矿山地质灾害治理中监测预警技术的应用研究

唐 麒

（安徽省地质矿产勘查局332地质队，安徽 黄山 245000）

虽然近年来矿山地质灾害治理相关理论研究和实践探索在我国大量涌现，但结合实际调研可以发现，监测预警技术应用不当的情况仍较为常见。为保证监测预警技术能够得到较好应用，正是本文围绕矿山地质灾害质量开展具体研究的原因所在。

1 矿山地质灾害监测内容

矿山地质灾害监测涉及的内容较为多样，主要涉及崩塌﹑滑坡﹑不稳定斜坡﹑泥石流﹑采空塌陷，具体监测方法如下。

1.1 崩塌、滑坡、不稳定斜坡

在矿山地质灾害中，较为常见的主要有崩塌﹑滑坡﹑不稳定斜坡，排土场﹑露天采场﹑矿山公路等处很容易形成这类地质灾害，这类矿山地质灾害监测主要涉及以下几方面内容：第一，深部位移监测。一般通过钻孔倾斜测量法﹑钻孔位移计监测法﹑测缝法等方法监测深部位移，这类监测存在较强专业性，多用于大型滑坡，通过对滑体变形速率和滑动面位置的测量，即可明确判断稳定性，为滑坡治理等工作提供充分依据；第二，地表位移监测。地表位移同样属于矿山地质灾害监测的重要内容，具体监测主要围绕不稳定斜坡﹑崩塌体﹑滑坡体的裂缝﹑水平位移﹑垂直位移展开，常用方法包括裂缝计监测﹑三维激光扫描﹑水准测量﹑标桩监测﹑大地测量﹑InSAR监测﹑测斜仪监测等，为明确裂缝发展趋势和情况，可采用裂缝计监测或标桩监测，崩塌体等地质灾害的变形发展﹑地表位移情况可通过其他监测方式明确；第三，相关因素监测。雨量监测﹑岩土应力监测﹑土壤含水量监测等均属于相关因素监测范畴，这类监测需要结合矿山地质灾害实际情况[1]。

1.2 泥石流

如大量松散岩土物质在矿山尾矿库﹑排土场﹑弃渣场沿坡面或沟谷堆积，泥石流物源将随之形成，泥石流很容易在雨量条件达到时发生。在监测泥石流方面，一般需要使用专业设备，常用监测方法包括流速监测法﹑倾斜棒监测法﹑视频监测法﹑雨量监测法﹑泥位监测法等。

1.3 采空塌陷

地下开采属于矿山开采的常用方式，这会导致采空区形成，如采空区上方岩土体应力失稳﹑失衡，地面塌陷往往会随之出现，这不仅可能引发地裂缝，严重时还可能引发崩塌﹑滑坡等地质灾害。这类矿山地质灾害的监测一般采用裂缝计监测﹑水准测量﹑大地测量﹑InSAR监测等技术[2]。

2 常用的监测预警技术

近年来监测预警技术发展迅速，各类新技术也在矿山地质灾害监测中得到广泛应用，本节主要介绍两种代表性技术，包括深部位移监测技术和InSAR监测技术。

2.1 深部位移监测技术

深部位移监测在矿山地质灾害监测中的应用较为广泛，如用于矿山滑坡体监测，这种监测可配合使用北斗在线监测技术和深孔位移传感器。通过在矿山滑坡体处安装深孔位移传感器，可以保证边坡位于规律和情况及时掌握，进而对失稳和滑动需求进行分析，高精度实时监测可同时在北斗在线监测技术支持下实现，通过实时开展滑坡体稳定性监测，矿山安全运行能够得到较好保障。在深部位移监测技术的具体应用中，该技术能够直接展示滑坡体内部结构扰度变形情况，这是由于深部位移量对滑坡体稳定造成的影响较为深远。在深部水平位移测定中，测斜仪属于广泛应用的监测仪器，监测工作可通过测斜仪监测深部水平位移完成。在测斜仪的具体应用中，一般在测斜管的内部通过串联形式安装，倾斜传感器需要安装于针对性选择的高程位置处，倾斜角可基于传感器测得，监测对象的变形曲线也能够随之绘制，这一过程还能够对水平位移进行计算，但仅限于杆标距长度范围。以某矿山对边坡体内部结构进行的连续﹑实时监测为例，该监测使用一组内部测斜仪，型号为GN-1B，主要由导向轮﹑测杆﹑固定式测斜仪等设备组成，具备稳定时间快﹑可靠性好﹑耐冲击﹑组装方便等特点，能够较好与测斜管配合使用，自动化的测量因此顺利实现。在具体的设备安装中，需要结合现场地形和地质勘查报告，同时通过打孔方式进行安装，具体使用钻孔机，内部测斜仪需要在各孔位不同深度安装，同时在边坡面指定勘测位置安装仪器。在深部位移监测过程中，需要围绕滑坡方向形变量﹑垂直滑坡方向形变量﹑深部位移监测结果进行分析，确定滑坡体是否存在滑动或异常现象。为更好满足矿山地质灾害治理需要，可考虑同时分析表面位移监测数据和深部位移监测数据，可靠性更高的深部位移监测也能够由此实现[3]。

2.2 InSAR监测技术

InSAR监测技术也被称作雷达干涉测量技术，通过卫星对目标变形状况进行多次观测，该技术可实现对几何变化的测量，因此能够较好满足矿山地表位移监测和采空塌陷监测需要。通过分析矿山滑坡﹑塌陷﹑地面沉降等地质灾害变形特征和发生过程的分析，更好满足矿山地质灾害治理需要。在矿山地质灾害监测中，雷达干涉测量技术具备以下几方面优势：第一，面监测性能突出。对于监测对象信息，该技术能够在同步条件下进行提取，因此大范围监测数据能够迅速获得，因此能够获得同步﹑同时的监测数据，传统监测技术存在的点位监测不连续﹑监测点密度稀疏等问题可由此解决，全方位的矿山地质灾害监测也能够顺利开展；第二，可开展大范围空间监测。由于具备较大监测范围，该技术能够在矿山地质灾害监测中实现高密度点位采样，在提升监测效率和精度方面的表现也较为突出；第三，兼顾定量和定性分析。由于能够在应用中形成精度较高的定量形变图，可确定矿山地质灾害每一点在不同时间范围内的变化过程，进而实现对比监测变化；第四，精细度较高。在观测频率和采样密度方面，雷达干涉测量技术的精细度均较高，一般该技术应用中的数据分辨率在3m左右，且具备10d左右的观测周期，矿山地质灾害监测需要能够更好得到满足；第五，高效益。在基于该技术的高频率监测中，监测成本会持续下降，同时可显著减少物力﹑人力﹑时间消耗[4]。

在雷达干涉测量技术的具体应用中，应用过程中的数据处理极为关键，基本流程可概括为：“雷达主﹑辅影像→精密轨道→互配准→生成条纹图→估计基线→去地形相位/去平地效应→掩膜/滤波→相位解缠→生成斜距形变”。为保证技术应用效果，可考虑同时应用两种雷达干涉测量技术，即时序InSAR技术和D-InSAR技术，后者在规模地表变形快速获取方面表现突出，前者能够消除后者应用中存在的误差，矿山重点形变区存在的具体地表形变信息能够由此准确提取，时序形变特征也能够同时获取，进而更好﹑更准确﹑快速﹑大范围完成矿山地质灾害监测，矿山地质灾害治理能够获得更充分依据。

3 实例分析

为直观展示矿山地质灾害治理中监测预警技术的应用，本节将围绕监测预警系统开展研究，具体涉及系统的应用思路﹑模块设计﹑应用效果。

3.1 应用思路

为较好满足矿山地质灾害治理需要，可引入自动化系统用于监测预警，本文研究的监测预警系统由四部分组成，包括监控中心模块﹑现场监测模块﹑网络传输模块﹑互联网发布模块，具体设计如图1所示。

图1 监测预警系统

在图1所示系统运行中，通过预先设置的监测点和现场监测设备，依托设备的移动通信功能，即可实现对矿山地质灾害信息的自动﹑实时采集，如对崩塌﹑滑坡﹑泥石流﹑不稳定斜坡﹑采空塌陷等地质灾害信息进行采集，通过向监控中心模块通过短消息形式传送采集信息，监控中心模块能够在移动网络支持下分析和处理采集信息，进而在数据库中存储所有信息并开展解析处理，远程地质灾害实时监测与预警可顺利实现，监测信息最终由互联网发布模块发布，矿山地质灾害的预防及治理可获得充足依据。

3.2 模块设计

3.2.1 监控中心模块

作为系统中的重要组成部分，监控中心模块主要负责接收﹑处理﹑转发监测信息及自动报警等功能，该模块由预警﹑图形显示﹑收发服务﹑数据库﹑通信协议共五个子模块组成，具体设计如下：第一，预警。为满足预警需要，该子模块能够发出声音预警并基于预先设定方式发出预警信息，保证矿山地质灾害的具体位置和类型能够及时由相关人员掌握，进而开展针对性地质灾害治理工作，保证相关损失降到最低，矿山安全稳定运行也能够更好得到保障；第二，图形显示。该子模块的运行需要得到监测信息支持，进而通过计算机实现图形化的信息展示，相关信息变化及地质灾害发展情况可更直观展示给相关人员；第三，收发服务。初始化串口属于该子模块的重要功能，同时需要对通信连接的建立情况进行检查，保证短消息接收正常。在完成监测信息接收后，还需要在数据库中统一进行信息存储，如确定其中存在危险信息，则需要及时发出预警，保证相关人员能够及时开展地质灾害治理工作；第四，数据库。该子模块设计遵循独立性和完整性原则，同时结合逻辑和概念两方面开展设计，具体选择SQL Server数据库；第五，通信协议。由于设备采集信息﹑监测点位置信息等均属于监测信息，这使得该信息存在较高传输难度，因此通信协议设计主要涉及Verify﹑State﹑Type﹑Head﹑Location﹑Data等内容[5]。

3.2.2 现场监测模块

为满足矿山地质灾害监测需要，需要在预先设定的监测点处设置监测设备，该设备拥有移动通信功能，能够对地质灾害相关信息进行监测，具体监测内容包括：第一，土壤含水率。土壤含水率通过湿度传感器完成实时监测，相关信息能够及时获取；第二，深部位移。对于矿山存在的滑坡体，需要将角度传感器测斜管通过内部钻孔方式埋入其中，对于出现位移的滑坡体，结合角度随之改变的测斜管，即可实时获取对应监测信息；第三，地下水位。通过预先确定地下水位监测位置，科学设置水位传感器，即可实时采集相关信息；第四，裂缝位移。对于矿山存在的滑坡体，可针对性设置位移传感器，具体在滑坡体和非滑坡体处设置位移传感器两端，裂缝位移可基于二者差值实时获取，进而完成信息监测。

3.2.3 网络传输模块

为通过网络传输实时监测信息，监测预警系统还设置有网络传输模块，在完成监测信息接收后，该模块能够将接收消息指令发送至串口，进而接收信息。本文研究的监测预警系统通过短消息形式进行监测信息发送，同时基于无线控制信道完成短消息传输，信息可依托短消息中心实现高效收发和存储，其中网络传输模块的指令主要包括短消息发送﹑列举﹑读取，以及新消息提示﹑参数显示﹑消息格式选择﹑消息业务选择等

3.2.4 互联网发布模块

围绕传统的矿山地质灾害监测预警方法进行分析可以发现，监测信息一般需要通过监控中心模块进行实时查看，但由于该模块需要承担较多功能，很多时候会出现浏览数据不方便问题，因此本文采用Web技术打造信息发布平台，相关人员能够通过网页较为便利浏览监测信息，监测预警时效性因此大幅提升。

3.3 应用效果

为明确监测预警系统的应用效果，本文开展了针对性的仿真实验，使用的软件为Matlab7.0，为直观展示该系统优势，引入传统监测预警系统进行对比，为实现对系统综合系统验证，需要对不同评价指标进行比较，包括系统响应速度和预警准确率。通过对比可以发现，在实验次数为1-10次时，可得到表1所示的系统响应速度比较结果。

表1 系统响应速度对比结果

结合表1进行分析可以发现，传统系统平均需要耗费2.42s完成响应，本文设计系统则仅需要耗费0.45s完成响应，可见本文研究系统存在较快响应速度，能够更好服务于矿山地质灾害治理。进一步通过仿真软件设置不同类型的地质灾害，之后通过两种系统开展监测和预警，可由此得到表2所示对比结果。

表2 预警准确率对比结果

结合表2所示数据进行分析可以发现，传统系统存在82.4%的平均预警准确率，本文研究系统则为96.5%，由此可见本文研究的监测预警系统实用性，能够较好开展高精度矿山地质灾害监测与预警，进而为地质灾害质量提供有力支持。

4 结论

综上所述，监测预警技术可较好用于矿山地质灾害治理。在此基础上，本文涉及的监测预警系统﹑应用效果分析等内容，则直观展示了监测预警技术的具体应用方法。为更好服务于矿山地质灾害治理，各类新型技术的综合应用﹑软硬件的定期升级﹑相关人才的重点培养等方面也需要得到重视。