礦山地質災害治理中監測預警技術的應用研究

唐 麒

（安徽省地質礦產勘查局332地質隊，安徽 黃山 245000）

雖然近年來礦山地質災害治理相關理論研究和實踐探索在我國大量涌現，但結合實際調研可以發現，監測預警技術應用不當的情況仍較為常見。為保證監測預警技術能夠得到較好應用，正是本文圍繞礦山地質災害質量開展具體研究的原因所在。

1 礦山地質災害監測內容

礦山地質災害監測涉及的內容較為多樣，主要涉及崩塌﹑滑坡﹑不穩定斜坡﹑泥石流﹑采空塌陷，具體監測方法如下。

1.1 崩塌、滑坡、不穩定斜坡

在礦山地質災害中，較為常見的主要有崩塌﹑滑坡﹑不穩定斜坡，排土場﹑露天采場﹑礦山公路等處很容易形成這類地質災害，這類礦山地質災害監測主要涉及以下幾方面內容：第一，深部位移監測。一般通過鉆孔傾斜測量法﹑鉆孔位移計監測法﹑測縫法等方法監測深部位移，這類監測存在較強專業性，多用于大型滑坡，通過對滑體變形速率和滑動面位置的測量，即可明確判斷穩定性，為滑坡治理等工作提供充分依據；第二，地表位移監測。地表位移同樣屬于礦山地質災害監測的重要內容，具體監測主要圍繞不穩定斜坡﹑崩塌體﹑滑坡體的裂縫﹑水平位移﹑垂直位移展開，常用方法包括裂縫計監測﹑三維激光掃描﹑水準測量﹑標樁監測﹑大地測量﹑InSAR監測﹑測斜儀監測等，為明確裂縫發展趨勢和情況，可采用裂縫計監測或標樁監測，崩塌體等地質災害的變形發展﹑地表位移情況可通過其他監測方式明確；第三，相關因素監測。雨量監測﹑巖土應力監測﹑土壤含水量監測等均屬于相關因素監測范疇，這類監測需要結合礦山地質災害實際情況[1]。

1.2 泥石流

如大量松散巖土物質在礦山尾礦庫﹑排土場﹑棄渣場沿坡面或溝谷堆積，泥石流物源將隨之形成，泥石流很容易在雨量條件達到時發生。在監測泥石流方面，一般需要使用專業設備，常用監測方法包括流速監測法﹑傾斜棒監測法﹑視頻監測法﹑雨量監測法﹑泥位監測法等。

1.3 采空塌陷

地下開采屬于礦山開采的常用方式，這會導致采空區形成，如采空區上方巖土體應力失穩﹑失衡，地面塌陷往往會隨之出現，這不僅可能引發地裂縫，嚴重時還可能引發崩塌﹑滑坡等地質災害。這類礦山地質災害的監測一般采用裂縫計監測﹑水準測量﹑大地測量﹑InSAR監測等技術[2]。

2 常用的監測預警技術

近年來監測預警技術發展迅速，各類新技術也在礦山地質災害監測中得到廣泛應用，本節主要介紹兩種代表性技術，包括深部位移監測技術和InSAR監測技術。

2.1 深部位移監測技術

深部位移監測在礦山地質災害監測中的應用較為廣泛，如用于礦山滑坡體監測，這種監測可配合使用北斗在線監測技術和深孔位移傳感器。通過在礦山滑坡體處安裝深孔位移傳感器，可以保證邊坡位于規律和情況及時掌握，進而對失穩和滑動需求進行分析，高精度實時監測可同時在北斗在線監測技術支持下實現，通過實時開展滑坡體穩定性監測，礦山安全運行能夠得到較好保障。在深部位移監測技術的具體應用中，該技術能夠直接展示滑坡體內部結構擾度變形情況，這是由于深部位移量對滑坡體穩定造成的影響較為深遠。在深部水平位移測定中，測斜儀屬于廣泛應用的監測儀器，監測工作可通過測斜儀監測深部水平位移完成。在測斜儀的具體應用中，一般在測斜管的內部通過串聯形式安裝，傾斜傳感器需要安裝于針對性選擇的高程位置處，傾斜角可基于傳感器測得，監測對象的變形曲線也能夠隨之繪制，這一過程還能夠對水平位移進行計算，但僅限于桿標距長度范圍。以某礦山對邊坡體內部結構進行的連續﹑實時監測為例，該監測使用一組內部測斜儀，型號為GN-1B，主要由導向輪﹑測桿﹑固定式測斜儀等設備組成，具備穩定時間快﹑可靠性好﹑耐沖擊﹑組裝方便等特點，能夠較好與測斜管配合使用，自動化的測量因此順利實現。在具體的設備安裝中，需要結合現場地形和地質勘查報告，同時通過打孔方式進行安裝，具體使用鉆孔機，內部測斜儀需要在各孔位不同深度安裝，同時在邊坡面指定勘測位置安裝儀器。在深部位移監測過程中，需要圍繞滑坡方向形變量﹑垂直滑坡方向形變量﹑深部位移監測結果進行分析，確定滑坡體是否存在滑動或異常現象。為更好滿足礦山地質災害治理需要，可考慮同時分析表面位移監測數據和深部位移監測數據，可靠性更高的深部位移監測也能夠由此實現[3]。

2.2 InSAR監測技術

InSAR監測技術也被稱作雷達干涉測量技術，通過衛星對目標變形狀況進行多次觀測，該技術可實現對幾何變化的測量，因此能夠較好滿足礦山地表位移監測和采空塌陷監測需要。通過分析礦山滑坡﹑塌陷﹑地面沉降等地質災害變形特征和發生過程的分析，更好滿足礦山地質災害治理需要。在礦山地質災害監測中，雷達干涉測量技術具備以下幾方面優勢：第一，面監測性能突出。對于監測對象信息，該技術能夠在同步條件下進行提取，因此大范圍監測數據能夠迅速獲得，因此能夠獲得同步﹑同時的監測數據，傳統監測技術存在的點位監測不連續﹑監測點密度稀疏等問題可由此解決，全方位的礦山地質災害監測也能夠順利開展；第二，可開展大范圍空間監測。由于具備較大監測范圍，該技術能夠在礦山地質災害監測中實現高密度點位采樣，在提升監測效率和精度方面的表現也較為突出；第三，兼顧定量和定性分析。由于能夠在應用中形成精度較高的定量形變圖，可確定礦山地質災害每一點在不同時間范圍內的變化過程，進而實現對比監測變化；第四，精細度較高。在觀測頻率和采樣密度方面，雷達干涉測量技術的精細度均較高，一般該技術應用中的數據分辨率在3m左右，且具備10d左右的觀測周期，礦山地質災害監測需要能夠更好得到滿足；第五，高效益。在基于該技術的高頻率監測中，監測成本會持續下降，同時可顯著減少物力﹑人力﹑時間消耗[4]。

在雷達干涉測量技術的具體應用中，應用過程中的數據處理極為關鍵，基本流程可概括為：“雷達主﹑輔影像→精密軌道→互配準→生成條紋圖→估計基線→去地形相位/去平地效應→掩膜/濾波→相位解纏→生成斜距形變”。為保證技術應用效果，可考慮同時應用兩種雷達干涉測量技術，即時序InSAR技術和D-InSAR技術，后者在規模地表變形快速獲取方面表現突出，前者能夠消除后者應用中存在的誤差，礦山重點形變區存在的具體地表形變信息能夠由此準確提取，時序形變特征也能夠同時獲取，進而更好﹑更準確﹑快速﹑大范圍完成礦山地質災害監測，礦山地質災害治理能夠獲得更充分依據。

3 實例分析

為直觀展示礦山地質災害治理中監測預警技術的應用，本節將圍繞監測預警系統開展研究，具體涉及系統的應用思路﹑模塊設計﹑應用效果。

3.1 應用思路

為較好滿足礦山地質災害治理需要，可引入自動化系統用于監測預警，本文研究的監測預警系統由四部分組成，包括監控中心模塊﹑現場監測模塊﹑網絡傳輸模塊﹑互聯網發布模塊，具體設計如圖1所示。

圖1 監測預警系統

在圖1所示系統運行中，通過預先設置的監測點和現場監測設備，依托設備的移動通信功能，即可實現對礦山地質災害信息的自動﹑實時采集，如對崩塌﹑滑坡﹑泥石流﹑不穩定斜坡﹑采空塌陷等地質災害信息進行采集，通過向監控中心模塊通過短消息形式傳送采集信息，監控中心模塊能夠在移動網絡支持下分析和處理采集信息，進而在數據庫中存儲所有信息并開展解析處理，遠程地質災害實時監測與預警可順利實現，監測信息最終由互聯網發布模塊發布，礦山地質災害的預防及治理可獲得充足依據。

3.2 模塊設計

3.2.1 監控中心模塊

作為系統中的重要組成部分，監控中心模塊主要負責接收﹑處理﹑轉發監測信息及自動報警等功能，該模塊由預警﹑圖形顯示﹑收發服務﹑數據庫﹑通信協議共五個子模塊組成，具體設計如下：第一，預警。為滿足預警需要，該子模塊能夠發出聲音預警并基于預先設定方式發出預警信息，保證礦山地質災害的具體位置和類型能夠及時由相關人員掌握，進而開展針對性地質災害治理工作，保證相關損失降到最低，礦山安全穩定運行也能夠更好得到保障；第二，圖形顯示。該子模塊的運行需要得到監測信息支持，進而通過計算機實現圖形化的信息展示，相關信息變化及地質災害發展情況可更直觀展示給相關人員；第三，收發服務。初始化串口屬于該子模塊的重要功能，同時需要對通信連接的建立情況進行檢查，保證短消息接收正常。在完成監測信息接收后，還需要在數據庫中統一進行信息存儲，如確定其中存在危險信息，則需要及時發出預警，保證相關人員能夠及時開展地質災害治理工作；第四，數據庫。該子模塊設計遵循獨立性和完整性原則，同時結合邏輯和概念兩方面開展設計，具體選擇SQL Server數據庫；第五，通信協議。由于設備采集信息﹑監測點位置信息等均屬于監測信息，這使得該信息存在較高傳輸難度，因此通信協議設計主要涉及Verify﹑State﹑Type﹑Head﹑Location﹑Data等內容[5]。

3.2.2 現場監測模塊

為滿足礦山地質災害監測需要，需要在預先設定的監測點處設置監測設備，該設備擁有移動通信功能，能夠對地質災害相關信息進行監測，具體監測內容包括：第一，土壤含水率。土壤含水率通過濕度傳感器完成實時監測，相關信息能夠及時獲取；第二，深部位移。對于礦山存在的滑坡體，需要將角度傳感器測斜管通過內部鉆孔方式埋入其中，對于出現位移的滑坡體，結合角度隨之改變的測斜管，即可實時獲取對應監測信息；第三，地下水位。通過預先確定地下水位監測位置，科學設置水位傳感器，即可實時采集相關信息；第四，裂縫位移。對于礦山存在的滑坡體，可針對性設置位移傳感器，具體在滑坡體和非滑坡體處設置位移傳感器兩端，裂縫位移可基于二者差值實時獲取，進而完成信息監測。

3.2.3 網絡傳輸模塊

為通過網絡傳輸實時監測信息，監測預警系統還設置有網絡傳輸模塊，在完成監測信息接收后，該模塊能夠將接收消息指令發送至串口，進而接收信息。本文研究的監測預警系統通過短消息形式進行監測信息發送，同時基于無線控制信道完成短消息傳輸，信息可依托短消息中心實現高效收發和存儲，其中網絡傳輸模塊的指令主要包括短消息發送﹑列舉﹑讀取，以及新消息提示﹑參數顯示﹑消息格式選擇﹑消息業務選擇等

3.2.4 互聯網發布模塊

圍繞傳統的礦山地質災害監測預警方法進行分析可以發現，監測信息一般需要通過監控中心模塊進行實時查看，但由于該模塊需要承擔較多功能，很多時候會出現瀏覽數據不方便問題，因此本文采用Web技術打造信息發布平臺，相關人員能夠通過網頁較為便利瀏覽監測信息，監測預警時效性因此大幅提升。

3.3 應用效果

為明確監測預警系統的應用效果，本文開展了針對性的仿真實驗，使用的軟件為Matlab7.0，為直觀展示該系統優勢，引入傳統監測預警系統進行對比，為實現對系統綜合系統驗證，需要對不同評價指標進行比較，包括系統響應速度和預警準確率。通過對比可以發現，在實驗次數為1-10次時，可得到表1所示的系統響應速度比較結果。

表1 系統響應速度對比結果

結合表1進行分析可以發現，傳統系統平均需要耗費2.42s完成響應，本文設計系統則僅需要耗費0.45s完成響應，可見本文研究系統存在較快響應速度，能夠更好服務于礦山地質災害治理。進一步通過仿真軟件設置不同類型的地質災害，之后通過兩種系統開展監測和預警，可由此得到表2所示對比結果。

表2 預警準確率對比結果

結合表2所示數據進行分析可以發現，傳統系統存在82.4%的平均預警準確率，本文研究系統則為96.5%，由此可見本文研究的監測預警系統實用性，能夠較好開展高精度礦山地質災害監測與預警，進而為地質災害質量提供有力支持。

4 結論

綜上所述，監測預警技術可較好用于礦山地質災害治理。在此基礎上，本文涉及的監測預警系統﹑應用效果分析等內容，則直觀展示了監測預警技術的具體應用方法。為更好服務于礦山地質災害治理，各類新型技術的綜合應用﹑軟硬件的定期升級﹑相關人才的重點培養等方面也需要得到重視。