吳兵（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊，貴州 都勻 558000）

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基于GIS的礦山塌陷損害評價系統(tǒng)及可視化方法

吳兵（貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘探局物化探總隊，貴州 都勻 558000）

地理信息系統(tǒng)（GIS）對礦山工程具有宏觀性監(jiān)測作用，借助GIS可實現(xiàn)礦山塌陷事故一體化建設，保證礦區(qū)地質(zhì)監(jiān)測與防治工作協(xié)調(diào)發(fā)展。本文分析了礦山塌陷機理，構(gòu)建塌陷危害性評價系統(tǒng)，以“可視化”為視角提出切實可行的塌陷災害防控措施。

GIS；礦山塌陷；評價系統(tǒng)；可視化

礦山采掘工程常遇到各種地質(zhì)災害，增加了礦區(qū)挖掘與生產(chǎn)難度，不利于礦山工程可持續(xù)發(fā)展?；谛畔⒓夹g(shù)及系統(tǒng)應用模式逐漸升級，以GIS為中心的礦山系統(tǒng)模式得到推廣，成為礦山塌陷事故災害防治的有效方式。采礦企業(yè)要結(jié)合礦山塌陷事故損害評價體系，提出切實可行的信息化監(jiān)測控制方案。

1　礦山塌陷機理

礦山地面塌陷是井下開采的礦山，在開采過程中，因?qū)⒃V體和伴生的廢石采出后，形成大小規(guī)模不等的地下空間，在重力作用和地應力不均衡等因素的影響下，首先在采空區(qū)域產(chǎn)生地裂縫，逐漸發(fā)展為采空區(qū)的地面塌陷。礦山地面塌陷是井下開采的礦山，在開采過程中，因?qū)⒃V體和伴生的廢石采出后，形成大小規(guī)模不等的地下空間，在重力作用和地應力不均衡等因素的影響下，出現(xiàn)了不同程度的塌陷。

2　礦山塌陷危害性評價系統(tǒng)

基于塌陷防治技術(shù)方案下，采礦企業(yè)要積極采取科學的控制方案，將塌陷防治技術(shù)功能用于最大化，體現(xiàn)塌陷監(jiān)控結(jié)構(gòu)的安全性能。對于早期設定的安全控制平臺，采礦系統(tǒng)要堅持多樣式調(diào)度，從安全指令及安全檢修等方面實施優(yōu)化改造。安全問題一直是影響塌陷控制效率的關(guān)鍵因素，礦山系統(tǒng)控制也頻發(fā)不同規(guī)模的安全事故，使得采礦行業(yè)對安全系統(tǒng)給予高度重視。

2.1 地面塌陷范圍評價

塌陷影響區(qū)的平面范圍不僅受采空區(qū)范圍控制，同時受煤層傾角影響：傾斜煤層采空區(qū)塌陷范圍與采空區(qū)范圍不完全對稱，偏向煤層傾向方向一定距離，偏離的幅度受移動角β控制。當煤層開采后，形成冒落帶，造成頂板一定范圍內(nèi)的巖石沿巖層傾向方向下滑移動，在地表出現(xiàn)塌陷區(qū)。由于地層傾角大，致使地表塌陷區(qū)一般會偏于采空區(qū)的正上方，往往會向巖層傾向方向偏移。

2.2 地表沉陷變形評價

地表沉陷變形與開采煤層及覆巖的物理力學性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)、煤層傾角、采出厚度、開采尺寸大小、開采深度、開采方法及頂板管理等密切相關(guān)。例如，結(jié)合某礦區(qū)資料，按以下公式進行測算：

最大下沉值：Wmax=qMcosα

最大傾斜值：icm=Wmax/r

最大曲率值：K=1.52Wmax/r2

最大水平移動值：Umax=bWmax

最大水平變形值：εcm=1.52bWmax/r

影響半徑：r=H/tgβ

式中：H——煤層埋深（m）；

tgβ——主要影響角正切；

q——下沉系數(shù)；

M——煤層采厚（m）；

b——水平移動系數(shù)。

經(jīng)計算煤礦采空的最大影響半徑為106.8m，最大下沉值9.35m，最大傾斜變形值為87.5mm/m，最大曲率值為1.25mm/m2，最大水平移動值2.6m，最大水平變形值37mm/m。

2.3 沉降穩(wěn)定性評價

某煤礦區(qū)發(fā)生地表沉降后，當?shù)卣畼O為重視，并安排對影響區(qū)內(nèi)主要建筑物進行非均勻沉降觀測。例如，某建筑物日均沉降相對較小，沉降速度約0.24mm/d。296d后沉降量增大，最大達1.5mm/d，175d累計沉降量257mm。此后沉降量逐漸降低，并趨于穩(wěn)定，沉降量約0.054mm/d，表明該塌陷影響區(qū)地面沉降基本趨于穩(wěn)定。

3　基于GIS礦山塌陷可視化技術(shù)

我國采礦市場處于改革調(diào)整階段，企業(yè)是市場經(jīng)濟發(fā)展的主體構(gòu)成，其必須按照塌陷監(jiān)控調(diào)度需求提供可行的改造方案，才能進一步實現(xiàn)礦區(qū)資源優(yōu)化配置。采礦系統(tǒng)安全控制中，需結(jié)合智能系統(tǒng)運行模式為平臺，提供切實可行的安全控制計劃，幫助塌陷監(jiān)控構(gòu)建新型控制平臺，確保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

3.1 智能監(jiān)測技術(shù)

“安全第一”是采礦行業(yè)發(fā)展指導思想，以安全準則為前提開展調(diào)度工作，能夠從多個方面實現(xiàn)礦區(qū)資源一體化調(diào)度。面對傳統(tǒng)調(diào)度平臺存在的問題，采礦企業(yè)要充分利用定向控制、安全監(jiān)控、實時報警等功能模塊，對采礦系統(tǒng)采取綜合安全防御系統(tǒng)。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)感應到的安全隱患，及時安排專業(yè)人員采取措施處理，避免塌陷風險影響到系統(tǒng)運行狀態(tài)。

3.2 定向控制技術(shù)

隨著采礦科技不斷進步與發(fā)展，以自動化為主體的礦山系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到推廣，構(gòu)建現(xiàn)代化塌陷監(jiān)控調(diào)度平臺是不可缺少的?！鞍踩珕栴}”是阻礙礦山系統(tǒng)運行的關(guān)鍵因素，深入分析塌陷監(jiān)控調(diào)度潛在的安全隱患，可以為塌陷監(jiān)控運行作業(yè)提供全面保障，降低各種因素造成的不利影響。結(jié)合礦山系統(tǒng)運行存在的安全隱患，從定向控制、安全監(jiān)控、實時報警等方面，提出塌陷監(jiān)控調(diào)度安全化控制的可行性對策。

3.3 安全調(diào)度技術(shù)

礦山系統(tǒng)作為塌陷監(jiān)控調(diào)度的中轉(zhuǎn)平臺，要按照塌陷監(jiān)控結(jié)構(gòu)層次標準執(zhí)行自動化指令，設定采礦監(jiān)控中心作為安全控制平臺。礦山系統(tǒng)自動化改造的必要性，以GPS技術(shù)、GIS技術(shù)、遙感技術(shù)等為重點，提出企業(yè)參與自動化礦山控制的綜合對策。自信息技術(shù)推廣以來，塌陷監(jiān)控自動化礦山系統(tǒng)功能實現(xiàn)多層次轉(zhuǎn)型，各種實用性功能開始融入操控系統(tǒng)，如：塌陷監(jiān)控監(jiān)視、設備檢修、用電分析等功能，逐漸成為塌陷監(jiān)控調(diào)度的新功能。

4　基于GIS礦山塌陷可視化方法

采礦系統(tǒng)智能化改造中，要堅持“安全第一”的生產(chǎn)原則，確保塌陷監(jiān)控運行符合采礦作業(yè)要求，從而實現(xiàn)區(qū)域塌陷監(jiān)控調(diào)度的可持續(xù)發(fā)展。本次研究中，科學技術(shù)是保障塌陷監(jiān)控安全的關(guān)鍵點，只有融入各種信息技術(shù)方案，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)步運行，綜合提升供塌陷監(jiān)控作業(yè)的運行效率。

4.1 勘查可視化

GIS是現(xiàn)代地質(zhì)勘察先進技術(shù)，結(jié)合GIS構(gòu)建定位平臺，提高了塌陷地質(zhì)勘察的針對性，確保塌陷資源開發(fā)與利用率的最大化。結(jié)合我國塌陷資源現(xiàn)狀，可結(jié)合GIS用于塌陷勘察的技術(shù)要點，設計基于GIS塌陷地質(zhì)勘察的具體操作方法。GIS系統(tǒng)憑借其獨特的定位優(yōu)勢，在大范圍塌陷勘察中發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)了高端科技輔助塌陷采掘的先進性。企業(yè)在擬定塌陷資源開發(fā)方案中，要考慮GIS技術(shù)應用優(yōu)勢，從多個方面設計切實可行的勘察作業(yè)方案。

4.2 遙控可視化

基于遙感技術(shù)（RS）設定物理勘探模型，可從多個方面優(yōu)化塌陷塌陷監(jiān)測作業(yè)流程，體現(xiàn)出新技術(shù)在礦產(chǎn)開發(fā)中的技術(shù)優(yōu)勢。社會現(xiàn)代化建設中，國家對各類地質(zhì)形式需求量持續(xù)增多，促使地方勘察與開發(fā)模式升級改造。我國塌陷資源豐富，每年開發(fā)與利用塌陷區(qū)規(guī)模在不斷擴大，對地質(zhì)勘察工作的要求越來越高。遙感技術(shù)是塌陷地質(zhì)勘察的新技術(shù)，適用于規(guī)?；藴驶?、生態(tài)化等開采作業(yè)方案。因此，要結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)實況，擬定切實可行的地質(zhì)勘察技術(shù)方案，且將技術(shù)策略落實到具體操作中。

4.3 界面可視化

監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、解算、存儲自動完成。地質(zhì)塌陷監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通訊子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理機發(fā)布中心子系統(tǒng)及輔助支持子系統(tǒng)組成。基于GIS遠程遙控系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模式必須符合化發(fā)展需求，以環(huán)境監(jiān)測模式為前提，以提高機械設備信號控制效率為目標，從多個方面實現(xiàn)遙控系統(tǒng)功能化改造。塌陷監(jiān)測設定于礦區(qū)內(nèi)，但受控于調(diào)度中心礦區(qū)點，由計算機完成監(jiān)測控制與安全調(diào)度。

5　結(jié)論

新時期，GIS技術(shù)用于地球物理勘探是必然趨勢，體現(xiàn)了信息技術(shù)在塌陷勘察中的應用價值。深部塌陷監(jiān)測作業(yè)過程中，需發(fā)揮GIS技術(shù)優(yōu)勢，結(jié)合地球物理方法形成良好的勘察平臺，及時掌握塌陷區(qū)的分布規(guī)律，為塌陷監(jiān)測等作業(yè)提供指導依據(jù)。例如，結(jié)合物理學原理，GIS勘察必須按照行業(yè)標準執(zhí)行，從多個角度采取塌陷監(jiān)測處理策略，在維持地質(zhì)環(huán)境完整性前提下，實現(xiàn)資源開發(fā)與利用的一體化建設。

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吳 兵（1988-），湖南人，助理工程師，本科，主要從事工程測量工作。

P642.26

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