息的精確度，從而可以得出礦區(qū)沉降中心區(qū)域和沉降邊緣區(qū)域的最終變形檢測工作結(jié)果，將不同的時(shí)間采集沉降值進(jìn)行統(tǒng)一分析，最大限度上降低地質(zhì)沉降均測數(shù)據(jù)的誤差，為整個(gè)礦區(qū)地質(zhì)監(jiān)測工作打下良好的基礎(chǔ)[4]。

4 結(jié)語

綜上所述，礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測工作到有效開展，對保證各種礦產(chǎn)資源開發(fā)工作順利進(jìn)行打下良好的基礎(chǔ)。通過精密水準(zhǔn)技術(shù)的有效應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的快速傳輸收集和處理，同時(shí)在后續(xù)的發(fā)展過程中，礦區(qū)地質(zhì)監(jiān)測工作將會引入更加先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，有效保證地質(zhì)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的精確性，保證礦產(chǎn)資源開展工作的穩(wěn)定性。