劉利　王宇波

摘 要： 地面沉降主要指的是在某一地表面積內(nèi)出現(xiàn)的地面水平面下降的情況。通常導(dǎo)致地面沉降的原因在于自然因素以及人為因素兩方面內(nèi)容。其中，人類開(kāi)采礦產(chǎn)資源活動(dòng)是直接誘發(fā)礦山地面沉降的主要因素。本文主要針對(duì)人為因素造成的礦山地面沉降提出多種地面沉降的觀測(cè)技術(shù)，并詳細(xì)介紹了每種觀察技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用范疇，旨在提高觀測(cè)能力，為礦山安全生產(chǎn)提供可借鑒的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 礦山開(kāi)采； 地面沉降； 觀測(cè)技術(shù)； 選擇與應(yīng)用

隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的需求量增大，現(xiàn)有的表層資源已經(jīng)開(kāi)采過(guò)度，人類開(kāi)始向更為深入的礦山進(jìn)行找礦活動(dòng)。過(guò)度的礦產(chǎn)開(kāi)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。地面沉降導(dǎo)致自然環(huán)境的惡化，還消耗了不可補(bǔ)償?shù)淖匀毁Y源。因此，礦山開(kāi)采中運(yùn)用恰當(dāng)?shù)牡孛娉两涤^測(cè)技術(shù)，對(duì)礦山的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)沉降的趨勢(shì)，并采取相應(yīng)的停止開(kāi)采、安全轉(zhuǎn)移等應(yīng)對(duì)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(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，地面沉降給礦山地區(qū)造成不可估量的人身財(cái)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(yùn)動(dòng)帶動(dòng)我國(guó)普遍山區(qū)的地面沉降，主要發(fā)生于第四紀(jì)之后；另一方面是第四紀(jì)的自然運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的沉積物堆積帶來(lái)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(dòng)的過(guò)量，礦山的地下水資源、礦產(chǎn)資源被過(guò)量抽空，導(dǎo)致礦山整體下降；另一方面是礦區(qū)周邊建筑物過(guò)多且高層，重力作用導(dǎo)致建筑物對(duì)地面產(chǎn)生了靜壓力，導(dǎo)致礦山地面沉降。

2. 礦山開(kāi)采地面沉降觀測(cè)技術(shù)的選擇與應(yīng)用

2.1 常規(guī)地面測(cè)量方法的應(yīng)用

常規(guī)的地面測(cè)量方法是采用常規(guī)的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量?jī)x器較為普遍，因此，此類的測(cè)量方法稱為常規(guī)測(cè)量方法。變形監(jiān)測(cè)是常規(guī)測(cè)量的主要內(nèi)容，常規(guī)測(cè)量的其他測(cè)量?jī)?nèi)容還有高程測(cè)量、角度邊長(zhǎng)測(cè)量、坐標(biāo)變形測(cè)量等。常規(guī)測(cè)量具有常規(guī)性，體現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器較方便攜帶，測(cè)量方式直觀易現(xiàn)，測(cè)量?jī)x器的選擇具有階梯型，根據(jù)需要測(cè)量的內(nèi)容選擇對(duì)應(yīng)精確度的儀器。

2.1.1 精密高程測(cè)量

精密高程測(cè)量指的是運(yùn)用高精密的測(cè)量?jī)x器—水準(zhǔn)儀，對(duì)高程進(jìn)行觀測(cè)，這種高精密的測(cè)量方法操作性強(qiáng)，技術(shù)發(fā)展趨于成熟，觀測(cè)結(jié)果精確度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，選擇此種測(cè)量，通常應(yīng)用于垂直位移的觀測(cè)，因此這種高程測(cè)量方式屬于國(guó)家三等以上的高程測(cè)量。但是，精密高程測(cè)量方法占用勞動(dòng)力多、速度慢，測(cè)量結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的礦山易出現(xiàn)測(cè)量誤差。

2.1.2角度測(cè)量

區(qū)別于精密高程測(cè)量的垂直位移測(cè)量，角度測(cè)量主要使用經(jīng)緯儀對(duì)礦山進(jìn)行水平方向的位移測(cè)量，主水平位移測(cè)量的主要內(nèi)容是三角網(wǎng)形式的水平位移，角度測(cè)量的選取為三角測(cè)量，通過(guò)測(cè)定位移和變形情況實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)目的。此外，全站儀的普遍應(yīng)用使角度測(cè)量更為數(shù)據(jù)化和自動(dòng)化，應(yīng)用在邊角網(wǎng)的測(cè)量具有普適度。

2.1.3精密距離測(cè)量

精密距離測(cè)量是一種對(duì)距離測(cè)量的方式，與精密高程測(cè)量相似，其具有高精密度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)，也具有著消耗勞動(dòng)力大的不足。應(yīng)用在高低起伏的地形或溝壑時(shí)，使用傳統(tǒng)的因瓦基線尺測(cè)量有著攜帶不方便、測(cè)量勞動(dòng)強(qiáng)度大等影響，因此，使用精密光電測(cè)距儀能夠彌補(bǔ)因瓦基線的不足，在起伏較明顯的地表觀測(cè)效果甚佳。

2.2 GPS變形觀測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

GPS變形觀測(cè)技術(shù)是運(yùn)用于全球空間定位技術(shù)進(jìn)行的監(jiān)測(cè)。首先，對(duì)礦山地區(qū)的建筑物和地形結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理地劃分，根據(jù)分布情況，對(duì)地面沉降的監(jiān)測(cè)區(qū)域部下監(jiān)測(cè)網(wǎng)。其次，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)要符合在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)上，位置的選取必須在地形地質(zhì)的分析基礎(chǔ)上。較為科學(xué)的選取地點(diǎn)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。再次，GPS網(wǎng)的布控要符合一定的布網(wǎng)規(guī)律。平均距離達(dá)到1000km時(shí)，固定誤差不大于3mm；平均距離達(dá)到300km時(shí)，固定誤差不大于5mm；平均距離達(dá)到70km時(shí)，固定誤差不大于8mm；平均距離達(dá)到0.2～15km時(shí)，固定誤差不大于10mm。此外，GPS的變形監(jiān)測(cè)作業(yè)方法主要有靜態(tài)和動(dòng)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(cè)作業(yè)方式；反之，則使用動(dòng)態(tài)的變形監(jiān)測(cè)方式，常用的動(dòng)態(tài)模式的方法有模糊度函數(shù)和OTF。另外，使用GPS技術(shù)的觀測(cè)后期需要做數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出以下內(nèi)容：GPS三維自由網(wǎng)的平差、監(jiān)測(cè)網(wǎng)的抗差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和沉降。最后，便是將礦山的三維監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行分析判斷。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)和水平、垂直位移進(jìn)行比對(duì)，并分析其變化的周期性規(guī)律，從而判斷被監(jiān)測(cè)地區(qū)是否發(fā)生地面沉降。

2.3 INSAR觀測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

INSAR技術(shù)又稱干涉雷達(dá)測(cè)量，是一種在地形垂直變化觀測(cè)中有著明顯效果的監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)獲得D 兩種SAR圖像的相位差來(lái)成像被測(cè)量地區(qū)的干涉圖像。最初的INSAR技術(shù)應(yīng)用于地球的地表測(cè)量，后逐漸運(yùn)用在其他領(lǐng)域，如今在礦山的地面沉降測(cè)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(shí)作用，具有著與周邊環(huán)境不同的特點(diǎn)，獨(dú)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(gè)方面。首先，對(duì)于植被較稀疏的地區(qū)使用衛(wèi)星復(fù)雷達(dá)圖獲得圖像間的干涉條紋。其次，由于礦山地區(qū)的獨(dú)特性，在雷達(dá)反饋圖上能呈現(xiàn)明顯區(qū)別于周邊山村的干涉條紋，用來(lái)判斷礦山地區(qū)的地理位置。再次，傳統(tǒng)的GPS融合技術(shù)精確度明顯落后于INSAR技術(shù)，困難地區(qū)用雷達(dá)觀測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。另外，雷達(dá)衛(wèi)星成像不受到時(shí)間限制，全天候的觀測(cè)提高了精準(zhǔn)度，并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，還能大面積的觀測(cè)。此外，為使地面沉降和大氣相位的誤差逐漸減少，INSAR技術(shù)融合了干涉堆棧技術(shù)，彌補(bǔ)了雷達(dá)技術(shù)的不足。

2.4 GPS和INSAR融合觀測(cè)技術(shù)極其應(yīng)用

GPS和INSAR融合的觀測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，新技術(shù)是在取長(zhǎng)補(bǔ)短的基礎(chǔ)上，在地面沉降觀測(cè)中進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷更有說(shuō)服力。一方面是GPS觀測(cè)技術(shù)對(duì)空間分辨率的變形監(jiān)測(cè)效果欠缺，測(cè)點(diǎn)的布控由于分辨率低的因素導(dǎo)致空間測(cè)點(diǎn)不精確，但其在時(shí)間高分辨上對(duì)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確度有很大的貢獻(xiàn)。另一方面是INSAR技術(shù)在空間分辨率上達(dá)到了20m×20m，空間測(cè)點(diǎn)信息全面，區(qū)域性的成片測(cè)點(diǎn)具有連續(xù)性，但衛(wèi)星雷達(dá)監(jiān)測(cè)受到時(shí)間限制，重復(fù)周期短，時(shí)間分辨率受到周期影響，因而不能提供更為全面的時(shí)間分辨率。由此可以看出，單一地使用某種觀測(cè)技術(shù)不能在時(shí)間和空間上同時(shí)實(shí)現(xiàn)全面的觀測(cè)效果，在地面沉降的觀測(cè)中不能提供準(zhǔn)確、全面、范圍廣泛的分辨信息，因此需要兩種技術(shù)的相互融合，提高礦山地區(qū)地面沉降的觀測(cè)效率。

2.5 三維激光掃描技術(shù)極其應(yīng)用

三維激光掃描監(jiān)測(cè)適用于地表變形的監(jiān)測(cè)，三維激光使用的儀器是集合了光、機(jī)、電三種要素的激光掃描儀。三維監(jiān)測(cè)強(qiáng)調(diào)了三維立體的監(jiān)測(cè)，最初是運(yùn)用于地面的建筑物測(cè)量，現(xiàn)已拓展到礦山生產(chǎn)的地面沉降測(cè)量。此種三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在礦坑監(jiān)測(cè)、礦山井塔、礦坑邊坡高程監(jiān)測(cè)中，具有高精密、采集信息量大、方便采集、具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)后處理能力等優(yōu)勢(shì)。

2.6 數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量及其應(yīng)用

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是實(shí)現(xiàn)地面沉降觀測(cè)的數(shù)字化和自動(dòng)化的體現(xiàn)。數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)反饋的數(shù)字信息或是數(shù)字?jǐn)z像進(jìn)行讀取，區(qū)別于傳統(tǒng)的測(cè)量，其最大的特點(diǎn)是，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)替代人眼的立體觀測(cè)，其實(shí)質(zhì)在于將獲得的數(shù)字影像，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)建立成數(shù)字地面模型和正射影像圖，并經(jīng)過(guò)對(duì)比數(shù)字地面模型來(lái)將各個(gè)區(qū)域沉降情況分析出來(lái)。因此，該種觀測(cè)技術(shù)運(yùn)用在地形較為復(fù)雜的礦山地區(qū)具有很大的優(yōu)勢(shì)。

總而言之，礦山開(kāi)采地面沉降觀測(cè)技術(shù)已經(jīng)向高精度、高效率發(fā)展，應(yīng)用先進(jìn)的地面沉降觀測(cè)技術(shù)，能夠及時(shí)預(yù)測(cè)地面沉降的趨勢(shì)和規(guī)律，不僅減輕了人類直觀監(jiān)測(cè)的工作量，還為礦山的安全生產(chǎn)提供可靠的安全保障。此外，礦山的地面沉降防治措施是一項(xiàng)重要工程，需要整合人力、物力、財(cái)力資源，齊心協(xié)力才能達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害的防治效果。

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