礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法與自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

何勝強(qiáng)

摘要：礦山地質(zhì)災(zāi)害對礦山開采有著直接作用，這不僅威脅工作人員生命安全，對礦山企業(yè)發(fā)展也會造成一定損傷，采用合理的監(jiān)測方法能夠保證礦山地質(zhì)災(zāi)害防治的合理性。文章通過對礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探討自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：礦山地質(zhì);地質(zhì)災(zāi)害;災(zāi)害監(jiān)測;預(yù)警系統(tǒng)

引言

我國礦產(chǎn)資源十分豐富，采礦業(yè)在我國歷史悠久，特別是近20年來，礦業(yè)開發(fā)程度不斷加大，采礦活動引起的礦山地質(zhì)環(huán)境問題逐漸展現(xiàn)出來，主要有礦山地質(zhì)災(zāi)害、含水層破壞、地形地貌景觀破壞和水土污染等，其中礦山地質(zhì)災(zāi)害最為普遍和突出。礦山地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，不僅會直接影響到礦山地質(zhì)環(huán)境，而且會對生命安全造成嚴(yán)重威脅。因此，礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警的重要性也突顯出來。我國地質(zhì)工作者對礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了許多的研究，制定了礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范，開展了礦山地質(zhì)環(huán)境遙感監(jiān)測和演化過程研究，提出了礦山地質(zhì)環(huán)境治理模式和技術(shù)方法。本文對礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法進(jìn)行了介紹，提出了建立依托地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺的自動、高效、及時的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化全時監(jiān)測和監(jiān)測預(yù)警，達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的目的。

一、地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測方法

以往的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，通常是以人工或半自動的監(jiān)測為主，但是范圍較大時，往往常規(guī)的監(jiān)測方法就無法滿足。在諸多新興自動化監(jiān)測體系中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用最為廣泛。通過在一定區(qū)域范圍內(nèi)布設(shè)多種傳感器，建立基于無線通信協(xié)議的一種自組織、動態(tài)變化的局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅能夠接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，且能進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)融合處理，再通過連接遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心的服務(wù)器。地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常是在充分現(xiàn)場調(diào)查、綜合分析的基礎(chǔ)上，部署一系列的傳感器節(jié)點(diǎn)實時監(jiān)測其變形狀況與誘發(fā)因素，如地表位移、巖土含水率等，再利用匯聚節(jié)點(diǎn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)存儲或處理，最后通過建立WSN與外部遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的連接，實現(xiàn)多源采集的信息以集中方式進(jìn)行批量傳輸，主要包括地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)集成與分析系統(tǒng)，以及預(yù)警信息發(fā)布與管理系統(tǒng)。

二、礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測現(xiàn)狀

礦山地質(zhì)災(zāi)害主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷、不穩(wěn)定斜坡等[2]。針對不同的地質(zhì)災(zāi)害類型，礦山在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中可采取不同的監(jiān)測方法。在礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)和土地復(fù)墾方案中，一般設(shè)計的專業(yè)監(jiān)測方法有：雨量觀測、裂縫測量監(jiān)測、變形測量監(jiān)測、深層側(cè)向位移監(jiān)測、GPS測量監(jiān)測等，測量儀器一般為全站儀、經(jīng)緯儀、GPS、測距儀、裂縫計、地應(yīng)力計等。在實際應(yīng)用中常受到通信條件、地形、天氣等限制，部分儀器專業(yè)性較強(qiáng)難以操作，監(jiān)測間隔時間較長且不連續(xù)，加密監(jiān)測頻率則使得外業(yè)工作量大，導(dǎo)致監(jiān)測經(jīng)費(fèi)投入較大，最終形成礦山企業(yè)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測工作落實情況較差和監(jiān)測效果較差的局面。隨著科學(xué)技術(shù)水平的逐漸提高，監(jiān)測設(shè)備也越來越智能化。周密、喻小等運(yùn)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）技術(shù)對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中取得了良好效果;楊乾坤、杜建濤等用合成孔徑雷達(dá)干涉（InSAR）技術(shù)運(yùn)用于地面塌陷測量和監(jiān)測，對其測量精度和監(jiān)測效果進(jìn)行了論證。此外，陳蒙等在綠色礦山建設(shè)中的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用中采用了無人機(jī)、人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算手段。因此越來越多的高新技術(shù)也應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警中來，為礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測提供了更多有效的方法。

三、礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法與自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用

（一）智能化監(jiān)測設(shè)備

在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)應(yīng)用過程中，智能化監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用顯得尤為重要，能夠?qū)I(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，這其中涉及的內(nèi)容有地面以及坡體監(jiān)測設(shè)備、雨量和水位精密監(jiān)測設(shè)備等。實際智能化監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用，應(yīng)滿足以下幾方面需求。第一，很多地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)位置集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)，位置偏僻，供電不便，監(jiān)測設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)時需自己為自己提供電能。第二，由于不同變形地段中的隱患點(diǎn)存在差異性，為此，工作人員應(yīng)根據(jù)實際情況，確定最佳的監(jiān)測采樣頻率，這也是維護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)完整性的根本所在。但從實際實踐應(yīng)用過程中能夠看出，上述內(nèi)容還需要得到有效改進(jìn)。例如，在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)監(jiān)測需求明確上，如果隱患點(diǎn)前期變形較小，并不需要采用過高的采樣頻率，否則冗余數(shù)據(jù)將會大幅增加。在后續(xù)工作之中，還會涉及高頻采樣，以此獲取加速變形階段的數(shù)據(jù)可靠性情況。截至目前，最為常見的監(jiān)測設(shè)備中監(jiān)測頻率以人工設(shè)計為主，不能做到根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)變化情況調(diào)節(jié)采樣頻率，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，便會導(dǎo)致預(yù)警信息漏報問題。所以說，在具體設(shè)備監(jiān)測時，工作人員需要維護(hù)采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如果原始數(shù)據(jù)無法將隱患點(diǎn)實際變化規(guī)律呈現(xiàn)出來，需要進(jìn)行預(yù)處理操作。目前監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理，主要以第三方軟件應(yīng)用為主，設(shè)備自身處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力十分有限。如果原始數(shù)據(jù)過多，數(shù)據(jù)發(fā)送壓力也會大幅度提升，例如原始次聲監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)量一般要比處理過濾后的數(shù)量多出10倍以上，很多偏遠(yuǎn)地區(qū)信號質(zhì)量較差，讓監(jiān)測數(shù)據(jù)壓縮和發(fā)送受到影響。因此，做好對監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效分析和過濾，是該類設(shè)備未來主要的發(fā)展方向。

（二）地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)需考慮與業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，與應(yīng)急、消防、氣象、水利等部門的業(yè)務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和交換，并可分層級擴(kuò)展在市級單位部署下級平臺，或是通過互聯(lián)方式與市級平臺進(jìn)行對接，整合形成全省范圍的地質(zhì)災(zāi)害共享大數(shù)據(jù)。統(tǒng)一基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過前置庫方式對接全國地質(zhì)災(zāi)害信息平臺，共享全省地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)基本信息、全景影像以及預(yù)警信息;通過WebService服務(wù)的方式共享省氣象局、水文局雨量數(shù)據(jù)信息;采用數(shù)據(jù)推送方式，將地質(zhì)災(zāi)害防治相關(guān)統(tǒng)計信息推送至省自然資源綜合統(tǒng)計與決策支持系統(tǒng)共享，將地質(zhì)災(zāi)害防治項目等監(jiān)管信息推送至省自然資源綜合監(jiān)管與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)共享，將地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警信息通過省政務(wù)數(shù)據(jù)共享交換服務(wù)平臺與安徽省應(yīng)急管理信息系統(tǒng)共享交換數(shù)據(jù)。另外，動態(tài)消息交互。采用動態(tài)消息交互機(jī)制，為海量數(shù)據(jù)隊列推送給應(yīng)用程序提供信息發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)總線，消息被接收之前都可安全保存。實現(xiàn)移動APP與后臺無線網(wǎng)絡(luò)通訊，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號出現(xiàn)抖動時，消息交互機(jī)制能夠支持?jǐn)帱c(diǎn)推送。網(wǎng)絡(luò)信號差時，消息保持在隊列中，信號正常后，消息立即推送到移動APP。

（三）視頻監(jiān)控自動識別預(yù)警

該技術(shù)的合理應(yīng)用，可實現(xiàn)對災(zāi)害體形變狀態(tài)的監(jiān)測與報警，利用超高清監(jiān)測系統(tǒng)對重點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生體進(jìn)行有序監(jiān)測，并對監(jiān)測的畫面數(shù)據(jù)進(jìn)行實時對比分析，當(dāng)災(zāi)害體出現(xiàn)微觀形變時，可進(jìn)行及時報警，由專項負(fù)責(zé)人進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)防治工作指揮開展。在視頻監(jiān)控自動識別預(yù)警技術(shù)應(yīng)用時，可基于微波信號傳輸，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害體的動態(tài)監(jiān)測，如山區(qū)存在信號盲區(qū)，基于微波無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，快速對地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行形狀分析。微波無線網(wǎng)絡(luò)的安裝成本較低，可基于GIS技術(shù)的應(yīng)用，為控制室提供準(zhǔn)確的地質(zhì)災(zāi)害體形變坐標(biāo)，快速準(zhǔn)確地找到相關(guān)區(qū)域，并發(fā)出預(yù)警信息。

結(jié)語

綜上所述，礦山地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測預(yù)警體系實現(xiàn)了監(jiān)測指標(biāo)異常時自動預(yù)警，有效地解決了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測專業(yè)人員的不足和偏遠(yuǎn)山區(qū)受地形氣候限制的難題，提高了礦山地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測頻率、效率及效果，有助于礦山開采工作的順利進(jìn)行，能夠為礦山開采提供有力的參考依據(jù)。

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