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(nèi)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(nèi)蒙能源長城三礦技術部

現(xiàn)如今我國礦產(chǎn)資源的需求量增大，現(xiàn)有的表層資源已經(jīng)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(chǎn)開采，礦山出現(xiàn)了地面沉降的地質(zhì)現(xiàn)象，這是一種地質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，也是一種礦產(chǎn)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(huán)境的惡化，還消耗了不可補償?shù)淖匀毁Y源。因此，礦山開采中運用恰當?shù)牡孛娉两涤^測技術，對礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)沉降的趨勢，并采取相應的停止開采、安全轉(zhuǎn)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(qū)最為常見的地質(zhì)災害，地面沉降給礦山地區(qū)造成不可估量的人身財產(chǎn)安全危害，誘發(fā)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(gòu)造運動帶動我國普遍山區(qū)的地面沉降，主要發(fā)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(jié)。其二，主觀因素主要是人為因素。一方面是礦產(chǎn)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(chǎn)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(guī)地面測量方法的應用

常規(guī)的地面測量方法是采用常規(guī)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(guī)測量方法。變形監(jiān)測是常規(guī)測量的主要內(nèi)容，常規(guī)測量的其他測量內(nèi)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(fā)展趨于成熟，觀測結(jié)果精確度高、穩(wěn)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(qū)別于精密高程測量的垂直位移測量，角度測量主要使用經(jīng)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(nèi)容是三角網(wǎng)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(xiàn)監(jiān)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(wěn)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(tǒng)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(jiān)測。首先，對礦山地區(qū)的建筑物和地形結(jié)構(gòu)進行合理地劃分，根據(jù)分布情況，對地面沉降的監(jiān)測區(qū)域部下監(jiān)測網(wǎng)。其次，監(jiān)測網(wǎng)的監(jiān)測點和基準點要符合在監(jiān)測網(wǎng)絡上，位置的選取必須在地形地質(zhì)的分析基礎上。較為科學的選取地點為地質(zhì)穩(wěn)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(jiān)測作業(yè)方法主要有靜態(tài)和動態(tài)兩種模式。礦山的沉降變化不明顯，通常使用靜態(tài)的監(jiān)測作業(yè)方式；反之，則使用動態(tài)的變形監(jiān)測方式，常用的動態(tài)模式的方法有模糊度函數(shù)和OTF。對監(jiān)測點的動態(tài)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(guī)律，從而判斷被監(jiān)測地區(qū)是否發(fā)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(jiān)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(qū)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(huán)境由于受自然因素和人文因素同時作用，具有著與周邊環(huán)境不同的特點，獨特性主要體現(xiàn)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(wèi)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(xiàn)了動態(tài)監(jiān)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(xiàn)了兩者的優(yōu)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(shù)據(jù)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(jiān)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(qū)域性的成片測點具有連續(xù)性，但衛(wèi)星雷達監(jiān)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(jiān)測適用于地表變形的監(jiān)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(jiān)測強調(diào)了三維立體的監(jiān)測，最初是運用于地面的建筑物測量，現(xiàn)已拓展到礦山生產(chǎn)的地面沉降測量。此種三維激光掃描技術應用在礦坑監(jiān)測、礦山井塔、礦坑邊坡高程監(jiān)測中，具有高精密、采集信息量大、方便采集、具有強大數(shù)據(jù)后處理能力等優(yōu)勢。

2.6 數(shù)字攝影測量及其應用

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

結(jié)語

總而言之，礦山開采地面沉降觀測技術已經(jīng)向高精度、高效率發(fā)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(guī)律，不僅減輕了人類直觀監(jiān)測的工作量，還為礦山的安全生產(chǎn)提供可靠的安全保障。

[1] 邵顯，張亮.數(shù)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(zhì)測量在礦山開采中所發(fā)揮的重要作用[J].科技風.2013(16).