3S技術(shù)在礦山開采沉陷區(qū)中的應(yīng)用

張獻(xiàn)偉，劉衛(wèi)軍，石磊

（新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091）

隨著礦山開采的進(jìn)度，礦山測(cè)量發(fā)揮著重要的作用，在礦山開采前期提供必要的基礎(chǔ)資料[1]。礦山在開采過程中極易出現(xiàn)坍塌事件，不僅對(duì)開采人員的人身安全造成極大損害，嚴(yán)重者則造成人員傷亡，同時(shí)對(duì)周邊房屋的居民及辦公人員也極易產(chǎn)生安全隱患[2]。礦山開采就需要進(jìn)行相應(yīng)的工作面、巷道、井底車場(chǎng)等的定位定向，井上下聯(lián)系測(cè)量，使井上下建立起統(tǒng)一的坐標(biāo)框架，便于生產(chǎn)和管理[3]。“3S”技術(shù)是對(duì)遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的統(tǒng)稱[6]。遙感數(shù)據(jù)是GIS的數(shù)據(jù)源；GIS具有采集、存貯、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球上與空間和地理分布有關(guān)數(shù)據(jù)的重要作用；GPS具有精確的定位能力和準(zhǔn)確的定時(shí)和測(cè)速能力。將三者結(jié)合就可以根據(jù)實(shí)際需要快速準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地將數(shù)據(jù)結(jié)果輸出給用戶[4]。“3S”技術(shù)主要應(yīng)用于礦山資源調(diào)查、開采沉陷動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、巖移規(guī)律變化分析、礦山制圖、礦山資源管理、遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)功能等[5]。在對(duì)礦山測(cè)量信息系統(tǒng)的研究中，主要以RS和GPS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用GIS的空間分析能力和屬性數(shù)據(jù)管理功能建立礦山信息系統(tǒng)，對(duì)礦山開采資源進(jìn)行管理[6]。

在礦山開采前，必須對(duì)其山體及地下環(huán)境測(cè)繪，通過收集到精準(zhǔn)度較高的數(shù)據(jù)來對(duì)后續(xù)開采等工作內(nèi)容進(jìn)行規(guī)劃，極大程度地保護(hù)礦產(chǎn)資源及周邊環(huán)境的安全，充分發(fā)揮3S技術(shù)的作用，可實(shí)時(shí)生成三維可視化圖像，從而使礦山開采工作得到有序開展。

遙感影像所反映的是某一區(qū)域特定地理環(huán)境的統(tǒng)一體，是地表各種地物光譜的綜合信息。地理空間和影像空間通過遙感成像相互連接與實(shí)現(xiàn)。遙感技術(shù)的成像過程是將地物的電磁輻射特性或地物的波譜特性，用不同的成像方式生成各種影像，而遙感影像的解譯過程則是成像過程的逆過程。在解譯過程中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理和光學(xué)圖像處理方法，建立各類型的影像解譯標(biāo)志，然后由點(diǎn)及面進(jìn)行詳細(xì)解譯，自繪各類圖斑的范圍線。研究主要采用直接判讀法、相關(guān)分析法、分層分析法、綜合分析法4種方法。

1 研究內(nèi)容

礦山開采之后，由于采動(dòng)的影響會(huì)造成工作面上覆巖層的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而傳遞到地面，會(huì)對(duì)地面造成不同程度的影響和破壞，影響地面的建筑物、構(gòu)筑物及土地的使用。為了更好地掌握開采沉陷的影響范圍和影響程度，本文在傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上并結(jié)合3S技術(shù)的相關(guān)功能：空間數(shù)據(jù)管理、空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及空間數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析功能，提出了新的確定開采沉陷影響范圍內(nèi)的相關(guān)屬性信息，如影響的等級(jí)，影響的范圍、面積，影響區(qū)域內(nèi)都是有什么樣的地物等屬性信息。從而為開采后提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，方便相關(guān)部門進(jìn)行相應(yīng)的方案預(yù)處理。

通過地籍調(diào)查的把相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫，與地形信息建立起一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這樣經(jīng)過GIS運(yùn)算及查詢功能可以使開采沉陷后對(duì)地表造成什么樣的影響、影響的程度和范圍等信息一目了然，從而為決策者提供依據(jù)。具體工作為：

通過開采設(shè)計(jì)圖紙，確定地面觀測(cè)線方案，建立地面GPS控制網(wǎng)模型，為后期礦井聯(lián)系測(cè)量、地面觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量等工作提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，和提供地面點(diǎn)精確數(shù)據(jù)；RS為開采區(qū)域影響范圍內(nèi)及周邊提供多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)，GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入，處理、分析、決策。這樣就可以實(shí)現(xiàn)開采區(qū)域地面上的準(zhǔn)確信息，并可以建立立體模型，如DEM；DTM等。

2 地表移動(dòng)的確定方法

2.1 傳統(tǒng)的地表移動(dòng)確定方法

（1）通常以下沉10mm的點(diǎn)作為地表下沉盆地的最外邊界點(diǎn)

（2）借助于開采沉陷中的預(yù)計(jì)模型概率積分法模型，預(yù)計(jì)出地表下沉等值線曲線圖：

式中：L—計(jì)算長度，l=L-S；

S—拐點(diǎn)偏移距。

再根據(jù)采動(dòng)損壞規(guī)范要求，利用反距離加權(quán)平均值的方法求出采動(dòng)損壞的等級(jí)區(qū)間，根據(jù)預(yù)計(jì)值與《煤礦規(guī)程》進(jìn)行對(duì)比，從而確定影響范圍及影響程度。

（3）以地面房屋裂縫為開采沉陷范圍依據(jù)。

2.2 新的確定地表移動(dòng)影響范圍的方法

（1）借助于RS多時(shí)相影像，通過影像分析、解譯、判讀，提取同一時(shí)期采煤工作面上覆地表農(nóng)作物、植物變化的光譜特征，從而確定開采沉陷的影響的范圍。并利用GPS-RTK在外業(yè)采出這些變化的特征點(diǎn)，并導(dǎo)出到GIS軟件中，以遙感影像作為底圖，繪制出煤炭開采影響范圍圈。

（2）通過對(duì)開采區(qū)域上下對(duì)照?qǐng)D，對(duì)地面區(qū)域有可能影響到的地方進(jìn)行土壤成分采樣、并與開采前的土樣成分進(jìn)行比對(duì)、分析，確定出開采沉陷的影響區(qū)域范圍。

3 案例分析

某煤礦開采工作面的設(shè)計(jì)圖如圖1所示，在進(jìn)行井下煤炭資源開采時(shí)，對(duì)地面造成了嚴(yán)重的影響，不僅破壞了地表建筑物和構(gòu)筑物，也破壞了地表植被及生態(tài)環(huán)境。本文借助于相似礦區(qū)巖移移動(dòng)系數(shù)，利用概率積分法預(yù)計(jì)模型對(duì)該區(qū)域進(jìn)行開采沉陷影響區(qū)進(jìn)行預(yù)計(jì)，以下沉10mm的點(diǎn)作為地表下沉盆地的最外邊界點(diǎn)結(jié)果如圖2所示。由于煤炭開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞時(shí)效性比較滯后，所以對(duì)地表植被、農(nóng)作物及生態(tài)環(huán)境的破壞比預(yù)計(jì)的地表下沉盆地邊界影響范圍要大，具體以實(shí)際調(diào)繪為主，借助GPS-RTK進(jìn)行地表特征點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和該區(qū)域遙感影像導(dǎo)入到arcgis軟件中，通過加載數(shù)據(jù)和影像配準(zhǔn)，在arcgis中準(zhǔn)確地矢量化出真實(shí)的影響范圍區(qū)，如圖2所示。

4 結(jié)語

結(jié)合3S技術(shù)在具體工程實(shí)踐中的運(yùn)用，并在此基礎(chǔ)上提出了新的比較合理的確定地表移動(dòng)影響范圍的方法，為生態(tài)環(huán)境的修復(fù)提供重要的參考依據(jù)。具體為：

（1）借助于RS多時(shí)相影像，通過影像判讀與實(shí)地外業(yè)調(diào)繪相結(jié)合的方法，來確定煤炭開采造成的實(shí)際影響的生態(tài)破壞范圍區(qū)。

（2）通過對(duì)開采區(qū)域上下對(duì)照?qǐng)D，對(duì)地面區(qū)域有可能影響到的區(qū)域進(jìn)行土壤成分采樣、并與開采前的土樣成分進(jìn)行比對(duì)、分析，從而可進(jìn)一步預(yù)判出開采沉陷的影響區(qū)域范圍。