礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用研究

程子華，唐良智，閆 云，傅圣濤

（江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210007）

中國擁有豐富的礦產(chǎn)資源，中國的礦業(yè)歷史源遠(yuǎn)流長。尤其是最近20多年，隨著我國礦業(yè)的發(fā)展，礦山地質(zhì)環(huán)境問題日益凸顯，礦山地質(zhì)災(zāi)害﹑含水層破壞﹑地貌景觀破壞﹑水土污染等問題日益凸顯。礦山一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，不僅會對礦山的地質(zhì)環(huán)境造成一定的影響，而且還會對礦山周圍人們的生命安全造成威脅。所以，對礦山地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警十分的重要。在此基礎(chǔ)上，對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了大量的探索，建立了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文對礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上，建立自動﹑高效﹑及時的監(jiān)測體系，并對其進(jìn)行自動﹑實時的監(jiān)測和預(yù)警。

1 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀

礦山的地質(zhì)災(zāi)害類型有滑坡﹑崩塌﹑泥石流﹑采空塌陷等。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的不同，可以采用不同的監(jiān)測手段進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測。常規(guī)監(jiān)測方法有：雨量監(jiān)測﹑裂縫監(jiān)測﹑變形監(jiān)測﹑深層位移監(jiān)測﹑GPS監(jiān)測等。測量儀器一般有全站儀﹑經(jīng)緯儀﹑GPS﹑測距器﹑裂縫測量儀﹑地應(yīng)力儀等。但是，由于通信條件﹑地形﹑天氣等因素的限制，使得某些儀器的工作難度較大，操作起來也比較困難。由于監(jiān)測周期長，數(shù)據(jù)不連續(xù)，加上加密的監(jiān)控頻次，造成了大量的外業(yè)工作量和資金投入，最終造成了礦山企業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作執(zhí)行不到位﹑監(jiān)測效果不理想的狀況。

隨著科技的進(jìn)步，監(jiān)控系統(tǒng)的智能化程度也在不斷提高。GNSS在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測中起到了很好的作用；有一些礦區(qū)會將SAR技術(shù)應(yīng)用于地表塌陷的測量與監(jiān)控中，證明了該方法的準(zhǔn)確性和監(jiān)測效果。另外，有些地方將無人機(jī)﹑人工智能﹑大數(shù)據(jù)﹑云計算等數(shù)字化技術(shù)用于礦山的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測。因此，近年來，我國在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警方面也得到了越來越多的應(yīng)用。

2 礦山地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)

礦山地質(zhì)災(zāi)害，比起一般的地質(zhì)災(zāi)害，要復(fù)雜得多。而且對周圍環(huán)境的影響范圍更大。首先，從危害的角度來說，由于采礦活動的規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致礦山的地質(zhì)災(zāi)害日益增多，對周邊環(huán)境的破壞也日益嚴(yán)重，同時，對已廢棄的礦山進(jìn)行治理也十分困難，常常會有大量的尾礦﹑廢渣等，不但會危及到國土空間和資源，同時也會帶來巨大的災(zāi)難風(fēng)險。此外，根據(jù)災(zāi)害的種類，其特征也是多種多樣的，以滑坡﹑崩塌﹑泥石流﹑地面塌陷﹑井下突水﹑土壤污染為主要特征。而且，由于礦山的復(fù)雜程度，在開采的時候，往往會出現(xiàn)一些安全隱患，同時，由于地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，所以必須加強(qiáng)防治。為此，必須對各種類型的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行全面的分析，做好前期勘探工作，確定未來的治理方向和目標(biāo)。

3 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法應(yīng)該以操作性強(qiáng)﹑效果好的方式進(jìn)行。常規(guī)的宏觀監(jiān)測方式為手工監(jiān)測，而專業(yè)的監(jiān)測采用多種儀器，根據(jù)監(jiān)測方案進(jìn)行。

3.1 滑坡、崩塌監(jiān)測

在地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡﹑崩塌最為常見，在礦山開采過程中，往往會在露天采場﹑排土場﹑礦山公路等地方發(fā)生滑坡和崩塌災(zāi)害。監(jiān)測的主要方式有：

（1）地表位移監(jiān)測。地面位移的監(jiān)測主要是對滑坡體﹑崩塌體的垂直位移﹑橫向位移及裂縫進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)測手段包括大地測量﹑水準(zhǔn)測量﹑GNSS監(jiān)測﹑激光三維掃描﹑In SAR監(jiān)測﹑樁監(jiān)測﹑裂縫監(jiān)測等。通過標(biāo)樁﹑裂縫測量等手段，可以觀察到滑坡﹑崩塌的發(fā)展過程，而其他的測量手段則能更直觀的觀察到滑坡的地表位移﹑變形發(fā)展。

（2）深部位移監(jiān)測。目前，深部位移的監(jiān)測方法有：測縫法﹑鉆孔位移計﹑鉆孔傾角法。它具有很高的專業(yè)性，常應(yīng)用在大規(guī)模的滑坡監(jiān)測中，通過測量滑面的位置和滑體的變形速率，可以判定滑體的穩(wěn)定性，判斷滑體的滑移方向，并能有效地控制滑體的控制。

（3）相關(guān)因素監(jiān)測。根據(jù)不同的地質(zhì)災(zāi)害狀況，監(jiān)測有關(guān)因子包括：監(jiān)測土壤水分，監(jiān)測巖土應(yīng)力，監(jiān)測降雨等。

3.2 泥石流監(jiān)測

當(dāng)大量的礦渣﹑排土場和尾礦庫沿溝谷﹑坡面堆積時，它將形成泥石流的源頭。一旦降雨條件允許，就容易發(fā)生泥石流。泥石流是一種特殊的地質(zhì)災(zāi)害，對其進(jìn)行監(jiān)測是必要的。泥石流監(jiān)測包括降雨監(jiān)測﹑視頻監(jiān)測﹑泥面監(jiān)測﹑傾斜棒監(jiān)測﹑流速監(jiān)測等。

3.3 采空塌陷監(jiān)測

對于地下開采礦山形成的采空區(qū)，導(dǎo)致地面塌陷，伴隨地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。對采空塌陷﹑地裂縫的監(jiān)測主要有大地測量﹑水準(zhǔn)測量﹑GNSS監(jiān)測﹑In SAR監(jiān)測﹑裂縫監(jiān)測等。

4 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

為了有效地提升礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測水平，設(shè)計了一個礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測模塊﹑網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊﹑監(jiān)測中心模塊和web發(fā)布模塊組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)的工作中，在事先設(shè)置的監(jiān)控地點(diǎn)設(shè)置了移動通訊的現(xiàn)場監(jiān)控裝置，通過該裝置對礦山的滑坡﹑崩塌﹑泥石流﹑采空塌陷等進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集。然后，通過移動GSM網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)通過短信傳輸給監(jiān)測中心，由監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后將這些信息保存到數(shù)據(jù)庫中。監(jiān)測中心的作用是對礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分析，實現(xiàn)對礦山的遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)警。同時，利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊，根據(jù)礦山實際情況，及時發(fā)布監(jiān)控信息，減少礦難事故的產(chǎn)生與發(fā)展，并對其進(jìn)行了有效的管理，以此來降低礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性。

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測模塊

在事先設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置帶有移動通訊功能的現(xiàn)場監(jiān)測裝置，通過這種裝置獲取有關(guān)監(jiān)測的信息，其主要內(nèi)容如下：

（1）裂縫位移監(jiān)測：把位移傳感器一端固定到滑坡體上，把傳感器的另一端固定在非滑坡體上，之后通過計算將利用這兩個數(shù)據(jù)的差值，可以作為監(jiān)測裂縫位移監(jiān)測點(diǎn)的相對位置信息。

（2）地下水位監(jiān)測：在預(yù)先設(shè)定的監(jiān)測位置安裝水位傳感器，利用水位傳感器實現(xiàn)對地下水的實時監(jiān)測。

（3）深部位移監(jiān)測：在一個滑坡體的內(nèi)側(cè)進(jìn)行鉆孔，然后將測斜管插入該孔洞，在此基礎(chǔ)上，測斜管角隨著滑坡的移動而發(fā)生變化，從而獲得滑坡的橫向位移監(jiān)測信息。

（4）對土壤的含水率進(jìn)行監(jiān)測：在此基礎(chǔ)上，利用濕度傳感器對土壤水分進(jìn)行實時監(jiān)測，從而獲得土壤水分動態(tài)變化的實時監(jiān)測的信息。

4.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

在GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊GSM引擎子模塊的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。在接收到監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)谋O(jiān)測信息后，子模塊主要向串口發(fā)送一條接收消息指令，實現(xiàn)對監(jiān)測信息的接收。其中，監(jiān)控信息采用短信方式發(fā)送，它是一種由該系統(tǒng)為使用者提供的，可以在無線控制信道上傳輸所有的信息，并且能夠有效地儲存和接收信息。AT命令及其具體功能描述如表1所示。

表1 常用的AT命令及其具體功能描述

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心模塊

礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，它承擔(dān)著監(jiān)控信息的接收﹑處理﹑轉(zhuǎn)發(fā)和報警等功能.該模塊包括通訊協(xié)議模塊﹑數(shù)據(jù)庫模塊﹑收發(fā)服務(wù)模塊﹑圖形顯示模塊和預(yù)警子模塊。

（1）通信協(xié)議子模塊。由于監(jiān)測數(shù)據(jù)中含有各種類型的數(shù)據(jù)，如監(jiān)測點(diǎn)的位置信息和設(shè)備的采集，這就增加了實時監(jiān)測的難度。因此，本文著重于通訊協(xié)議的子模塊的設(shè)計，具體通信協(xié)議格式如表2所示。

表2 通信協(xié)議格式

（2）數(shù)據(jù)庫子模塊。在此基礎(chǔ)上本文從概念和邏輯的角度來設(shè)計了數(shù)據(jù)庫的子模塊。在此基礎(chǔ)上，利用ER實體連結(jié)方法對數(shù)據(jù)庫的概念進(jìn)行了設(shè)計，并依據(jù)數(shù)據(jù)的完整性和獨(dú)立性的原則對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了設(shè)計。

（3）收發(fā)服務(wù)子模塊。在對收發(fā)業(yè)務(wù)子模塊進(jìn)行設(shè)計的過程中，首先就是要對串口進(jìn)行初始化處理，以及與GSM子模塊之間的通訊連接是否正常，然后才能收到新的短信。一旦收到了監(jiān)控信息，就會將這些信息全部保存在數(shù)據(jù)庫中，如果發(fā)現(xiàn)有潛在的風(fēng)險，那么就必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，并向有關(guān)部門報告，以此進(jìn)行礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。

（4）圖形顯示子模塊。通過采集到的礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)以圖表的方式呈現(xiàn)在電腦上，使圖形顯示子模塊能夠更加直觀地反映礦山地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（5）預(yù)警子模塊。本模塊是礦山地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，它主要是利用事先設(shè)定好的聯(lián)絡(luò)方式，將預(yù)警和語音信號傳遞給有關(guān)人員。從而使有關(guān)工作人員能夠在最短時間內(nèi)確定礦體地質(zhì)災(zāi)害的種類和部位，并對其進(jìn)行針對性的防治，從而達(dá)到減少礦山地質(zhì)災(zāi)害的目的。

4.4 Web發(fā)布模塊

當(dāng)前，礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)僅靠監(jiān)測中心模塊來進(jìn)行實時的監(jiān)測，但是由于該模塊的功能太多，使得對監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取變得十分困難。為此，本文提出了運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息發(fā)布平臺的方案。該方法能夠?qū)崟r監(jiān)測礦山地質(zhì)災(zāi)害，增強(qiáng)對礦山的監(jiān)測和預(yù)警。

5 監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在礦山地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

徐州某礦位于江蘇省北部，溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，年均降水量800mm至930mm，雨季降水量占全年的56%。礦區(qū)擁有綜采設(shè)備19套，綜采隊12個，采礦機(jī)械化程度達(dá)44.9%，其中，綜采機(jī)械化程度達(dá)39.2%。礦區(qū)位于平原地區(qū)，地面村莊密集，地下賦存煤層多﹑開采累計厚度大﹑地表變形和下沉量較大，使得礦區(qū)成為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。常規(guī)的監(jiān)測主要為對塌陷區(qū)（已塌陷區(qū)域和可能塌陷區(qū)域）人工巡視，因此可設(shè)置新型的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測。①在礦井生產(chǎn)中，由于采空區(qū)沒有進(jìn)行充填，采空區(qū)上部的巖體應(yīng)力不平衡，為了保證礦井的安全，在礦區(qū)內(nèi)設(shè)置巖石應(yīng)力儀，及時監(jiān)測巖石應(yīng)力變化。②利用北斗智能云監(jiān)測終端（集成多頻段GNSS監(jiān)測終端），在礦區(qū)現(xiàn)狀和預(yù)測采空區(qū)設(shè)置2個基站﹑8個監(jiān)測站，對各個測點(diǎn)的水平和縱向變形進(jìn)行監(jiān)測，并將其實時監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測預(yù)警平臺。該系統(tǒng)可以對現(xiàn)場的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)變形量到達(dá)臨界值時，可以自動發(fā)出預(yù)警，并向?qū)I(yè)的監(jiān)測人員發(fā)送信息，為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)穩(wěn)定性判斷提供了重要依據(jù)。

6 結(jié)論

綜上所述，礦產(chǎn)資源是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要支柱。但在采礦活動中，往往會引起地質(zhì)災(zāi)害，對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p害，進(jìn)而危及到人類的生存和發(fā)展。加強(qiáng)對礦山生產(chǎn)的監(jiān)督﹑管理和控制，做好礦山地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)防，同時，要重視地質(zhì)災(zāi)害的成因，加大治理力度，采取有針對性的措施，切實保障礦山地質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)我國礦產(chǎn)資源的開發(fā)和研究，推動我國社會經(jīng)濟(jì)的快速健康發(fā)展。