3S技术在矿山开采沉陷区中的应用

张献伟，刘卫军，石磊

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830091）

随着矿山开采的进度，矿山测量发挥着重要的作用，在矿山开采前期提供必要的基础资料[1]。矿山在开采过程中极易出现坍塌事件，不仅对开采人员的人身安全造成极大损害，严重者则造成人员伤亡，同时对周边房屋的居民及办公人员也极易产生安全隐患[2]。矿山开采就需要进行相应的工作面、巷道、井底车场等的定位定向，井上下联系测量，使井上下建立起统一的坐标框架，便于生产和管理[3]。“3S”技术是对遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)技术的统称[6]。遥感数据是GIS的数据源；GIS具有采集、存贮、管理、分析和描述整个或部分地球上与空间和地理分布有关数据的重要作用；GPS具有精确的定位能力和准确的定时和测速能力。将三者结合就可以根据实际需要快速准确真实、图文并茂地将数据结果输出给用户[4]。“3S”技术主要应用于矿山资源调查、开采沉陷动态变化监测、岩移规律变化分析、矿山制图、矿山资源管理、远程控制和监测功能等[5]。在对矿山测量信息系统的研究中，主要以RS和GPS数据为基础，利用GIS的空间分析能力和属性数据管理功能建立矿山信息系统，对矿山开采资源进行管理[6]。

在矿山开采前，必须对其山体及地下环境测绘，通过收集到精准度较高的数据来对后续开采等工作内容进行规划，极大程度地保护矿产资源及周边环境的安全，充分发挥3S技术的作用，可实时生成三维可视化图像，从而使矿山开采工作得到有序开展。

遥感影像所反映的是某一区域特定地理环境的统一体，是地表各种地物光谱的综合信息。地理空间和影像空间通过遥感成像相互连接与实现。遥感技术的成像过程是将地物的电磁辐射特性或地物的波谱特性，用不同的成像方式生成各种影像，而遥感影像的解译过程则是成像过程的逆过程。在解译过程中，运用计算机数字图像处理和光学图像处理方法，建立各类型的影像解译标志，然后由点及面进行详细解译，自绘各类图斑的范围线。研究主要采用直接判读法、相关分析法、分层分析法、综合分析法4种方法。

1 研究内容

矿山开采之后，由于采动的影响会造成工作面上覆岩层的结构发生变化，从而传递到地面，会对地面造成不同程度的影响和破坏，影响地面的建筑物、构筑物及土地的使用。为了更好地掌握开采沉陷的影响范围和影响程度，本文在传统理论的基础上并结合3S技术的相关功能：空间数据管理、空间数据存储及空间数据运算和分析功能，提出了新的确定开采沉陷影响范围内的相关属性信息，如影响的等级，影响的范围、面积，影响区域内都是有什么样的地物等属性信息。从而为开采后提供相关的数据，方便相关部门进行相应的方案预处理。

通过地籍调查的把相关的数据进行入库，与地形信息建立起一一对应的关系，这样经过GIS运算及查询功能可以使开采沉陷后对地表造成什么样的影响、影响的程度和范围等信息一目了然，从而为决策者提供依据。具体工作为：

通过开采设计图纸，确定地面观测线方案，建立地面GPS控制网模型，为后期矿井联系测量、地面观测点测量等工作提供基准数据，和提供地面点精确数据；RS为开采区域影响范围内及周边提供多时相遥感影像数据，GIS进行数据的录入，处理、分析、决策。这样就可以实现开采区域地面上的准确信息，并可以建立立体模型，如DEM；DTM等。

2 地表移动的确定方法

2.1 传统的地表移动确定方法

（1）通常以下沉10mm的点作为地表下沉盆地的最外边界点

（2）借助于开采沉陷中的预计模型概率积分法模型，预计出地表下沉等值线曲线图：

式中：L—计算长度，l=L-S；

S—拐点偏移距。

再根据采动损坏规范要求，利用反距离加权平均值的方法求出采动损坏的等级区间，根据预计值与《煤矿规程》进行对比，从而确定影响范围及影响程度。

（3）以地面房屋裂缝为开采沉陷范围依据。

2.2 新的确定地表移动影响范围的方法

（1）借助于RS多时相影像，通过影像分析、解译、判读，提取同一时期采煤工作面上覆地表农作物、植物变化的光谱特征，从而确定开采沉陷的影响的范围。并利用GPS-RTK在外业采出这些变化的特征点，并导出到GIS软件中，以遥感影像作为底图，绘制出煤炭开采影响范围圈。

（2）通过对开采区域上下对照图，对地面区域有可能影响到的地方进行土壤成分采样、并与开采前的土样成分进行比对、分析，确定出开采沉陷的影响区域范围。

3 案例分析

某煤矿开采工作面的设计图如图1所示，在进行井下煤炭资源开采时，对地面造成了严重的影响，不仅破坏了地表建筑物和构筑物，也破坏了地表植被及生态环境。本文借助于相似矿区岩移移动系数，利用概率积分法预计模型对该区域进行开采沉陷影响区进行预计，以下沉10mm的点作为地表下沉盆地的最外边界点结果如图2所示。由于煤炭开采对生态环境的破坏时效性比较滞后，所以对地表植被、农作物及生态环境的破坏比预计的地表下沉盆地边界影响范围要大，具体以实际调绘为主，借助GPS-RTK进行地表特征点数据采集，将实测数据和该区域遥感影像导入到arcgis软件中，通过加载数据和影像配准，在arcgis中准确地矢量化出真实的影响范围区，如图2所示。

4 结语

结合3S技术在具体工程实践中的运用，并在此基础上提出了新的比较合理的确定地表移动影响范围的方法，为生态环境的修复提供重要的参考依据。具体为：

（1）借助于RS多时相影像，通过影像判读与实地外业调绘相结合的方法，来确定煤炭开采造成的实际影响的生态破坏范围区。

（2）通过对开采区域上下对照图，对地面区域有可能影响到的区域进行土壤成分采样、并与开采前的土样成分进行比对、分析，从而可进一步预判出开采沉陷的影响区域范围。