礦山開采地面沉降觀測技術的選擇與應用

程 龍 劉 喆 和 帥

山東省泰安市新礦集團內蒙能源長城三礦技術部

礦山開采地面沉降觀測技術的選擇與應用

程 龍 劉 喆 和 帥

山東省泰安市新礦集團內蒙能源長城三礦技術部

現如今我國礦產資源的需求量增大，現有的表層資源已經開采過度，人類開始向更為深入的礦山進行找礦活動。過度的礦產開采，礦山出現了地面沉降的地質現象，這是一種地質的結構變化，也是一種礦產資源的損耗。

礦山開采；地面沉降；觀測技術

前言

地面沉降導致自然環境的惡化，還消耗了不可補償的自然資源。因此，礦山開采中運用恰當的地面沉降觀測技術，對礦山的地質結構變形進行監測，及時發現地質沉降的趨勢，并采取相應的停止開采、安全轉移等應對措施。

1.礦山地面沉降的原因

礦山的地面沉降是礦山地區最為常見的地質災害，地面沉降給礦山地區造成不可估量的人身財產安全危害，誘發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，一方面是新構造運動帶動我國普遍山區的地面沉降，主要發生于第四紀之后；另一方面是第四紀的自然運動導致的沉積物堆積帶來的天然固結。其二，主觀因素主要是人為因素。一方面是礦產資源的供需不平衡，人類找礦活動的過量，礦山的地下水資源、礦產資源被過量抽空，導致礦山整體下降。

2.礦山開采地面沉降觀測技術的選擇與應用

2.1 常規地面測量方法的應用

常規的地面測量方法是采用常規的測量儀器，測量儀器較為普遍，因此，此類的測量方法稱為常規測量方法。變形監測是常規測量的主要內容，常規測量的其他測量內容還有高程測量、角度邊長測量、坐標變形測量等。

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—水準儀，對高程進行觀測，這種高精密的測量方法操作性強，技術發展趨于成熟，觀測結果精確度高、穩定性強，選擇此種測量，通常應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。

2.1.2 角度測量。區別于精密高程測量的垂直位移測量，角度測量主要使用經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容是三角網形式的水平位移，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監測目的。

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、高穩定性的特點，也具有著消耗勞動力大的不足。應用在高低起伏的地形或溝壑時，使用傳統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 變形觀測技術及其應用

GPS 變形觀測技術是運用于全球空間定位技術進行的監測。首先，對礦山地區的建筑物和地形結構進行合理地劃分，根據分布情況，對地面沉降的監測區域部下監測網。其次，監測網的監測點和基準點要符合在監測網絡上，位置的選取必須在地形地質的分析基礎上。較為科學的選取地點為地質穩定的基巖上，這樣才能保證連片地接收定位信息。GPS的變形監測作業方法主要有靜態和動態兩種模式。礦山的沉降變化不明顯，通常使用靜態的監測作業方式；反之，則使用動態的變形監測方式，常用的動態模式的方法有模糊度函數和OTF。對監測點的動態變化趨勢和水平、垂直位移進行比對，并分析其變化的周期性規律，從而判斷被監測地區是否發生地面沉降。

2.3 INSAR觀測技術及其應用

INSAR 技術又稱干涉雷達測量，是一種在地形垂直變化觀測中有著明顯效果的監測技術。通過獲得D兩種SAR圖像的相位差來成像被測量地區的干涉圖像。最初的INSAR技術應用于地球的地表測量，后逐漸運用在其他領域，如今在礦山的地面沉降測量有著積極作用。由于礦山環境由于受自然因素和人文因素同時作用，具有著與周邊環境不同的特點，獨特性主要體現在礦山植被稀疏，占地變化顯著，干涉特征明顯這三個方面。另外，雷達衛星成像不受到時間限制，全天候的觀測提高了精準度，并實現了動態監測，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技術融合了干涉堆棧技術，彌補了雷達技術的不足。

2.4 GPS和INSAR融合觀測技術極其應用

GPS和INSAR 融合的觀測技術實現了兩者的優勢互補，新技術是在取長補短的基礎上，在地面沉降觀測中進行數據判斷更有說服力。一方面是 GPS 觀測技術對空間分辨率的變形監測效果欠缺，測點的布控由于分辨率低的因素導致空間測點不精確，但其在時間高分辨上對測點的準確度有很大的貢獻。另一方面是INSAR技術在空間分辨率上達到了20m×20m，空間測點信息全面，區域性的成片測點具有連續性，但衛星雷達監測受到時間限制，重復周期短，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。

2.5 三維激光掃描技術極其應用

三維激光掃描監測適用于地表變形的監測，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。三維監測強調了三維立體的監測，最初是運用于地面的建筑物測量，現已拓展到礦山生產的地面沉降測量。此種三維激光掃描技術應用在礦坑監測、礦山井塔、礦坑邊坡高程監測中，具有高精密、采集信息量大、方便采集、具有強大數據后處理能力等優勢。

2.6 數字攝影測量及其應用

數字攝影測量是實現地面沉降觀測的數字化和自動化的體現。數字攝影測量是通過計算機軟件，對數字攝影技術反饋的數字信息或是數字攝像進行讀取，其最大的特點是，數字攝影測量的信息處理是數字處理，不同于傳統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，其實質在于將獲得的數字影像，通過計算機軟件來建立成數字地面模型和正射影像圖，并經過對比數字地面模型來將各個區域沉降情況分析出來。

結語

總而言之，礦山開采地面沉降觀測技術已經向高精度、高效率發展，應用先進的地面沉降觀測技術，能夠及時預測地面沉降的趨勢和規律，不僅減輕了人類直觀監測的工作量，還為礦山的安全生產提供可靠的安全保障。

[1] 邵顯，張亮.數字化測量在礦山測量中的應用[J].科技視界.2014(26).

[2] 饒玉寶.試論地質測量在礦山開采中所發揮的重要作用[J].科技風.2013(16).