礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

高文 王華 侯凌志

摘要：礦山地質(zhì)災(zāi)害不僅會(huì)直接影響到礦山地質(zhì)環(huán)境，而且會(huì)對(duì)生命安全造成嚴(yán)重威脅，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警非常重要。針對(duì)礦山開采可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害，在介紹礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和常用地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警體系進(jìn)行了介紹，并對(duì)其應(yīng)用案例高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警進(jìn)行了分析，為其他礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)措施設(shè)計(jì)提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì)災(zāi)害；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)預(yù)警；GNSS監(jiān)測(cè)

1.前言

我國(guó)礦產(chǎn)資源十分豐富，采礦業(yè)在我國(guó)歷史悠久，特別是近20年來(lái)，礦業(yè)開發(fā)程度不斷加大，采礦活動(dòng)引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題逐漸展現(xiàn)出來(lái)，主要有礦山地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和水土污染等，其中礦山地質(zhì)災(zāi)害最為普遍和突出。礦山地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，不僅會(huì)直接影響到礦山地質(zhì)環(huán)境，而且會(huì)對(duì)生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警的重要性也突顯出來(lái)。我國(guó)地質(zhì)工作者對(duì)礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了許多的研究，制定了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)和演化過(guò)程研究，提出了礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式和技術(shù)方法。本文對(duì)礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了介紹，提出了建立依托地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的自動(dòng)、高效、及時(shí)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化全時(shí)監(jiān)測(cè)和監(jiān)測(cè)預(yù)警，達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的目的。

2.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

礦山地質(zhì)災(zāi)害主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不穩(wěn)定斜坡等[2]。針對(duì)不同的地質(zhì)災(zāi)害類型，礦山在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中可采取不同的監(jiān)測(cè)方法。在礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和土地復(fù)墾方案中，一般設(shè)計(jì)的專業(yè)監(jiān)測(cè)方法有：雨量觀測(cè)、裂縫測(cè)量監(jiān)測(cè)、變形測(cè)量監(jiān)測(cè)、深層側(cè)向位移監(jiān)測(cè)、GPS測(cè)量監(jiān)測(cè)等，測(cè)量?jī)x器一般為全站儀、經(jīng)緯儀、GPS、測(cè)距儀、裂縫計(jì)、地應(yīng)力計(jì)等。在實(shí)際應(yīng)用中常受到通信條件、地形、天氣等限制，部分儀器專業(yè)性較強(qiáng)難以操作，監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間較長(zhǎng)且不連續(xù)，加密監(jiān)測(cè)頻率則使得外業(yè)工作量大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)經(jīng)費(fèi)投入較大，最終形成礦山企業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)工作落實(shí)情況較差和監(jiān)測(cè)效果較差的局面。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐漸提高，監(jiān)測(cè)設(shè)備也越來(lái)越智能化。周密、喻小等運(yùn)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)對(duì)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中取得了良好效果；楊乾坤、杜建濤等用合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)運(yùn)用于地面塌陷測(cè)量和監(jiān)測(cè)，對(duì)其測(cè)量精度和監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行了論證。此外，陳蒙等在綠色礦山建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中采用了無(wú)人機(jī)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算手段。因此越來(lái)越多的高新技術(shù)也應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警中來(lái)，為礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供了更多有效的方法。

3.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法

礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警和群測(cè)群防的有效手段，監(jiān)測(cè)方法應(yīng)以操作性強(qiáng)、效果好的措施為主。一般宏觀監(jiān)測(cè)方法為人工巡查觀測(cè)，專業(yè)監(jiān)測(cè)則是借助各種儀器按照監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜坡監(jiān)測(cè)

滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜坡是礦山地質(zhì)災(zāi)害中最常見的地質(zhì)災(zāi)害類型，許多礦業(yè)活動(dòng)區(qū)域都會(huì)形成滑坡和不穩(wěn)定斜坡，比如露天采場(chǎng)、排土場(chǎng)、礦山公路等。監(jiān)測(cè)措施主要有：

（1）地表位移監(jiān)測(cè)。地表位移監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)測(cè)量滑坡體、崩塌體和不穩(wěn)定斜坡的垂直位移、水平位移和裂縫來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法有：大地測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS監(jiān)測(cè)、三維激光掃描、InSAR監(jiān)測(cè)、標(biāo)樁或裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)等。標(biāo)樁或裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)能觀測(cè)裂縫發(fā)展情況和趨勢(shì)，其余方法能比較直觀地觀測(cè)出滑坡體、崩塌體和不穩(wěn)定斜坡的地表位移、變形發(fā)展情況。

（2）深部位移監(jiān)測(cè)。深部位移監(jiān)測(cè)方法主要有測(cè)縫法、鉆孔位移計(jì)監(jiān)測(cè)法和鉆孔傾斜測(cè)量法。其專業(yè)性較強(qiáng)，一般用于大型滑坡監(jiān)測(cè)中，能測(cè)量滑動(dòng)面位置和滑體變形速率，判斷滑坡穩(wěn)定性，判定滑坡主滑方向和滑坡治理工程效果。

（3）相關(guān)因素監(jiān)測(cè)。相關(guān)因素監(jiān)測(cè)視地質(zhì)災(zāi)害具體情況而定，主要有土壤含水量監(jiān)測(cè)、巖土應(yīng)力監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)等。

3.2泥石流監(jiān)測(cè)

當(dāng)?shù)V山棄渣場(chǎng)、排土場(chǎng)、尾礦庫(kù)等大量松散巖土物質(zhì)沿溝谷、坡面堆積時(shí)，即成為形成泥石流物源，在雨量條件達(dá)到時(shí)，極易引發(fā)泥石流。泥石流監(jiān)測(cè)專業(yè)性較強(qiáng)，一般需安裝專業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。泥石流監(jiān)測(cè)方法有：雨量監(jiān)測(cè)法、視頻監(jiān)測(cè)法、泥位監(jiān)測(cè)法、傾斜棒監(jiān)測(cè)法、流速監(jiān)測(cè)法等。

3.3采空塌陷監(jiān)測(cè)

當(dāng)?shù)V山開采方式為地下開采時(shí)，在地下形成采空區(qū)，造成采空區(qū)上方的巖土體應(yīng)力失衡失穩(wěn)而引起的地面塌陷，伴生地裂縫，甚至滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害。采空塌陷和地裂縫監(jiān)測(cè)方法有：大地測(cè)量、水準(zhǔn)測(cè)量、GNSS監(jiān)測(cè)、InSAR監(jiān)測(cè)、裂縫計(jì)監(jiān)測(cè)等。

4.礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)體系

由于監(jiān)測(cè)方法的多種多樣，礦山應(yīng)根據(jù)礦山地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估結(jié)果，結(jié)合礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案，制定專業(yè)的監(jiān)測(cè)方案，選擇易操作、經(jīng)濟(jì)、高效的新方法新技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，落實(shí)礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)義務(wù)，完善礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警和群防群測(cè)的目的。目前，監(jiān)測(cè)技術(shù)已十分成熟，基于各自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備搭建的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警平臺(tái)體系的優(yōu)勢(shì)逐漸展現(xiàn)出來(lái)，解決了以往傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了省、市、縣三級(jí)信息互聯(lián)互通的功能實(shí)時(shí)共享。

以四川省綿陽(yáng)市為例，綿陽(yáng)市于2018年建立了地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防簡(jiǎn)易自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系，其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)接收安裝在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)上的監(jiān)測(cè)站傳輸返回的數(shù)據(jù)信息，達(dá)到專家和相關(guān)技術(shù)人員設(shè)定的限值則自動(dòng)預(yù)報(bào)預(yù)警，同時(shí)發(fā)布電話短信信息給所在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的責(zé)任人，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害迅速應(yīng)急反應(yīng)和群測(cè)群防的目的。綿陽(yáng)市的各礦山企業(yè)均可利用該平臺(tái)，購(gòu)置安裝與相匹配的專業(yè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，將礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)融入地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系中去，確保了監(jiān)測(cè)的及時(shí)性和有效性。

5.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系應(yīng)用

綿陽(yáng)市安州區(qū)高川磷礦在礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與土地復(fù)墾方案中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方案就是結(jié)合綿陽(yáng)市地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防簡(jiǎn)易自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行的專業(yè)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。

高川磷礦位于安州區(qū)高川鄉(xiāng)，處于四川龍門山褶斷帶與四川盆地結(jié)合部，地勢(shì)陡峻，切割深，屬于構(gòu)造剝蝕中山區(qū)，相對(duì)高差一般400m～600m，山體坡度在30°～45°之間，局部在60°以上。氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有氣候溫和，雨量充沛，年均降水量在1261mm左右，最大年降雨量1700mm（2013年），降水量主要集中在每年的6月～9月。據(jù)四川省2017年綿陽(yáng)市安州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患排查結(jié)果顯示，該地區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。2019年，在進(jìn)行礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查后，在礦區(qū)周邊發(fā)現(xiàn)有大竹坪滑坡（HP1）、大坪滑坡（HP2）、三岔溝火石溝泥石流（N1）、采空塌陷區(qū)（T1）四處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，對(duì)以上四個(gè)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀評(píng)估和預(yù)測(cè)評(píng)估，圈定了預(yù)測(cè)采空塌陷區(qū)（YT1）。高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害多而復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害影響程度現(xiàn)狀評(píng)估與預(yù)測(cè)評(píng)估均為嚴(yán)重。本礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)為“人工巡視觀測(cè)+自動(dòng)雨量監(jiān)測(cè)站+巖石應(yīng)力計(jì)+裂縫自動(dòng)監(jiān)測(cè)+GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)”的綜合監(jiān)測(cè)方案，對(duì)礦山及周邊的滑坡、泥石流、采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)見圖2。

具體地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)為：

①對(duì)預(yù)測(cè)塌陷區(qū)（已塌陷區(qū)和）進(jìn)行定期人工巡視觀測(cè)，以工業(yè)場(chǎng)地、道路為巡視觀測(cè)重點(diǎn)，兼顧排水溝、攔砂壩等治理恢復(fù)工程設(shè)施，觀測(cè)頻率為半月一次，雨季加密觀測(cè)頻率；②在三岔溝上游路邊的泥石流影響范圍之外設(shè)立自動(dòng)雨量站，實(shí)施監(jiān)測(cè)并向綿陽(yáng)市監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)傳輸該地區(qū)雨量數(shù)據(jù)，達(dá)到雨量預(yù)警值時(shí)實(shí)時(shí)發(fā)送預(yù)警信息至專職監(jiān)測(cè)員，及時(shí)組織進(jìn)行泥石流避險(xiǎn)；③礦山生產(chǎn)時(shí)，因采空區(qū)未回填，采空區(qū)上方巖石應(yīng)力處于失衡狀態(tài)，在井下生產(chǎn)區(qū)安裝巖石應(yīng)力計(jì)，確保生產(chǎn)安全。④對(duì)回填處理后的塌陷區(qū)邊緣可視拉裂縫和巡查過(guò)程中可能發(fā)現(xiàn)的新的地表拉裂縫進(jìn)行專業(yè)監(jiān)測(cè)，工業(yè)廣場(chǎng)以墻體裂縫為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象，在裂縫上安裝裂縫伸縮儀和裂縫警報(bào)器。裂縫位移達(dá)到預(yù)定的閾值則自動(dòng)聲光報(bào)警，監(jiān)測(cè)員或受威脅群眾對(duì)設(shè)備的報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)反應(yīng)。⑤對(duì)滑坡、預(yù)測(cè)采空塌陷區(qū)采用北斗智慧云監(jiān)測(cè)終端（一體化多頻GNSS監(jiān)測(cè)終端），共布置了2個(gè)基站和8個(gè)監(jiān)測(cè)站，通過(guò)監(jiān)測(cè)獲取各測(cè)點(diǎn)的水平以及垂直變形量，實(shí)時(shí)傳輸至綿陽(yáng)市監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，可監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)，并在變形量達(dá)到閾值時(shí)自動(dòng)報(bào)警和發(fā)送短信至專職監(jiān)測(cè)員，還為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)穩(wěn)定性判斷提供了重要依據(jù)。

以上監(jiān)測(cè)設(shè)備中北斗智慧云監(jiān)測(cè)終端和自動(dòng)雨量站均由太陽(yáng)能進(jìn)行供電，GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由設(shè)備公司進(jìn)行安裝和運(yùn)行維護(hù)；裂縫伸縮儀和巖石應(yīng)力計(jì)安裝簡(jiǎn)便，礦山專職監(jiān)測(cè)員經(jīng)簡(jiǎn)單培訓(xùn)后即可安裝監(jiān)測(cè)。由通過(guò)以上人工+自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并傳輸數(shù)據(jù)，人工定期巡視核實(shí)，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，對(duì)高川磷礦礦山地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警起到了十分重要的作用。

6.結(jié)論

綜上所述，礦山地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警體系實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)指標(biāo)異常時(shí)自動(dòng)預(yù)警，有效地解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)專業(yè)人員的不足和偏遠(yuǎn)山區(qū)受地形氣候限制的難題，提高了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)頻率、效率及效果，降低了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)成本，為礦山在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行開采提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，減少和降低了地質(zhì)災(zāi)害損失，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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