矿山开采地面沉降观测技术的选择与应用研究

刘利　王宇波

摘 要： 地面沉降主要指的是在某一地表面积内出现的地面水平面下降的情况。通常导致地面沉降的原因在于自然因素以及人为因素两方面内容。其中，人类开采矿产资源活动是直接诱发矿山地面沉降的主要因素。本文主要针对人为因素造成的矿山地面沉降提出多种地面沉降的观测技术，并详细介绍了每种观察技术的特点和应用范畴，旨在提高观测能力，为矿山安全生产提供可借鉴的理论基础。

关键词： 矿山开采； 地面沉降； 观测技术； 选择与应用

随着我国矿产资源的需求量增大，现有的表層资源已经开采过度，人类开始向更为深入的矿山进行找矿活动。过度的矿产开采，矿山出现了地面沉降的地质现象，这是一种地质的结构变化，也是一种矿产资源的损耗。地面沉降导致自然环境的恶化，还消耗了不可补偿的自然资源。因此，矿山开采中运用恰当的地面沉降观测技术，对矿山的地质结构变形进行监测，及时发现地质沉降的趋势，并采取相应的停止开采、安全转移等应对措施。

1. 矿山地面沉降的原因

矿山的地面沉降是矿山地区最为常见的地质灾害，地面沉降给矿山地区造成不可估量的人身财产安全危害，诱发地面沉降的因素主要有客观因素和主观因素。其一，客观因素主要是自然因素，这是不可控制的因素，一方面是新构造运动带动我国普遍山区的地面沉降，主要发生于第四纪之后；另一方面是第四纪的自然运动导致的沉积物堆积带来的天然固结。其二，主观因素主要是人为因素。一方面是矿产资源的供需不平衡，人类找矿活动的过量，矿山的地下水资源、矿产资源被过量抽空，导致矿山整体下降；另一方面是矿区周边建筑物过多且高层，重力作用导致建筑物对地面产生了静压力，导致矿山地面沉降。

2. 矿山开采地面沉降观测技术的选择与应用

2.1 常规地面测量方法的应用

常规的地面测量方法是采用常规的测量仪器，测量仪器较为普遍，因此，此类的测量方法称为常规测量方法。变形监测是常规测量的主要内容，常规测量的其他测量内容还有高程测量、角度边长测量、坐标变形测量等。常规测量具有常规性，体现在测量仪器较方便携带，测量方式直观易现，测量仪器的选择具有阶梯型，根据需要测量的内容选择对应精确度的仪器。

2.1.1 精密高程测量

精密高程测量指的是运用高精密的测量仪器—水准仪，对高程进行观测，这种高精密的测量方法操作性强，技术发展趋于成熟，观测结果精确度高、稳定性强，选择此种测量，通常应用于垂直位移的观测，因此这种高程测量方式属于国家三等以上的高程测量。但是，精密高程测量方法占用劳动力多、速度慢，测量结构不稳定的矿山易出现测量误差。

2.1.2角度测量

区别于精密高程测量的垂直位移测量，角度测量主要使用经纬仪对矿山进行水平方向的位移测量，主水平位移测量的主要内容是三角网形式的水平位移，角度测量的选取为三角测量，通过测定位移和变形情况实现监测目的。此外，全站仪的普遍应用使角度测量更为数据化和自动化，应用在边角网的测量具有普适度。

2.1.3精密距离测量

精密距离测量是一种对距离测量的方式，与精密高程测量相似，其具有高精密度、高稳定性的特点，也具有着消耗劳动力大的不足。应用在高低起伏的地形或沟壑时，使用传统的因瓦基线尺测量有着携带不方便、测量劳动强度大等影响，因此，使用精密光电测距仪能够弥补因瓦基线的不足，在起伏较明显的地表观测效果甚佳。

2.2 GPS变形观测技术及其应用

GPS变形观测技术是运用于全球空间定位技术进行的监测。首先，对矿山地区的建筑物和地形结构进行合理地划分，根据分布情况，对地面沉降的监测区域部下监测网。其次，监测网的监测点和基准点要符合在监测网络上，位置的选取必须在地形地质的分析基础上。较为科学的选取地点为地质稳定的基岩上，这样才能保证连片地接收定位信息。再次，GPS网的布控要符合一定的布网规律。平均距离达到1000km时，固定误差不大于3mm；平均距离达到300km时，固定误差不大于5mm；平均距离达到70km时，固定误差不大于8mm；平均距离达到0.2～15km时，固定误差不大于10mm。此外，GPS的变形监测作业方法主要有静态和动态两种模式。矿山的沉降变化不明显，通常使用静态的监测作业方式；反之，则使用动态的变形监测方式，常用的动态模式的方法有模糊度函数和OTF。另外，使用GPS技术的观测后期需要做数据处理，计算出以下内容：GPS三维自由网的平差、监测网的抗差、监测点的位移和沉降。最后，便是将矿山的三维监测网进行分析判断。对监测点的动态变化趋势和水平、垂直位移进行比对，并分析其变化的周期性规律，从而判断被监测地区是否发生地面沉降。

2.3 INSAR观测技术及其应用

INSAR技术又称干涉雷达测量，是一种在地形垂直变化观测中有着明显效果的监测技术。通过获得D 两种SAR图像的相位差来成像被测量地区的干涉图像。最初的INSAR技术应用于地球的地表测量，后逐渐运用在其他领域，如今在矿山的地面沉降测量有着积极作用。由于矿山环境由于受自然因素和人文因素同时作用，具有着与周边环境不同的特点，独特性主要体现在矿山植被稀疏，占地变化显著，干涉特征明显这三个方面。首先，对于植被较稀疏的地区使用卫星复雷达图获得图像间的干涉条纹。其次，由于矿山地区的独特性，在雷达反馈图上能呈现明显区别于周边山村的干涉条纹，用来判断矿山地区的地理位置。再次，传统的GPS融合技术精确度明显落后于INSAR技术，困难地区用雷达观测优势明显。另外，雷达卫星成像不受到时间限制，全天候的观测提高了精准度，并实现了动态监测，还能大面积的观测。此外，为使地面沉降和大气相位的误差逐渐减少，INSAR技术融合了干涉堆栈技术，弥补了雷达技术的不足。

2.4 GPS和INSAR融合观测技术极其应用

GPS和INSAR融合的观测技术实现了两者的优势互补，新技术是在取长补短的基础上，在地面沉降观测中进行数据判断更有说服力。一方面是GPS观测技术对空间分辨率的变形监测效果欠缺，测点的布控由于分辨率低的因素导致空间测点不精确，但其在时间高分辨上对测点的准确度有很大的贡献。另一方面是INSAR技术在空间分辨率上达到了20m×20m，空间测点信息全面，区域性的成片测点具有连续性，但卫星雷达监测受到时间限制，重复周期短，时间分辨率受到周期影响，因而不能提供更为全面的时间分辨率。由此可以看出，单一地使用某种观测技术不能在时间和空间上同时实现全面的观测效果，在地面沉降的观测中不能提供准确、全面、范围广泛的分辨信息，因此需要两种技术的相互融合，提高矿山地区地面沉降的观测效率。

2.5 三维激光扫描技术极其应用

三维激光扫描监测适用于地表变形的监测，三维激光使用的仪器是集合了光、机、电三种要素的激光扫描仪。三维监测强调了三维立体的监测，最初是运用于地面的建筑物测量，现已拓展到矿山生产的地面沉降测量。此种三维激光扫描技术应用在矿坑监测、矿山井塔、矿坑边坡高程监测中，具有高精密、采集信息量大、方便采集、具有强大数据后处理能力等优势。

2.6 数字摄影测量及其应用

数字摄影测量是实现地面沉降观测的数字化和自动化的体现。数字摄影测量是通过计算机软件，对数字摄影技术反馈的数字信息或是数字摄像进行读取，区别于传统的测量，其最大的特点是，数字摄影测量的信息处理是数字处理，不同于传统直观的立体图像处理，其主要是通过计算机视觉来替代人眼的立体观测，其实质在于将获得的数字影像，通过计算机软件来建立成数字地面模型和正射影像图，并经过对比数字地面模型来将各个区域沉降情况分析出来。因此，该种观测技术运用在地形较为复杂的矿山地区具有很大的优势。

总而言之，矿山开采地面沉降观测技术已经向高精度、高效率发展，应用先进的地面沉降观测技术，能够及时预测地面沉降的趋势和规律，不仅减轻了人类直观监测的工作量，还为矿山的安全生产提供可靠的安全保障。此外，矿山的地面沉降防治措施是一项重要工程，需要整合人力、物力、财力资源，齐心协力才能达到地质灾害的防治效果。

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