司炳新

（伊春市自然資源局，黑龍江 伊春 153000）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平飛速發(fā)展和科技水平不斷提高，對(duì)于能源以及資源的利用程度和要求也隨之上升。近年來(lái)對(duì)于自然資源的開(kāi)采過(guò)于頻繁，中國(guó)政府為此提出了可持續(xù)發(fā)現(xiàn)策略，保護(hù)國(guó)家的自然資源，維護(hù)生態(tài)平衡。但是由于長(zhǎng)時(shí)間對(duì)礦山資源的過(guò)度開(kāi)采，導(dǎo)致礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)惡化，地質(zhì)沉降是礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的[1]。地質(zhì)沉降從廣義上來(lái)講指的是自然以及人為因素的影響與共同作用下，形成的地面標(biāo)高降低。其中自然因素對(duì)于地面沉降的現(xiàn)象屬于普遍存在的歷史現(xiàn)象是不可避免的；而人為因素主要是指對(duì)礦區(qū)地下資源的采礦，破壞了原有的巖體內(nèi)的受力平衡而使得采空區(qū)周圍的地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，從而導(dǎo)致地上建筑物發(fā)生變形和損壞，甚至影響人們正常的生產(chǎn)和生活。為了能夠改善礦區(qū)地質(zhì)沉降情況，維護(hù)正常的礦區(qū)環(huán)境，緩解地質(zhì)沉降對(duì)于人們的影響需要采取一定的措施。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，對(duì)地質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)預(yù)測(cè)沉降趨勢(shì)，及時(shí)制定緩解策略，是改善礦區(qū)地質(zhì)沉降問(wèn)題較為有效的方案之一。在進(jìn)行地質(zhì)監(jiān)測(cè)的過(guò)程當(dāng)中需要使用一定的技術(shù)手段來(lái)輔助監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，保證該監(jiān)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性以及準(zhǔn)確性。在地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)當(dāng)中使用較多的技術(shù)為精密水準(zhǔn)技術(shù)，該技術(shù)是監(jiān)測(cè)結(jié)果必須達(dá)到每千米測(cè)量高差的偶然誤差不能超過(guò)1毫米的水準(zhǔn)測(cè)量。在礦山地質(zhì)勘察監(jiān)測(cè)中應(yīng)用精密水準(zhǔn)技術(shù)保證，地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方法的精度更高、效果更好。

1 礦區(qū)地質(zhì)沉降勘查監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

對(duì)礦區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘察監(jiān)測(cè)，需要對(duì)礦區(qū)的自然地理?xiàng)l件、氣候水文狀況以及地質(zhì)構(gòu)造等方面進(jìn)行地質(zhì)勘察與測(cè)量，經(jīng)過(guò)了解之后，埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，通過(guò)儀器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的精密采集以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

1.1 地質(zhì)測(cè)量?jī)x器埋設(shè)

若對(duì)礦區(qū)的地質(zhì)沉降進(jìn)行勘察監(jiān)測(cè)就必須分析地質(zhì)沉降影響因素以及采集與礦區(qū)地質(zhì)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)采集需要地質(zhì)測(cè)量?jī)x器。礦山地質(zhì)測(cè)量?jī)x器能夠支撐精密水準(zhǔn)技術(shù)的使用，在中國(guó)水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器系列當(dāng)中DS，等均屬于精密水準(zhǔn)儀。精密水準(zhǔn)儀有微傾式、自動(dòng)補(bǔ)償式和數(shù)字式，這種精密的水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器主要應(yīng)用于高精度測(cè)量工程[2]。選擇測(cè)量基站，在監(jiān)測(cè)基站內(nèi)埋設(shè)地質(zhì)測(cè)量?jī)x器，礦山地質(zhì)沉降測(cè)量?jī)x器的埋設(shè)工作主要分為幾個(gè)方向，首先，分層沉降埋設(shè)，將沉降的導(dǎo)管分段進(jìn)行連接，并按照監(jiān)測(cè)需求來(lái)埋設(shè)深度安放沉降磁環(huán)。利用沉降導(dǎo)管將沉降磁環(huán)埋設(shè)到一定的深度，為了減少地下水對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響，需要減少導(dǎo)管浮力，所以要將導(dǎo)管底口進(jìn)行堵塞處理并在其中注入部分水。利用鉆孔埋設(shè)法以及壓入法埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)。在深層土體向位移埋設(shè)部分當(dāng)中，將鉆機(jī)成孔到穩(wěn)定層，測(cè)斜導(dǎo)管的埋設(shè)深度在2米以上，使內(nèi)壁十字導(dǎo)向槽嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)測(cè)位移的方向，并人為規(guī)定正負(fù)方向，校對(duì)垂直度。最后，埋設(shè)地下水位監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)地下水位儀器需要PVC材料導(dǎo)管，且導(dǎo)管長(zhǎng)度要求含水層1m以上，具有一定強(qiáng)度保證在測(cè)量過(guò)程當(dāng)中不會(huì)因?yàn)榈叵滤疀_撞而發(fā)生變形。將所有測(cè)量?jī)x器進(jìn)行埋設(shè)之后借助通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出監(jiān)測(cè)結(jié)果。

1.2 礦區(qū)地質(zhì)沉降相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量

在儀器埋設(shè)好基礎(chǔ)上，用計(jì)算機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，采集引起地質(zhì)沉降的各項(xiàng)影響因素?cái)?shù)據(jù)采集。由于礦區(qū)地質(zhì)沉降的類型分為構(gòu)造沉降、抽水沉降和采空沉降三種類型，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過(guò)程中主要采集這三種沉降類型數(shù)據(jù)，具體影響參數(shù)如表1所示。

表1 礦區(qū)地質(zhì)沉降相關(guān)影響參數(shù)表

從表中數(shù)據(jù)可以看出，針對(duì)三個(gè)類型的沉降影響參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與測(cè)量。構(gòu)造沉降類型是由于地殼沉降運(yùn)動(dòng)引起的地面下沉現(xiàn)象，所以地殼位移的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括：位移變形的速度、區(qū)域位移量、滑體活動(dòng)范圍等，由于地質(zhì)沉降現(xiàn)象是由于地層深部運(yùn)動(dòng)最終在地表形成沉降現(xiàn)象，所以針對(duì)地層深部位移監(jiān)測(cè)以及地表位移監(jiān)測(cè)都是十分必要的[3]。地表位移監(jiān)測(cè)分為垂直方向上的位移和水平平面方向上的位移，通常情況下采用精密水準(zhǔn)的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量，最終的測(cè)量結(jié)果以三維圖像或影像的方式輸出，這樣既可以體現(xiàn)出該區(qū)域地表的垂直位移變化狀態(tài)也可以體現(xiàn)出水平位移的狀態(tài)。而對(duì)于地層深處的位移現(xiàn)象，需要借助埋設(shè)在地下的測(cè)量?jī)x器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的使用方法為電阻絲法和測(cè)斜儀法。

關(guān)于抽水沉降類型中地下水的活動(dòng)狀態(tài)是引起地質(zhì)沉降問(wèn)題的最重要的原因，在不同溫度、不同氣候環(huán)境下，地下水的活動(dòng)規(guī)律也各不相同，為此需要對(duì)地下水的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析出其規(guī)律，方便地質(zhì)沉降預(yù)測(cè)，及時(shí)制定應(yīng)對(duì)措施，緩解沉降現(xiàn)象給人們帶來(lái)的影響。在地下水監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為地下水的水位變化情況以及地下水?dāng)?shù)量變化情況，監(jiān)測(cè)地下水的變化是否引起明顯的地質(zhì)沉降，為預(yù)防泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供可靠、準(zhǔn)確的預(yù)警信息數(shù)據(jù)資料。為了能夠?qū)崿F(xiàn)地質(zhì)沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔進(jìn)行設(shè)置，通常情況下設(shè)置固定的采樣時(shí)間為30分鐘，即每30分鐘計(jì)算機(jī)控制終端就會(huì)發(fā)布一次地質(zhì)沉降相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)采集指令到測(cè)量?jī)x器端口，不同的測(cè)量?jī)x器針對(duì)不同的影響參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳送到計(jì)算機(jī)端進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理。

1.3 數(shù)據(jù)精密預(yù)處理及分析

將精密測(cè)量?jī)x器采集地質(zhì)沉降影響參數(shù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理進(jìn)而分析。數(shù)據(jù)精密處理首先需要將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)當(dāng)中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)需要結(jié)合精密軌道數(shù)據(jù)，初始數(shù)據(jù)以及圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后可以生成標(biāo)準(zhǔn)的SLC數(shù)據(jù)文件，文件當(dāng)中除了影響參數(shù)的數(shù)據(jù)之外，還有數(shù)據(jù)獲取模式、時(shí)間以及地理矢量范圍等全部數(shù)據(jù)信息。需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)文件借助二軌方法進(jìn)行差分干涉處理[4]。在此之前還要對(duì)影響數(shù)據(jù)進(jìn)行一下基線估算處理，評(píng)價(jià)干涉影響質(zhì)量，從而使形變精度隨相干性的增加而提高。由于在位移監(jiān)測(cè)方面輸出的數(shù)據(jù)是空間坐標(biāo)的形式，所以要將其他數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換成為空間三維坐標(biāo)形式，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中一定要保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與精確性，避免監(jiān)測(cè)結(jié)果與其他空間信息疊加產(chǎn)生偏移。最后，將預(yù)處理生成的形變圖與矢量圖進(jìn)行疊加得出數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果，并進(jìn)行定量與定性分析，將監(jiān)測(cè)結(jié)果與精密水準(zhǔn)數(shù)據(jù)相比較，進(jìn)一步驗(yàn)證礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的可行性。

1.4 去除地形失相干

精密水準(zhǔn)的地質(zhì)沉降信息的獲取與數(shù)據(jù)處理是在精密水準(zhǔn)干涉圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行，在精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，獲得監(jiān)測(cè)信號(hào)會(huì)受到多種因素影響，導(dǎo)致相干性很低或者失去相干性，也就使得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不具有使用價(jià)值，通常情況下導(dǎo)致失相干的因素有很多，在礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)當(dāng)中將失相干分為：空間和時(shí)間方面失相干，則監(jiān)測(cè)結(jié)果總失相干可以表示為：

公式中λtotal為總失相干，λgeom為空間失相干，λtemporal代表時(shí)間失相干。空間失相干的形式是精密水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行兩次重復(fù)測(cè)量當(dāng)中由于基線距離的角度不同導(dǎo)致的誤差，那么空間失相干可以用公式2來(lái)表示：

其中α為測(cè)量?jī)x器測(cè)量的角度，Ry是分辨率，B⊥是空間基線的垂直分量，而d是斜距距離。時(shí)間失相干的形成原因是在重復(fù)獲取數(shù)據(jù)信息時(shí)，在時(shí)間間隔之內(nèi)地表產(chǎn)生的微小變化，而數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間間隔即為時(shí)間基線[5]。因此時(shí)間失相干的表述如公式3所示。

公式中ηy、是測(cè)量?jī)x器在垂直和水平兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，t是時(shí)間間隔。應(yīng)用最小二乘原理以及奇異值分解方式去除地形的失相干，去除的表達(dá)式如4所示。

1.5 提取沉降區(qū)域生成沉降圖完成監(jiān)測(cè)

將多個(gè)去除地形失相干的相位表示主數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)在兩個(gè)獲取時(shí)間之間的相位變化平均速度與時(shí)間的乘積，就可以獲得時(shí)間形變序列，即

采集的所有地形信息按照公式5進(jìn)行計(jì)算，最終得出一個(gè)M × N形式的矩陣A，由此一來(lái)利用奇異值分解方法即可以求出第N+1個(gè)數(shù)據(jù)之間N個(gè)時(shí)間段的相位值平均形變速率，將得出的平均形變速率與時(shí)間間隔相乘，就能夠得到監(jiān)測(cè)的最終結(jié)果進(jìn)行累加就能得到累計(jì)沉降值。設(shè)定累計(jì)沉降值的正常范圍為0.1-2，則當(dāng)求出的累計(jì)沉降值高于正常范圍時(shí)就判定該礦區(qū)地質(zhì)出現(xiàn)沉降趨勢(shì)，需要立即對(duì)沉降區(qū)進(jìn)行提取，首先，生成等高線，將值為零的高線生成矢量數(shù)據(jù)提取范圍，以其為參考范圍將下沉區(qū)域提取出來(lái)，由于每個(gè)像元值代表的是下沉量，這樣就去除了非下沉區(qū)域[6]。然后使用重分類功能將不同下沉區(qū)域區(qū)分開(kāi)來(lái)進(jìn)而生成沉降區(qū)域圖，方便進(jìn)行解決方案的制定。

2 模擬實(shí)驗(yàn)分析

在精密水準(zhǔn)的條件下進(jìn)行的礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)時(shí)，最終目的是通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)的地質(zhì)沉降情況，并對(duì)地質(zhì)沉降的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)制定應(yīng)對(duì)方案。為了驗(yàn)證該監(jiān)測(cè)方法在實(shí)際礦區(qū)沉降當(dāng)中具有使用價(jià)值進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測(cè)指標(biāo)如表2所示。

表2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)主要指標(biāo)表

圖1 模擬礦區(qū)橫向沉降剖面圖

照表中的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，為了更加凸顯該監(jiān)測(cè)方法的使用性設(shè)立對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)比實(shí)驗(yàn)選擇傳統(tǒng)的地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方式。模擬實(shí)驗(yàn)中對(duì)比組與實(shí)驗(yàn)組選擇相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，保證模擬實(shí)驗(yàn)的變量唯一。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中主要對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的監(jiān)測(cè)誤差情況以及監(jiān)測(cè)精度作為實(shí)驗(yàn)變量，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集、處理等一系列實(shí)驗(yàn)過(guò)程最終提取地質(zhì)沉降精密信息，從而得出模擬礦區(qū)沉降中心區(qū)域以及沉降邊緣區(qū)域的形變檢測(cè)結(jié)果，將不同時(shí)間采集的沉降值并制成橫向和縱向的剖面圖，其中橫向剖面結(jié)果如圖1所示。

按照模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)該礦區(qū)的沉降現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將兩種礦區(qū)地質(zhì)沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差值進(jìn)行對(duì)比，得出誤差對(duì)比曲線如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)比曲線圖

監(jiān)測(cè)誤差產(chǎn)生的可能性包括：圖像分辨率的制約、精密水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不對(duì)應(yīng)，沉降梯度過(guò)大等，從圖中的曲線變化情況可以看出，設(shè)計(jì)出的基于精密水準(zhǔn)礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)方法可以將誤差的浮動(dòng)范圍控制在0-5之間，且更加趨近于0。相比之下傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法的誤差最高的情況會(huì)超過(guò)10，由此可以看出設(shè)計(jì)出的監(jiān)測(cè)方法對(duì)于礦區(qū)的地質(zhì)沉降信息具有較高的精確率。

3 結(jié)語(yǔ)

礦區(qū)地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)對(duì)于礦產(chǎn)事業(yè)具有重要作用，監(jiān)測(cè)過(guò)程包含了信息收集、傳輸、處理等多個(gè)方面，在信息技術(shù)引領(lǐng)時(shí)代的大環(huán)境下，越來(lái)越多的現(xiàn)代化技術(shù)、設(shè)備被應(yīng)用在地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)中，例如精密水準(zhǔn)技術(shù)，這些科學(xué)技術(shù)為礦產(chǎn)事業(yè)提供了新型的檢測(cè)手法，使得得到的監(jiān)測(cè)信息具有高精度、高可靠等優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)如今精密水準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到地質(zhì)沉降監(jiān)測(cè)當(dāng)中，且取得了良好的監(jiān)測(cè)成果。