監測預警技術在礦山地質災害治理中的應用研究

魏建華

（甘肅省地質礦產勘查開發局第四地質礦產勘查院，甘肅 酒泉 735000）

我國是一個礦產資源非常豐富的國家，再加上經濟的快速發展，使得現階段對于礦產資源的需求量持續增加，尤其是我國社會正處于一個以大量開發利用資源為主要特征的工業化進程中，所以急需進行大力的礦山資源開發與開采工作[1]。但是在此過程中由于市場競爭壓力的不斷增加，礦山企業片面追求經濟利益的最大化，開采設備與技術相對滯后等多種原因，導致礦山地質災害發生頻率逐年上升，從而導致開采環境與平臺不斷惡化，二者之間具有相互影響，而這種惡性循環使得我國礦山行業發展陷入了一定的困境。尤其是近些年來礦山冒頂、突水、地表塌陷等地質災害問題的日益嚴重，造成了大量的經濟損失，更有甚者造成了一定的傷亡，嚴重制約了國家工業化的進一步發展[2]。

為了有效治理礦山地質災害，需要利用相關方法對礦山地質災害進行監測與預警，所以本文主要研究了監測預警技術在礦山地質災害治理中的應用，以期解決礦山地質災害治理過程中存在的難題，減少和降低了地質災害損失，提升相關的社會效益、環境效益以及經濟效益。

1 監測預警技術在礦山地質災害治理中的應用

為了提升礦山地質災害治理效果，設計了一種礦山地質災害監測預警系統，該系統主要由現場監測模塊、網絡傳輸模塊、監控中心模塊和Web發布模塊構成，具體結構如圖1所示。

圖1 礦山地質災害監測預警系統結構

在該系統運行過程中，將具有移動通信功能的現場監測設備布置在預先設計好的監測點，利用該設備采集礦山地質災害信息，包括滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不穩定斜坡等。在此基礎上，利用移動GSM網絡將采集到的信息以短消息的方式發送至監控中心模塊，在該中心對采集到的信息進行分析與處理后，將所有信息存儲至數據庫中。監控中心主要通過對于網絡傳輸模塊所采集的信息進行解析，實現礦山地質災害遠程監測與預警，并根據現場信息通過Web發布模塊及時發布監測信息，從而有效降低礦山地質災害發生與擴大的可能性，提升礦山地質災害治理能力[3]。

1.1 現場監測模塊

將具有移動通信功能的現場監測設備布置在預先設計好的監測點，利用該儀器采集相關的監測信息，具有包括以下幾方面的內容：

（1）裂縫位移監測：將位移傳感器一端固定在滑坡體上，另一端固定在非滑坡體上，將兩者的差值作為裂縫位移作為監測點相對位置監測信息。

（2）地下水位監測：將水位傳感器布置在預先設計好的監測位置，利用該傳感器采集地下水位監測信息。

（3）深部位移監測：在某一滑坡體的內部鉆孔，并將角度傳感器測斜管埋入該鉆孔內，在滑坡體產生位移的情況下，測斜管角度也會因其而發生改變，從而獲取滑坡體的水平位移監測信息。

（4）土壤含水率監測：利用濕度傳感器對土壤含水率進行監測，以此獲取實時的土壤含水率監測信息。

1.2 網絡傳輸模塊

在上述基礎上，利用網絡傳輸模塊GSM引擎子模塊實現監測信息的網絡傳輸。子模塊當接收到監測設備發送來的監測信息后，主要是通過向串口發送接收消息指令以此實現監測信息的接收，這種指令為AT命令。其中，監測信息是以短消息的形式發送的，這種類型的消息是系統為用戶提供的一種新型的數字業務，并將所有短消息通過無線控制信道進行傳輸，并在短消息中心可以實現信息的高效存儲和收發。AT命令及其具體功能描述如表1所示。

表1 常用的AT命令及其具體功能描述

1.3 數據監控中心模塊

數據監控中心模塊是礦山地質災害監測預警系統最為重要的模塊，該模塊承擔著監測信息的接收、處理和轉發以及報警等多項任務。該模塊由通信協議子模塊、數據庫子模塊、收發服務子模塊、圖形顯示子模塊、預警子模塊組成。

（1）通信協議子模塊。由于監測信息中包含監測點位置信息以及設備采集信息等多種類型，所以使得監測信息實時傳輸難度加大，因此本文對通信協議子模塊進行了重點設計，具體通信協議格式如表2所示。

表2 通信協議格式

（2）數據庫子模塊。結合相關研究成果，本文主要從概念與邏輯兩方面出發對數據庫子模塊進行設計。其中采用ER實體聯系法設計數據庫概念模型，并根據數據完整性與獨立性原則設計數據庫邏輯。

（3）收發服務子模塊。在對收發服務子模塊設計過程中，其首要任務就是對串口進行初始化，并檢查系統是否正常與GSM子模塊建立了通信連接，在保證通信連接正常的情況下接收新的短消息。當接收到監測信息后，將所有信息統一存儲至數據庫中，若是分析出接收的數據有危險信息，則需要及時對其進行預警，并及時通知相關人員，以此進行礦山地質災害治理。

（4）圖形顯示子模塊。以接收到的礦山地質災害監測信息為基礎，將不同類型的監測信息以圖形的形式在計算機中顯示出來，以便可以更為直觀地了解礦山地質災害監測信息的變化。

（5）預警子模塊。該子模塊是實現礦山地質災害預警的主要功能模塊，主要通過預先設計好的聯系方式向相關人員發送預警信息以及聲音預警，使得相關工作人員可以及時明確礦山地質災害類型與位置，采取相應的礦山地質災害治理措施，以期降低礦山地質災害損失。

1.4 Web發布模塊

在當前的礦山地質災害監測預警中，只有在監控中心模塊才可以實現監測信息的實時觀看，但是該模塊所承擔的功能太多，造成監控數據瀏覽不方便，所以為了解決這一問題，本文系統在設計過程中采用Web技術構建礦山地質災害監測信息發布平臺，以此實現礦山地質災害監測信息的遠程瀏覽，以此可以實時監測礦山地質災害，提升礦山地質災害監測預警時效性。

2 實驗設計

為了驗證本文所設計礦山地質災害監測預警系統的實際應用效果，進行了實驗設計，具體的實驗環境設計如表3所示。

表3 實驗環境設計

將傳統礦山地質災害監測預警系統以及本文所設計的礦山地質災害監測預警系統進行比較，通過比較不同評價指標，以驗證不同系統的綜合性能，具體的比較結果如下。

2.1 系統響應速度比較

系統響應速度是驗證系統的綜合性能的重要指標之一，所以比較了傳統礦山地質災害監測預警系統以及本文所設計的礦山地質災害監測預警系統的響應速度，比較結果如表4所示。

表4 系統響應速度比較

分析表4中的數據可知，傳統礦山地質災害監測預警系統響應速度平均值為2.43s，本文所設計的礦山地質災害監測預警系統響應速度平均值為0.46s，遠遠低于傳統系統，說明該系統響應速度快，可以實現礦山地質災害快速監測與預警。

2.2 預警準確率比較

在上述實驗的基礎上，利用仿真軟件設置多種類型的礦山地質災害，并利用礦山地質災害監測預警系統對其進行監測與預警，則預警準確率比較結果如表5所示。

表5 預警準確率比較

分析表5中的數據可知，傳統礦山地質災害監測預警系統的預警準確率平均值為82.5%，本文所設計的礦山地質災害監測預警系統的預警準確率平均值為96.7%，遠遠高于傳統系統，說明該系統預警準確率高，可以實現礦山地質災害的高精準監測與預警。

3 結論

隨著我國礦山開采事業的不斷深入，礦山地質災害發生頻率不斷增加，例如巖爆、礦坑突水、地表塌陷、冒頂片幫等，使得礦山地質災害類型趨于多樣化與復雜化，所以加大了礦山地質災害監測預警及其治理難度，所以本文為了提升礦山地質災害治理效率與能力，本文主要研究了監測預警技術在礦山地質災害治理中的應用，在此過程中設計了一種礦山地質災害監測預警系統。利用該系統進行礦山地質災害監測與預警，從而有效降低礦山地質災害發生與擴大的可能性，提升礦山地質災害治理能力。但是本文系統在設計過程中并未對監測信息進行預處理，后續還需要以該問題作為切入點對礦山地質災害監測預警進行完善，從而可以進一步提升礦山地質災害治理能力與水平。