矿井采空区变形监测技术研究

矿井采空区变形监测技术研究

杨天弘

玉溪矿业有限公司大红山铜矿 云南玉溪 653405

摘要：在当前社会、经济、科学技术高速发展的重要时期，矿产资源及其开采极大地影响一个国家或地区的经济建设方针和社会发展水平。矿产资源的开采给国家地区带来发展的同时，也给人们的日常生活带来隐患。矿井采空区变形监测技术研究的不断发展，有利于及时监测由于开采活动导致的地质变化，为可能发生的地质灾害提供预测支撑，同时为后续开采工作提供参考数据。

关键词：矿产开采；采空区；监测技术

引言：随着经济建设工作的不断深入，人们对矿产资源的需求量日益增大，矿产开采行业的发展不断深入。但是由于高强度高密度的进行矿产挖掘开采工作，以及开采技术有待完善原因和开采后没有及时处理开采破坏的遗留问题，使开采地表沉降和开采山区山体滑坡问题愈演愈烈，对于人民生活生存息息相关的居住工作房屋建筑、出行的公路道路造成极大的安全隐患。为了保证矿产开采区的地质安全，降低开采作业后可能衍生的安全问题，矿井采空区变形监测技术的研究尤为重要。

一、矿井采空区变形监测技术的重要性

在人们进行矿产开采活动后，或由于地球自然的地质运动，地表下的岩层出现的“空洞”被称为采空区。地表下的采空区隐藏于地下，通常不能被人们直观的发现，因此具有很强的隐伏性；由于各个矿产资源都有其独特的存在形态、矿物特性及资源特征，导致采空区在空间分布和形态上没有可循规律的特征；此外，自然界的气候和地质运动变化无常，人们难以对采空区的顶板发生冒落塌陷等情况进行预测。

在采空区地表区域范围内，大部分无法建设建筑物，地面无法利用，从而造成资源浪费，严重影响城市的规划和发展。同时由于地表以下没有岩体的支撑，地面人们生活对地表的压力增大，容易发生地表坍塌现象，对人们的日常生活和人身财产安全带来极大的威胁。采空区对矿产开采活动的安全造成很大影响：山体采矿区由于内部被掏空，山体表面岩石失去支撑力和固定作用，在极端的自然天气（如大风、暴雨、地震等）作用下，可能导致山体滑坡等自然灾害，对自然环境造成严重破坏。因此利用矿井采空区变形监测技术可以有效避免上述问题，并在事故发生前做出应对措施。

二、矿井采空区变形监测技术分析

（一）常规采空区变形监测技术

所谓常规采空区变形监测技术，就是利用测斜仪、沉降仪和变形计等常用的测量仪器直接监测地表的变形情况，同时利用包含水准测量、导线测量和三角高程测量等技术的地面观测站对矿业开采工作区域进行监测。

随着科技进步，常规采空区变形监测技术中所应用到的设备，如光学仪器等，对矿区的环境要求敏感度不高，在不同矿物开采区具有灵活的可使用性。同时设备的外观、体型和使用方式也在不断改善，测量的精度和灵敏度也不断提高，且操作简单便捷，对监测人员的技术要求不高，极大地提高了监测工作的效率和准确度。但由于监测工作过程为人工测量工作，且工作地点为野外环境，同时为了提高监测结果的准确性，对矿区的测量工作需要采集多个样本数据，测量数据的时间跨度要求较长，测量完毕后对数据整理工作量大，因此整体测量工作的条件相对辛苦。

随着GPS技术的进步，该技术在常规采空区变形监测技术中的使用不断提高，其辅助作用有目共睹，补偿了常规采空区变形监测工作中的不足之处，可以大范围、高精度、高效率地进行采空区变形监测工作。大范围的测量工作不免导致测量观察点的数量和分布比较稀疏，同时由于测量环境恶劣（如受矿物质磁场影响），利用GPS技术测量时空间分辨率较低，可能导致测量结果的准确性。但是同时采用人工测量工作，二者相辅相成，即可优化监测数据的问题，提高监测工作的准确性和可靠性。

（二）三维激光扫描测量技术

人工监测采空区变形是使用常规水准仪、全站仪，在同一个采空区内进行不同水平测量点进行测量，然后将测量数据通过连线，粗略地建立采空区的三维形态。为了提高采空区形态的直观性和准确性，就需要将测量点的测量水平密度提高，这就非常直接的提高了监测人员的测量和后续数据整理的工作量，可见该测量技术效率之低、劳动强度之大、自动化程度之低。

三维激光扫描测量技术利用激光扫描获取扫描对象表面的三维空间点云数据，获得采空区真实坐标，同时对比不同时间点的数据，通过计算机相关软件的计算，建立采空区三维形态，并得到其空间位置以及变形情况。由于三维激光扫描测量无需接触被测量对象，可以在较远距离进行数据采集工作，具有极高的数据获取能力，极大提高了对测量人员的人身安全保障。同时激光扫描可以快速连续进行，避免了人工测量点的离散式，使该技术测量效率有效提高、数据密度大幅度增大，不易受环境影响。

但由于目前三维激光扫描测量的相关仪器研究发展还在加速上升阶段，研究成果相对不成熟，导致仪器成本花费较大，加之仪器使用技术含量较高，后续测量数据整理工作量大、工作难度高，对测量人员的技术要求比较严格，因此劳动成本较大。虽然三维激光扫描测量技术可以实现大空间内的测量工作，但在扫描较远距离的对象时，测量精度难免会减低，因此在要求高精度的测量工作中，还需要使用全站仪、水准仪等传统测量方式加以辅助，以确保测量工作的准确性。

（三）雷达测量技术

雷达测量技术具有受环境干扰小、获取数据图像分辨率高以及时效性高的特点。

常用的雷达干涉技术是利用飞机卫星等搭载的雷达系统，依据测量对象与雷达天线的位置关系，通过雷达波长、波束视向和天线基线的关系获得数据，结合雷达影像中的相位信息整理计算得到监测对象的三维形态和变形数据。由合成雷达干涉技术衍生出来的差分雷达干涉技术提高了分辨率和测量范围，改善了合成雷达干涉技术的缺点。但雷达干涉技术受大气效应和时空相干性影响较大，且差分雷达干涉技术中差分干涉图到形变图的相位解缠过程极大的影响了测量精度。为解决测量精度和时间分辨率较低的问题，现有将差分雷达干涉技术和GPS技术结合的研究，有效的提高了采空区变形监测工作的准确性。

（四）其他监测技术

针对铜铁矿等矿产的开采，还有磁法勘探、重力法勘探、瞬变电磁法勘探等检测方法。

磁法勘探是利用测量对象为磁性体的磁异常特性，针对其磁分布和走向，找到高磁性异常区，确定磁铁矿的分布的边界。重力法勘探是通过对比矿产所在岩石区域与周边地质体密度的不同，检测由于密度差异引起的重力非正常现象，再由这个现象找到铁矿采空区的方位。瞬变电磁法是依据电磁感应原理，通过使用瞬变电磁仪，利用采空区区域岩体与基岩铁矿岩存在显著电性差异的特点，即可找到铁矿采空区的位置。

三、未来的发展方向

（一）数据融合与技术集成

现如今，三维激光扫描技术以及D-InSAR技术突破了传统监测方法的不足之处，但想要进一步提升监测效率与监测精度，还要重视单项技术的发展，将其所具有的在时间与空间上的高分辨率优势相融合。在未来，多源数据的熔合以及技术的集成化发展是促进监测技术发展的关键。GNSS-DInSAR集成模型正符合这一标准，也将成为未来探索的一大目标。

（二）PSInSAR技术发展

常规的仪器监测不能完全满足采空区变形监测的需要，现如今的监测已经逐渐向PSInSAR技术发展。PSInSAR技术发展拥有监测范围广、监测结果准确度高的优点，在该领域拥有巨大发展潜力。目前，雷达卫星发展朝着更大的数据可用性、更高的分辨率、更短的再访时间方向改进，获取了大量地表位移信息数据，PSInSAR技术发展逐渐提高了对微小变形的监测能力，并基于大规模高空间密度测量来获取成像区域的整体形变，可以在降低成本的同时获得大量高质量的形变信息。

（三）卫星影像分析

根据矿山采空区的特点，利用Ter-raSAR-X卫星图像对金属矿山复杂采空区的地表位移检测方法进行研究和分析。以高分辨率卫星雷达图像数据为基础，采用星载合成孔径干涉雷达技术对地表及地下围岩的运动进行监测，分析变形特征，推导沉降规律，可以经济有效地实现矿区灾害预测预警技术，为矿区安全监测与治理提供科学依据和决策支持。

四、结束语

随着社会的高速发展，矿产资源开采的技术也在不断进步，高效、安全的进行开采作业成为最基本的行业要求，因此需要测量技术和设备的同步发展，以保障矿产开采工作的正常进行。矿井采空区变形监测技术的发展进步，包括高自动化的测量工作过程、高精度化的数据采集、高信息化和智能化的数据处理。在对不同矿产区进行采空区变形监测时，在先进的监测技术和经验丰富的检测人员的条件下，应选用合适的监测方式，可以保证检测人员的人身安全和监测工作的准确性，提高检测效率。

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