基于精密水准技术的矿区地质沉降监测研究

司炳新

（伊春市自然资源局，黑龙江 伊春 153000）

近年来，随着我国经济水平飞速发展和科技水平不断提高，对于能源以及资源的利用程度和要求也随之上升。近年来对于自然资源的开采过于频繁，中国政府为此提出了可持续发现策略，保护国家的自然资源，维护生态平衡。但是由于长时间对矿山资源的过度开采，导致矿区内的地质恶化，地质沉降是矿区地质灾害最为严重的[1]。地质沉降从广义上来讲指的是自然以及人为因素的影响与共同作用下，形成的地面标高降低。其中自然因素对于地面沉降的现象属于普遍存在的历史现象是不可避免的；而人为因素主要是指对矿区地下资源的采矿，破坏了原有的岩体内的受力平衡而使得采空区周围的地表产生移动和变形，从而导致地上建筑物发生变形和损坏，甚至影响人们正常的生产和生活。为了能够改善矿区地质沉降情况，维护正常的矿区环境，缓解地质沉降对于人们的影响需要采取一定的措施。经过长时间的研究，对地质进行检测预测沉降趋势，及时制定缓解策略，是改善矿区地质沉降问题较为有效的方案之一。在进行地质监测的过程当中需要使用一定的技术手段来辅助监测功能的实现，保证该监测结果的真实性以及准确性。在地质沉降监测当中使用较多的技术为精密水准技术，该技术是监测结果必须达到每千米测量高差的偶然误差不能超过1毫米的水准测量。在矿山地质勘察监测中应用精密水准技术保证，地质沉降监测方法的精度更高、效果更好。

1 矿区地质沉降勘查监测方法设计

对矿区进行地质勘察监测，需要对矿区的自然地理条件、气候水文状况以及地质构造等方面进行地质勘察与测量，经过了解之后，埋设监测仪器，通过仪器实现数据的精密采集以及实时监测功能。

1.1 地质测量仪器埋设

若对矿区的地质沉降进行勘察监测就必须分析地质沉降影响因素以及采集与矿区地质沉降相关数据，而数据采集需要地质测量仪器。矿山地质测量仪器能够支撑精密水准技术的使用，在中国水准测量仪器系列当中DS，等均属于精密水准仪。精密水准仪有微倾式、自动补偿式和数字式，这种精密的水准测量仪器主要应用于高精度测量工程[2]。选择测量基站，在监测基站内埋设地质测量仪器，矿山地质沉降测量仪器的埋设工作主要分为几个方向，首先，分层沉降埋设，将沉降的导管分段进行连接，并按照监测需求来埋设深度安放沉降磁环。利用沉降导管将沉降磁环埋设到一定的深度，为了减少地下水对监测结果的影响，需要减少导管浮力，所以要将导管底口进行堵塞处理并在其中注入部分水。利用钻孔埋设法以及压入法埋设孔隙水压力计。在深层土体向位移埋设部分当中，将钻机成孔到稳定层，测斜导管的埋设深度在2米以上，使内壁十字导向槽严格对准测位移的方向，并人为规定正负方向，校对垂直度。最后，埋设地下水位监测仪器，监测地下水位仪器需要PVC材料导管，且导管长度要求含水层1m以上，具有一定强度保证在测量过程当中不会因为地下水冲撞而发生变形。将所有测量仪器进行埋设之后借助通信网络系统将采集到的测量数据传输到监测终端进行数据处理，得出监测结果。

1.2 矿区地质沉降相关数据测量

在仪器埋设好基础上，用计算机端发送数据采集指令，采集引起地质沉降的各项影响因素数据采集。由于矿区地质沉降的类型分为构造沉降、抽水沉降和采空沉降三种类型，所以在进行数据采集的过程中主要采集这三种沉降类型数据，具体影响参数如表1所示。

表1 矿区地质沉降相关影响参数表

从表中数据可以看出，针对三个类型的沉降影响参数进行数据的采集与测量。构造沉降类型是由于地壳沉降运动引起的地面下沉现象，所以地壳位移的监测数据主要包括：位移变形的速度、区域位移量、滑体活动范围等，由于地质沉降现象是由于地层深部运动最终在地表形成沉降现象，所以针对地层深部位移监测以及地表位移监测都是十分必要的[3]。地表位移监测分为垂直方向上的位移和水平平面方向上的位移，通常情况下采用精密水准的测量仪器进行测量，最终的测量结果以三维图像或影像的方式输出，这样既可以体现出该区域地表的垂直位移变化状态也可以体现出水平位移的状态。而对于地层深处的位移现象，需要借助埋设在地下的测量仪器来进行测量，测量的使用方法为电阻丝法和测斜仪法。

关于抽水沉降类型中地下水的活动状态是引起地质沉降问题的最重要的原因，在不同温度、不同气候环境下，地下水的活动规律也各不相同，为此需要对地下水的情况进行监测、分析出其规律，方便地质沉降预测，及时制定应对措施，缓解沉降现象给人们带来的影响。在地下水监测内容主要为地下水的水位变化情况以及地下水数量变化情况，监测地下水的变化是否引起明显的地质沉降，为预防泥石流、滑坡等地质灾害的发生提供可靠、准确的预警信息数据资料。为了能够实现地质沉降实时监测，需要对数据采集的时间间隔进行设置，通常情况下设置固定的采样时间为30分钟，即每30分钟计算机控制终端就会发布一次地质沉降相关参数数据采集指令到测量仪器端口，不同的测量仪器针对不同的影响参数进行数据采集，并传送到计算机端进行进一步的数据分析处理。

1.3 数据精密预处理及分析

将精密测量仪器采集地质沉降影响参数的数据进行处理进而分析。数据精密处理首先需要将数据输入到计算机当中，导入数据时需要结合精密轨道数据，初始数据以及图像经过预处理之后可以生成标准的SLC数据文件，文件当中除了影响参数的数据之外，还有数据获取模式、时间以及地理矢量范围等全部数据信息。需要对标准的数据文件借助二轨方法进行差分干涉处理[4]。在此之前还要对影响数据进行一下基线估算处理，评价干涉影响质量，从而使形变精度随相干性的增加而提高。由于在位移监测方面输出的数据是空间坐标的形式，所以要将其他数据都转换成为空间三维坐标形式，在转换过程中一定要保证数据的准确性与精确性，避免监测结果与其他空间信息叠加产生偏移。最后，将预处理生成的形变图与矢量图进行叠加得出数据预处理结果，并进行定量与定性分析，将监测结果与精密水准数据相比较，进一步验证矿区地质沉降监测结果的可行性。

1.4 去除地形失相干

精密水准的地质沉降信息的获取与数据处理是在精密水准干涉图的基础上进行，在精密水准测量仪器进行监测过程中，获得监测信号会受到多种因素影响，导致相干性很低或者失去相干性，也就使得监测数据不具有使用价值，通常情况下导致失相干的因素有很多，在矿区地质沉降监测当中将失相干分为：空间和时间方面失相干，则监测结果总失相干可以表示为：

公式中λtotal为总失相干，λgeom为空间失相干，λtemporal代表时间失相干。空间失相干的形式是精密水准测量仪器进行两次重复测量当中由于基线距离的角度不同导致的误差，那么空间失相干可以用公式2来表示：

其中α为测量仪器测量的角度，Ry是分辨率，B⊥是空间基线的垂直分量，而d是斜距距离。时间失相干的形成原因是在重复获取数据信息时，在时间间隔之内地表产生的微小变化，而数据获取的时间间隔即为时间基线[5]。因此时间失相干的表述如公式3所示。

公式中ηy、是测量仪器在垂直和水平两个方向上的运动，t是时间间隔。应用最小二乘原理以及奇异值分解方式去除地形的失相干，去除的表达式如4所示。

1.5 提取沉降区域生成沉降图完成监测

将多个去除地形失相干的相位表示主数据和从数据在两个获取时间之间的相位变化平均速度与时间的乘积，就可以获得时间形变序列，即

采集的所有地形信息按照公式5进行计算，最终得出一个M × N形式的矩阵A，由此一来利用奇异值分解方法即可以求出第N+1个数据之间N个时间段的相位值平均形变速率，将得出的平均形变速率与时间间隔相乘，就能够得到监测的最终结果进行累加就能得到累计沉降值。设定累计沉降值的正常范围为0.1-2，则当求出的累计沉降值高于正常范围时就判定该矿区地质出现沉降趋势，需要立即对沉降区进行提取，首先，生成等高线，将值为零的高线生成矢量数据提取范围，以其为参考范围将下沉区域提取出来，由于每个像元值代表的是下沉量，这样就去除了非下沉区域[6]。然后使用重分类功能将不同下沉区域区分开来进而生成沉降区域图，方便进行解决方案的制定。

2 模拟实验分析

在精密水准的条件下进行的矿区地质沉降监测时，最终目的是通过监测结果及时发现矿区内的地质沉降情况，并对地质沉降的变化趋势进行预测，及时制定应对方案。为了验证该监测方法在实际矿区沉降当中具有使用价值进行模拟实验，监测指标如表2所示。

表2 监测实验主要指标表

图1 模拟矿区横向沉降剖面图

照表中的检测实验数据制定实验计划，为了更加凸显该监测方法的使用性设立对比实验，对比实验选择传统的地质沉降监测方式。模拟实验中对比组与实验组选择相同的实验环境，保证模拟实验的变量唯一。在实验当中主要对监测结果的监测误差情况以及监测精度作为实验变量，经过数据采集、处理等一系列实验过程最终提取地质沉降精密信息，从而得出模拟矿区沉降中心区域以及沉降边缘区域的形变检测结果，将不同时间采集的沉降值并制成横向和纵向的剖面图，其中横向剖面结果如图1所示。

按照模拟实验的实验监测结果对该矿区的沉降现象进行统计，将两种矿区地质沉降的监测结果的误差值进行对比，得出误差对比曲线如图2所示。

图2 实验误差对比曲线图

监测误差产生的可能性包括：图像分辨率的制约、精密水准监测数据不对应，沉降梯度过大等，从图中的曲线变化情况可以看出，设计出的基于精密水准矿区地质沉降监测方法可以将误差的浮动范围控制在0-5之间，且更加趋近于0。相比之下传统的监测方法的误差最高的情况会超过10，由此可以看出设计出的监测方法对于矿区的地质沉降信息具有较高的精确率。

3 结语

矿区地质沉降监测对于矿产事业具有重要作用，监测过程包含了信息收集、传输、处理等多个方面，在信息技术引领时代的大环境下，越来越多的现代化技术、设备被应用在地质沉降监测中，例如精密水准技术，这些科学技术为矿产事业提供了新型的检测手法，使得得到的监测信息具有高精度、高可靠等优势。现如今精密水准技术已经被广泛的应用到地质沉降监测当中，且取得了良好的监测成果。