劉春和，龍 柱

（湖南省有色地質勘查局二總隊，湖南 湘潭 411102）

隨著金屬礦區(qū)開發(fā)規(guī)模不斷擴大，礦區(qū)地質災害發(fā)生率逐漸上升，不僅影響了區(qū)域地質結構的穩(wěn)定性，也對安全生產(chǎn)及效益增收造成不利[1]。礦山開采不僅破壞生態(tài)環(huán)境和地貌景觀，更易引起地質災害[2-4]，由此對于礦山生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測、質量評價和治理就顯得尤為重要[5]。以3S技術為核心的空間信息技術在科技與經(jīng)濟加速發(fā)展的帶動下發(fā)展快速，使得礦山測量的難題得到有效解決[6]。為基本掌握礦山采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)的剩余移動特征，預測未來變化發(fā)展趨勢，對采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)進行地面變形監(jiān)測。通過定期重復觀測，積累準確、可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為后續(xù)控制或防治地面變形提供規(guī)劃和決策依據(jù)，為后續(xù)治理工程設計與施工提供工程參考數(shù)據(jù)。地面變形監(jiān)測對象有地表水平位移、地表垂直位移以及地表裂縫等。具體來說，就是按照采空區(qū)地面變形影響范圍區(qū)分布情況、開采深度、地質條件變化、地表變形異常、監(jiān)測目的等情況布設。

對地下水環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)測的目的在于，查明水文地質條件，如地下水徑流、補給以及排泄條件等。當明確礦區(qū)所處地下水動態(tài)規(guī)律，就可為地下水資源科學管理提供可靠的科學數(shù)據(jù)。具體檢測工作，需在地下水動態(tài)檢測過程安裝自動監(jiān)測儀進行監(jiān)測，以監(jiān)測地下水水位變化趨勢為主，記錄日內最高水位、最低水位及其發(fā)生時間。

為了明確2019年度～2022年度生態(tài)系統(tǒng)恢復現(xiàn)狀，采用無人機對全區(qū)進行航拍攝影，對礦區(qū)生態(tài)格局和社會環(huán)境進行空中（航拍）監(jiān)測，明確生態(tài)系統(tǒng)恢復現(xiàn)狀。生態(tài)宏觀監(jiān)測以無人機對全區(qū)進行航拍攝影，制作DLG（數(shù)字線劃圖）的方式進行。工程監(jiān)測使用無人機對全區(qū)進行航攝，制作DOM（數(shù)字正射影像圖），并對分項分部工程進行錄像與攝影。

1 作業(yè)區(qū)自然地理概況

1.1 礦區(qū)地理位置

譚家山鎮(zhèn)處在湘潭縣中南部，與縣城距離約15km。107國道由北往南穿境而過，將該鎮(zhèn)劃分為東西兩個區(qū)域。群山環(huán)繞簇擁，山、路、水、林、田相互交錯，屬典型的丘陵地區(qū)。如圖1所示，為譚家山鎮(zhèn)區(qū)域的行政地圖。

圖1 區(qū)域行政地圖

譚家山礦區(qū)地處印支與燕山山脈的褶皺帶，且湘東裂谷新生代株洲盆地與湘潭盆地間的斷隆區(qū)。地質構造為東西方向發(fā)育。礦區(qū)內的氣候環(huán)境溫和，全年濕潤多雨，無嚴寒酷暑等惡劣情況，屬溫熱帶氣候條件。年均降雨量在1700mm～2000mm之間，是地下水補給的主要來源。由于礦區(qū)內部無河流，所以地表水系發(fā)育較差。據(jù)勘察，礦區(qū)內部以礦區(qū)中心的士地廟區(qū)水文地質條件最為復雜。

1.2 礦區(qū)采空區(qū)

成立于1958年的譚家山礦，位于湘潭縣譚家山鎮(zhèn)境內，經(jīng)過數(shù)十年大規(guī)模、高強度的開采，形成的采空區(qū)具有面積大特點。再加上，土地資源的浪費問題嚴重，出現(xiàn)了水土流失與環(huán)境污染問題。礦區(qū)開采過程的人居安全問題頻發(fā)，已經(jīng)被列為省內重點救災項目。譚家山礦區(qū)累計開采量達到1500萬噸以上，譚家山礦區(qū)資源不僅已經(jīng)臨近枯竭，而且在采空區(qū)形成了大面積的沉陷。采空區(qū)上覆巖層土體受到重力問題影響出現(xiàn)了剝離、彎曲甚至是冒落現(xiàn)象。此地質背景下，土體與建筑物出現(xiàn)了大面積變形，在降低耕地質量的同時，還對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。據(jù)勘測，在7.88平方公里礦區(qū)，沉陷區(qū)面積高達6.8平方公里，其中采空區(qū)面積達3.08平方公里。

2 監(jiān)測實施原理

2.1 地面監(jiān)測系統(tǒng)基準網(wǎng)

在工程區(qū)域外穩(wěn)定可靠的位置，布置的檢測基準點有4個。結合實際情況，將布設在金泉村的基準點，作為監(jiān)測工作基點。同時在老關-譚家山公路附近布設一個基準點，在鐵爐村布設一個基準點，在譚家山村以東位置布設一個基準點。由此，就形成了四邊形網(wǎng)，用作水平與垂直位移方向的檢測基準網(wǎng)絡?；鶞庶c前冠以JD1、JD2、JD3、JD4標示，基準點埋設需按照規(guī)格進行，生態(tài)修復工程監(jiān)測部署圖如圖2所示。

圖2 生態(tài)修復工程監(jiān)測部署圖

本次項目采用GPS單點定位方法獲得基準站點位三維坐標?；鶞庶c坐標值以現(xiàn)場人力采集數(shù)據(jù)為主，使用四臺GPS接收機安置在基準點上，同步觀測相同的4顆以上GPS衛(wèi)星，以獲得點位坐標值。同時測站點（監(jiān)測站）點位的布設應能保證與基準點之間的通視，通視可觀測到測站點，如圖3所示，測站點坐標值同樣采用GPS單點定位方法。

圖3 測站點布設示意圖

2.2 地表位移監(jiān)測

位移監(jiān)測剖面布設（水平位移、垂直位移）在采空區(qū)地面主變形區(qū)（DB01-DB04）及潛在變形區(qū)布設方格控制網(wǎng)監(jiān)測剖面，控制主變形區(qū)及潛在變形區(qū)水平、沉降變化情況。方格網(wǎng)監(jiān)測剖面與等高線近似垂直，自南向北跨過變形區(qū)及潛在變形區(qū)。監(jiān)測點位選擇應根據(jù)變形體的幾何特征、變形特征等確定監(jiān)測點。若測區(qū)觀測條件困難，應盡量將觀測點布設在能反映變形體穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測斷面上。布設地表水平與垂直位移監(jiān)測點66個，點間距150m～200m不等，如圖4所示。

圖4 地表水平與垂直位移監(jiān)測點

監(jiān)測點一般布設變形區(qū)域上能代表變形體位移變化的監(jiān)測斷面上，用于全站儀觀測之用。采空區(qū)地表建筑物監(jiān)測點位選擇應根據(jù)變形體的幾何特征、變形特征等確定監(jiān)測點，布設建（構）物垂直位移監(jiān)測點364個，每座重點建（構）物房柱布設2個～3個點。監(jiān)測方法如下：

（1）監(jiān)測控制網(wǎng)建立。先對各個基準點進行確定，并把測站點的高程與平面坐標，作為動態(tài)檢測的參照。

（2）監(jiān)測點學習。由于監(jiān)測處在軟件控制環(huán)境下，因此，需要逐點進行監(jiān)測點角度與距離的測量學習，即通過錄入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，來為后續(xù)的監(jiān)測提供自動定位數(shù)據(jù)信息。

（3）日常監(jiān)測。運用AutoMos Monitor及CDMA以及通訊模塊。并設置差分基準點形成聯(lián)測方案。對于每臺儀器監(jiān)測的變形監(jiān)測點，應根據(jù)既定觀測數(shù)據(jù)遵循再散點觀測原則來開展檢測現(xiàn)場學習。學習完成后，來確定檢測時間間隔與各點的觀測順序。由此，再經(jīng)上述軟件模塊，來完成自動化的常規(guī)監(jiān)測控制。

2.3 地表裂縫監(jiān)測

根據(jù)地裂縫的長度、寬度、走向等情況，布設地表巨型裂縫LF01監(jiān)測點11處，另地質斷裂帶可能高發(fā)處布設3個監(jiān)測點，如圖5所示。

圖5 地表裂縫監(jiān)測部署圖

觀測過程中應用固定鋼尺或卷尺對簡易裂縫監(jiān)測點進行量測。每次采集數(shù)據(jù)時應采用多次量測的方法，最后取其平均值作為本次測量的最后結果進行記錄計算。巨型裂縫監(jiān)測點采用高智能型測縫計進行自動觀測，自動存儲每次所測量的數(shù)據(jù)，循環(huán)記錄。

2.4 地下水自動監(jiān)測

地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)點的密度，需按照水文地質情況、地下水資源供水條件以及動態(tài)監(jiān)測結果，區(qū)域地下水位變化情況合理地選定。對于主要監(jiān)測線，應設置專門的監(jiān)測機構。具體來說，就是在監(jiān)測線外，設置由勘探孔、探采、民井結合孔以及機井構成的自動監(jiān)測系統(tǒng)。本次共設置11個監(jiān)測孔，并安裝自記水位采集儀，如圖6所示。

圖6 水位監(jiān)測部署圖

對11個水文勘察鉆孔安裝地下水自動監(jiān)測裝置，監(jiān)控礦區(qū)地下水位變化趨勢，施工期和竣工后一年監(jiān)測，監(jiān)測頻率20min一次，監(jiān)測周期48個月。靜水位測量，兩次測量最大誤差不大于±1cm/10m。

2.5 生態(tài)恢復監(jiān)測

為了明確2019年度～2022年度生態(tài)系統(tǒng)恢復現(xiàn)狀，采用無人機對治理范圍全區(qū)進行航拍攝影。地面像元分辨率一般不得低于0.08m。航向重疊一般應在60%～80%之間，旁向重疊在40%～60%之間。通過生態(tài)宏觀監(jiān)測對礦區(qū)生態(tài)格局和社會環(huán)境進行空中（航拍）監(jiān)測，每年度全域一次。

在測區(qū)四周各布設一個像控點，中間布設一個像控點，共布設5個像控點。如精度達不到要求時，需合理增加像控點，以保證精度。像控點布設主要在Google Earth上進行，采用KMZ模式，得到最終的像控點分布圖。使用網(wǎng)絡CORS對像控點進行量測，測量過程中將像控點的點位編號、坐標值和拍攝控制點的遠景與近景照片進行匯總。設置無人機航線并進行航拍，使用軟件進行數(shù)據(jù)處理，將無人機航拍正射影像圖和外業(yè)采集的像控點數(shù)據(jù)進行處理，生成數(shù)字線劃圖（DLG）。之后對野外得到的原始影像進行預處理，制作快拼圖。進行空三加密，控制點選擇了整個區(qū)域的四周控制點以及中心點5個，導入控制點數(shù)據(jù)。隨即進行DEM生產(chǎn)密集匹配，點云處理，一鍵式生產(chǎn)數(shù)字高程模型DEM。然后進行DOM生產(chǎn)，經(jīng)過正射拼接，正射編輯等操作得到DOM（正射影像圖）。根據(jù)以上DOM和DEM成果利用軟件進行數(shù)字線劃圖DLG。在預處理好原始數(shù)據(jù)之后，主要處理步驟有確定監(jiān)測點、測量空中三角、形成正射影像和重建三維模型。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)整理與分析

3.1 變形和水位監(jiān)測數(shù)據(jù)整理

為給變形監(jiān)測成果提供便利的條件，需把變形值設置成各種圖表形式。具體就是將變形監(jiān)測成果繪制成變形監(jiān)測位移增量表與變形過程線，來進行分析。這里的變形監(jiān)測，要處于相對變形狀態(tài)。在整理觀測數(shù)據(jù)信息過程中，初始值，應確定為各個觀測點的零周期值。并對每次觀測值獲取后的數(shù)據(jù)進行初始值差的計算，以獲取觀測點從零周期開始積累變形量與觀測點情況。此外，觀測點相鄰周期的變形量，可通過形成位移增量成果表，并繪制出變形過程線圖。這一線圖，要把時間作為橫坐標，累積變形值為縱坐標，以反映出變形的趨勢、幅度和規(guī)律。此外，監(jiān)測數(shù)據(jù)整理人員還可根據(jù)變形過程線圖來判斷變形體的穩(wěn)定性狀態(tài)。

3.2 變形分析

按照實際監(jiān)測獲得的變形值，經(jīng)整編得出的圖形與表格，能夠明確反映出變形的規(guī)律、幅度和趨勢。通過長期觀測，能夠對變形的規(guī)律進行掌握，進而確定觀測點變形的范圍示意圖。對于異常情況，如坡底違規(guī)臨空開采、違規(guī)加載開挖等問題出現(xiàn)，就可從變形值超出變化范圍進行判斷。換句話說，就是根據(jù)變化范圍示意圖來確定變形體是否處于正常狀態(tài)。當實際分析缺乏理論根據(jù)時，就可根據(jù)此情況進行變形分析。在變形進行幾何分析的過程中，應對變形體的大小與形狀進行描述，以確定變形發(fā)生所處的空間狀態(tài)與時間特征，進而更好的確定監(jiān)測目標的作用狀態(tài)。具體分析數(shù)據(jù)有：參考點的穩(wěn)定性情況、觀測值的質量情況以及變形模型參數(shù)的估計情況。值得注意的是，變形的幾何分析只能對變形體的體積與大小變化進行描述，無法對變形原因做出解釋。要想掌握變形體與變形原因間的關系，需從物理角度，對變形體與變形因素之間的函數(shù)關系進行分析確定。這樣一來，就可對變形的發(fā)生原因作出解釋，并對變形的發(fā)展趨勢進行預報。本文采用的是統(tǒng)計分析法中的回歸分析法來進行物理解釋。因變形原因的物理解釋需要多學科知識的匯總，無法由測量人員完成。因而，在動態(tài)監(jiān)測過程中，如出現(xiàn)異常變形情況，應交由巖土工程技術人員或是工程地質技術人員，協(xié)同分析變形出現(xiàn)與加劇的原因。

4 結語

本文基于3S集成技術對礦區(qū)的采空區(qū)域進行地面、地下水以及生態(tài)修復監(jiān)測，分析變形情況并預判采空區(qū)的變形趨勢，3S技術的融合在礦山生態(tài)環(huán)境修復的預測和防治中發(fā)揮關鍵作用，為相關部門提供險情預警。