機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理中的應(yīng)用

（河北省地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

當(dāng)前的礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理主要采用傳統(tǒng)治理方法，無法對(duì)礦山地質(zhì)破壞程度進(jìn)行預(yù)判，導(dǎo)致治理不具有針對(duì)性，耗時(shí)長(zhǎng)、效果差。激光雷達(dá)是一種將激光器作為輻射中心的波段，主要的波長(zhǎng)范圍在太陽層，利用激光束散射對(duì)探測(cè)對(duì)象進(jìn)行定位。比傳統(tǒng)雷達(dá)更容易控制、探測(cè)范圍更廣并且對(duì)周遭環(huán)境的抗干擾能力更強(qiáng)。更加符合機(jī)載平臺(tái)對(duì)雷達(dá)光束的體積和重量的要求[1]。機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖是采取主動(dòng)尋找并且定位目標(biāo)的方式，將各類導(dǎo)航和雷達(dá)激光等先進(jìn)技術(shù)相融合，形成了對(duì)探測(cè)工具要求較低、受氣象條件約束小、耗時(shí)周期短等特點(diǎn)。

1 采集環(huán)境治理基本信息

機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)是在機(jī)載平臺(tái)設(shè)定一個(gè)光束的固定數(shù)據(jù)，由雷達(dá)基地發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過標(biāo)的物被光線反射后進(jìn)行礦山環(huán)境的數(shù)據(jù)收集。根據(jù)雷達(dá)激光的發(fā)射范圍和標(biāo)的物接收并反射光線的時(shí)間來精確測(cè)算目標(biāo)距離。將激光發(fā)射范圍設(shè)定為m，接收反射時(shí)長(zhǎng)為a，速度為c，則目標(biāo)距離k為：

設(shè)定發(fā)射范圍m為1000kHz，接收反射時(shí)長(zhǎng)為30s，當(dāng)速度c等于0.1時(shí)，目標(biāo)距離k的數(shù)值達(dá)到約500m。在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理過程中，傳統(tǒng)雷達(dá)光譜段受到天氣影響，所能探測(cè)距離最大只有350m左右，而機(jī)載激光雷達(dá)，能較小程度受到日照反射率和山脈起伏等地理?xiàng)l件的限制。其中，土壤密度是影響機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)，在采集環(huán)境治理信息過程中的一個(gè)重要因素。在地質(zhì)測(cè)量中則土壤密度s的計(jì)算方法為：

若距離k為150米，速度c為0.1秒，那么計(jì)算出土壤密度s為5kg/m3土壤密度成為可利用條件。機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖技術(shù)是相對(duì)于單脈沖模式提出的，多脈沖與單脈沖技術(shù)相比二者的區(qū)別在于：傳統(tǒng)單脈沖模式是在平臺(tái)發(fā)射脈沖光束后必須在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)接收其光束反射信號(hào)，若在設(shè)定時(shí)間內(nèi)未按發(fā)射軌跡接收脈沖回波，則數(shù)據(jù)無法采集，視為無效發(fā)射[2]。而機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖技術(shù)的容錯(cuò)率相對(duì)較高，脈沖光束發(fā)射后，給出10秒左右的誤差時(shí)間，即便在單位時(shí)間內(nèi)沒有收到脈沖回波也能采集到數(shù)據(jù)。因此，在收集礦山地質(zhì)環(huán)境工作中，多脈沖探測(cè)技術(shù)能較為精確的收集礦山地質(zhì)環(huán)境的各項(xiàng)基本信息。

2 計(jì)算土壤摩擦角度

機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理中的應(yīng)用，在礦山地質(zhì)環(huán)境的治理范圍方面較傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)能提供更多參考數(shù)據(jù)。根據(jù)土壤黏度和濕度系數(shù)，機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理過程中明確劃分等級(jí)，進(jìn)行更具有針對(duì)性的治理。選取某礦區(qū)的土壤黏度和摩擦角度，參考地質(zhì)環(huán)境與多脈沖應(yīng)用圖：

圖1 地質(zhì)環(huán)境與多脈沖技術(shù)應(yīng)用圖

根據(jù)圖1我們可以看出，地質(zhì)環(huán)境破壞等級(jí)越高多脈沖探測(cè)技術(shù)越適用，能夠土壤內(nèi)摩擦角達(dá)到90°時(shí)，機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)較傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：可以探測(cè)礦山地質(zhì)下層元素結(jié)構(gòu)和土壤結(jié)構(gòu)，通過提取下層土分生物量的潛力及礦元素量。多脈沖技術(shù)掃描礦山地質(zhì)破壞等級(jí)數(shù)據(jù)在提取土壤粘稠度后，根據(jù)未被破壞的天然土壤粘稠度判斷探測(cè)技術(shù)適用范圍。

應(yīng)用多脈沖探測(cè)技術(shù)，能較為準(zhǔn)確的判斷礦山地質(zhì)的土壤摩擦角度。設(shè)土壤摩擦角度為DR，反射時(shí)長(zhǎng)為a，發(fā)射與回波時(shí)間差為Δt，計(jì)算公式為：

對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境遭到破壞的參考樣地進(jìn)行計(jì)算時(shí)，當(dāng)發(fā)射與回波Δt≥1時(shí)，時(shí)長(zhǎng)為80秒，則土壤摩擦角度為135°。在參考樣地不同程度的存在著地質(zhì)災(zāi)害問題，土壤摩擦角度越大，環(huán)境破壞程度越大。因?yàn)榈V山開采的問題，在惡劣天氣情況下存在著滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)。

3 劃分環(huán)境效應(yīng)等級(jí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理

在實(shí)際探測(cè)中，將脈沖寬度Dr，與發(fā)射回波時(shí)間差與標(biāo)的物距離Gθ之間利用公式計(jì)算：

在礦體開采時(shí)，由于采礦活動(dòng)過于頻繁，導(dǎo)致地質(zhì)圍巖裸露出邊坡巖石；同時(shí)造成土壤表層出現(xiàn)水土流失，導(dǎo)致植被無法正常生長(zhǎng)。礦體坑底部存在高低落差，開采后原始生態(tài)環(huán)境和天然地貌被改變。依據(jù)礦山環(huán)境問題的形成因素可以推斷出，礦山環(huán)境問題的產(chǎn)生與礦山開采活動(dòng)密切相關(guān)，礦山環(huán)境的破壞等級(jí)與礦山開采活動(dòng)的強(qiáng)度有著直接關(guān)系。礦山開采過程中對(duì)于礦山環(huán)境造成影響的因素大多取決于開采環(huán)節(jié)是否有節(jié)制。機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖技術(shù)首先是對(duì)控制開采強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，根據(jù)當(dāng)時(shí)開采強(qiáng)度和礦山地質(zhì)破壞現(xiàn)狀，運(yùn)行不同的治理程序。機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖治理區(qū)設(shè)置在礦區(qū)西北角，治理面積達(dá)到28700m2。治理區(qū)域內(nèi)存在坑底到坡頂?shù)木彌_平臺(tái)，邊坡的坡角為25°～75°，高度為7m～46m，坡面呈破碎狀態(tài)，緩沖平臺(tái)內(nèi)的坡度較小，相對(duì)平緩。地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀治理區(qū)內(nèi)最大邊坡高度為85m，角度65°，邊坡保存相對(duì)完整。

表1 環(huán)境效應(yīng)等級(jí)劃分表

經(jīng)調(diào)查，治理區(qū)域內(nèi)采場(chǎng)礦體底部堆積了大量碎石，基本上屬于開采礦石的遺留；地表碎石較多，有一部分小碎石處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但不構(gòu)成崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患。面對(duì)礦山地表沉陷問題，從源頭著手，并不是一味地在回填方法方面下功夫，而是通過激光雷達(dá)反射時(shí)長(zhǎng)判斷塌陷程度，然后將實(shí)時(shí)三維立體模型加載在計(jì)算機(jī)中，再選取回填物料。水位下降導(dǎo)致地面變形的問題的解決辦法是從可持續(xù)發(fā)展的角度出發(fā)，通過多脈沖探測(cè)技術(shù)找到污染水源，從而進(jìn)行水質(zhì)改善工作，而不是采用傳統(tǒng)方法的引源截流。為了將傳統(tǒng)環(huán)境恢復(fù)治理的方法和機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖探測(cè)技術(shù)在礦山地質(zhì)環(huán)境中更精準(zhǔn)地應(yīng)用，對(duì)此，根據(jù)礦區(qū)采樣數(shù)據(jù)對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境破壞程度等級(jí)劃分，進(jìn)而應(yīng)用多脈沖探測(cè)技術(shù)進(jìn)行礦山環(huán)境恢復(fù)治理。

4 結(jié)語

經(jīng)過開采的礦區(qū)大多存在著石漠化嚴(yán)重、開采現(xiàn)場(chǎng)遺留下來的開采面絕壁林立，采石坑中到處是殘留的礦體碎片、礦體柱石和被挑選后的廢石堆和已經(jīng)裸露出礦床的采礦地板，破壞了礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件，充分將機(jī)載激光雷達(dá)多脈沖運(yùn)用到礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理中去，并根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)和地質(zhì)功特點(diǎn)，對(duì)于礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行恢復(fù)治理。