矿山地质灾害监测方法与自动化监测预警系统应用

高文 王华 侯凌志

摘要：矿山地质灾害不仅会直接影响到矿山地质环境，而且会对生命安全造成严重威胁，矿山地质环境监测预警非常重要。针对矿山开采可能产生的地质灾害，在介绍矿山地质灾害监测现状和常用地质灾害监测方法的基础上，对地质灾害自动化监测预警体系进行了介绍，并对其应用案例高川磷矿矿山地质灾害监测预警进行了分析，为其他矿山地质灾害监测措施设计提供了一些参考。

关键词：矿山地质灾害；自动化监测；监测预警；GNSS监测

1.前言

我国矿产资源十分丰富，采矿业在我国历史悠久，特别是近20年来，矿业开发程度不断加大，采矿活动引起的矿山地质环境问题逐渐展现出来，主要有矿山地质灾害、含水层破坏、地形地貌景观破坏和水土污染等，其中矿山地质灾害最为普遍和突出。矿山地质灾害一旦发生，不仅会直接影响到矿山地质环境，而且会对生命安全造成严重威胁。因此，矿山地质环境监测预警的重要性也突显出来。我国地质工作者对矿山地质环境监测进行了许多的研究，制定了矿山地质环境监测技术规范，开展了矿山地质环境遥感监测和演化过程研究，提出了矿山地质环境治理模式和技术方法。本文对矿山地质灾害监测方法进行了介绍，提出了建立依托地质灾害监测预警平台的自动、高效、及时的监测系统，实现自动化全时监测和监测预警，达到地质灾害监测预警的目的。

2.矿山地质灾害监测现状

矿山地质灾害主要类型有滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不稳定斜坡等[2]。针对不同的地质灾害类型，矿山在地质灾害监测中可采取不同的监测方法。在矿山地质环境保护和土地复垦方案中，一般设计的专业监测方法有：雨量观测、裂缝测量监测、变形測量监测、深层侧向位移监测、GPS测量监测等，测量仪器一般为全站仪、经纬仪、GPS、测距仪、裂缝计、地应力计等。在实际应用中常受到通信条件、地形、天气等限制，部分仪器专业性较强难以操作，监测间隔时间较长且不连续，加密监测频率则使得外业工作量大，导致监测经费投入较大，最终形成矿山企业的地质灾害监测工作落实情况较差和监测效果较差的局面。

随着科学技术水平的逐渐提高，监测设备也越来越智能化。周密、喻小等运用全球导航卫星系统（GNSS）技术对滑坡等地质灾害监测中取得了良好效果；杨乾坤、杜建涛等用合成孔径雷达干涉（InSAR）技术运用于地面塌陷测量和监测，对其测量精度和监测效果进行了论证。此外，陈蒙等在绿色矿山建设中的地质灾害监测数字化技术应用中采用了无人机、人工智能、大数据和云计算手段。因此越来越多的高新技术也应用到地质灾害监测和预警中来，为矿山地质灾害监测提供了更多有效的方法。

3.矿山地质灾害监测方法

矿山地质灾害监测是实现地质灾害监测预警和群测群防的有效手段，监测方法应以操作性强、效果好的措施为主。一般宏观监测方法为人工巡查观测，专业监测则是借助各种仪器按照监测设计进行监测。

3.1滑坡、崩塌和不稳定斜坡监测

滑坡、崩塌和不稳定斜坡是矿山地质灾害中最常见的地质灾害类型，许多矿业活动区域都会形成滑坡和不稳定斜坡，比如露天采场、排土场、矿山公路等。监测措施主要有：

（1）地表位移监测。地表位移监测主要是通过测量滑坡体、崩塌体和不稳定斜坡的垂直位移、水平位移和裂缝来进行监测。监测方法有：大地测量、水准测量、GNSS监测、三维激光扫描、InSAR监测、标桩或裂缝计监测等。标桩或裂缝计监测能观测裂缝发展情况和趋势，其余方法能比较直观地观测出滑坡体、崩塌体和不稳定斜坡的地表位移、变形发展情况。

（2）深部位移监测。深部位移监测方法主要有测缝法、钻孔位移计监测法和钻孔倾斜测量法。其专业性较强，一般用于大型滑坡监测中，能测量滑动面位置和滑体变形速率，判断滑坡稳定性，判定滑坡主滑方向和滑坡治理工程效果。

（3）相关因素监测。相关因素监测视地质灾害具体情况而定，主要有土壤含水量监测、岩土应力监测、雨量监测等。

3.2泥石流监测

当矿山弃渣场、排土场、尾矿库等大量松散岩土物质沿沟谷、坡面堆积时，即成为形成泥石流物源，在雨量条件达到时，极易引发泥石流。泥石流监测专业性较强，一般需安装专业设备进行监测。泥石流监测方法有：雨量监测法、视频监测法、泥位监测法、倾斜棒监测法、流速监测法等。

3.3采空塌陷监测

当矿山开采方式为地下开采时，在地下形成采空区，造成采空区上方的岩土体应力失衡失稳而引起的地面塌陷，伴生地裂缝，甚至滑坡和崩塌地质灾害。采空塌陷和地裂缝监测方法有：大地测量、水准测量、GNSS监测、InSAR监测、裂缝计监测等。

4.矿山地质灾害监测体系

由于监测方法的多种多样，矿山应根据矿山地质灾害评估结果，结合矿山地质环境保护与土地复垦方案，制定专业的监测方案，选择易操作、经济、高效的新方法新技术进行监测，落实矿山地质环境保护义务，完善矿山地质灾害监测机制，实现监测预警和群防群测的目的。目前，监测技术已十分成熟，基于各自动化监测设备搭建的自动化监测预报预警平台体系的优势逐渐展现出来，解决了以往传统监测方法的缺点，并实现了省、市、县三级信息互联互通的功能实时共享。

以四川省绵阳市为例，绵阳市于2018年建立了地质灾害群测群防简易自动化监测体系，其监测系统架构见图1。通过监测预警平台接收安装在地质灾害点上的监测站传输返回的数据信息，达到专家和相关技术人员设定的限值则自动预报预警，同时发布电话短信信息给所在地质灾害点的责任人，实现地质灾害迅速应急反应和群测群防的目的。绵阳市的各矿山企业均可利用该平台，购置安装与相匹配的专业监测站点，将矿山地质灾害监测融入地质灾害群测群防自动化监测体系中去，确保了监测的及时性和有效性。

5.自动化监测体系应用

绵阳市安州区高川磷矿在矿山地质环境保护与土地复垦方案中的地质灾害监测方案就是结合绵阳市地质灾害群测群防简易自动化监测体系进行的专业监测设计。

高川磷矿位于安州区高川乡，处于四川龙门山褶断带与四川盆地结合部，地势陡峻，切割深，属于构造剥蚀中山区，相对高差一般400m～600m，山体坡度在30°～45°之间，局部在60°以上。气候为亚热带湿润季风气候区，具有气候温和，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。据四川省2017年绵阳市安州区地质灾害隐患排查结果显示，该地区为地质灾害易发区。2019年，在进行矿山地质环境调查后，在矿区周边发现有大竹坪滑坡（HP1）、大坪滑坡（HP2）、三岔沟火石沟泥石流（N1）、采空塌陷区（T1）四处地质灾害点，对以上四个地质灾害现状评估和预测评估，圈定了预测采空塌陷区（YT1）。高川磷矿矿山地质灾害多而复杂，地质灾害影响程度现状评估与预测评估均为严重。本矿山地质灾害监测设计为“人工巡视观测+自动雨量监测站+岩石应力计+裂缝自动监测+GNSS自动化监测”的综合监测方案，对矿山及周边的滑坡、泥石流、采空塌陷地质灾害进行监测，监测点位布设见图2。

具体地质灾害监测设计为：

①对预测塌陷区（已塌陷区和）进行定期人工巡视观测，以工业场地、道路为巡视观测重点，兼顾排水沟、拦砂坝等治理恢复工程设施，观测频率为半月一次，雨季加密观测频率；②在三岔沟上游路边的泥石流影响范围之外设立自动雨量站，实施监测并向绵阳市监测预警平台传输该地区雨量数据，达到雨量预警值时实时发送预警信息至专职监测员，及时组织进行泥石流避险；③矿山生产时，因采空区未回填，采空区上方岩石应力处于失衡状态，在井下生产区安装岩石应力计，确保生产安全。④对回填处理后的塌陷区边缘可视拉裂缝和巡查过程中可能发现的新的地表拉裂缝进行专业监测，工业广场以墙体裂缝为重点监测对象，在裂缝上安装裂缝伸缩仪和裂缝警报器。裂缝位移达到预定的阈值则自动声光报警，监测员或受威胁群众对设备的报警现场及时反应。⑤对滑坡、预测采空塌陷区采用北斗智慧云监测终端（一体化多频GNSS监测终端），共布置了2个基站和8个监测站，通过监测获取各测点的水平以及垂直变形量，实时传输至绵阳市监测预警平台，可监测地质灾害点实时变形数据，并在变形量达到阈值时自动报警和发送短信至专职监测员，还为地质灾害点稳定性判断提供了重要依据。

以上监测设备中北斗智慧云监测终端和自动雨量站均由太阳能进行供电，GPRS进行数据传输，由设备公司进行安装和运行维护；裂缝伸缩仪和岩石应力计安装简便，矿山专职监测员经简单培训后即可安装监测。由通过以上人工+自动化的监测方法，实现仪器实时监测并传输数据，人工定期巡视核实，构建地质灾害自动化监测预警体系，对高川磷矿矿山地质灾害进行监测预警起到了十分重要的作用。

6.结论

綜上所述，矿山地质灾害自动化监测预警体系实现了监测指标异常时自动预警，有效地解决了地质灾害监测专业人员的不足和偏远山区受地形气候限制的难题，提高了矿山地质灾害监测频率、效率及效果，降低了矿山地质灾害监测成本，为矿山在地质灾害易发区进行开采提供了基础数据，减少和降低了地质灾害损失，具有良好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]范立民.论矿山地质环境监测体系[J].陕西地质， 2017， 35（01）： 61-64.

[2]邢小敏.矿山地质灾害主要类型及防治措施分析[J].世界有色金属， 2019（15）： 126-127.

[3]周密. GNSS技术在地质灾害监测与预警系统中的应用[J].测绘标准化， 2019， 35（03）： 58-60.

[4]喻小，赵其华，张埕豪，等. GNSS实时监测在滑坡预警中的应用——以陕西省周至G108路段滑坡为例[J].人民长江， 2019， 50（10）： 126-130+142.

[5]杨乾坤.双轨D-InSAR技术监测矿区地面沉降的应用[J].北京测绘， 2020， 34（01）： 100-103.

[6]杜建涛，闫丽，赵超英.蔚县矿区地面沉陷InSAR多维形变监测[J].煤田地质与勘探， 2020， 48（01）： 168-173.

[7]陈蒙，林锦富，段昌盛.绿色矿山建设中的地质灾害监测数字化技术应用[J].地质灾害与环境保护， 2018， 29（04）： 54-57.

[8]吴君平，叶小兵，王士友，杨黎萌.矿山地质灾害调查及防污措施分析[J].西部资源， 2019（01）： 101-102.

[9]罗娟，赖德军，袁宏.西部山区地质灾害实时监测系统研究[J].四川地质学报， 2011， 31（01）： 81-83.