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2014年度矿山测量学科新进展
发布时间:2014-12-24

  一、引言
  矿山测量是综合应用光学、声学、惯性、重力、电磁等手段及空间信息等理论方法,研究与矿产资源开发利用有关的从地面到地下、从矿体/工程到围岩的动静态空间信息监测监控、定向定位、集成分析、数字表达、智能感知和调控决策等的科学与技术。主要内容包括:矿山信息采集与三维表达,地下定位与导航,多源复杂信息整合与集成处理,数字矿山与物联感知,沉陷监测与变形控制,“三下”采煤,矿体几何与储量动态管理,土地复垦与环境整治,地下空间环境评估等。主要任务是:构建矿山与地下空间基准,提供(测设)地面地下坐标、距离、与方位与形变;建立矿山与地下空间信息系统,进行数字表达、制图、分析、模拟与动态更新;评价及管理矿体与地下空间资源,监督其合理开发;预测开采/开挖沉陷、地表变形与环境破坏,提出灾害防治措施;开展建筑物下采煤、水体下采煤、铁路下采煤与工广煤柱开采;进行土地复垦与环境保护。我国矿产资源需求大,开发工程多,本专业在保障资源安全、高效、绿色、节约开发利用方面发挥了重要作用,产生了巨大的应用效益,具有广阔的社会需求及发展前景。
  二、本学科发展现状
  1.综合PPP、CORS及三维激光扫描的地表沉陷监测
  采用PPP、CORS及三维激光扫描测量等现代测量技术,集合传统高程及平面监测数据,构建了复杂矿山高精度测绘框架,开发了相应的软件系统;在此基础上,进行了变形灾害监测及开采沉陷参数反演等研究,为矿区可持续发展提供了基础性的保障。
  2.基于InSAR的矿区变形监测
  包括基于DInSAR的开采沉陷参数提取与沉陷规律分析;基于DInSAR的老采空区地表残余沉降监测地基稳定性评价技术;基于InSAR技术的非法开采监测预警;建立适合矿业城市地表形变的监测模型,解决了矿业城市地表形变长时序InSAR监测的关键技术问题。
  3.地表煤火灾害多源监测
  包括TM/ETM/MODIS融合热场监测技术;火区温度场地面热红外近景监测技术;遥感与无人机的煤火区地裂缝监测与煤火治理方案。
  4.数字矿山空间信息集成建模与应用
  突破了矿山地上下多源异构空间数据分裂、地层矿体模型与井巷模型不耦合、三维空间模型与采矿安全分析模型不统一、矿山三维模型更新维护极其困难等数字矿山技术难题,提出了一批矿山三维空间模型、处理方法与分析算法,开发了系列软件,进行了广泛应用。
  5.固体充填开采沉陷控制
  成功开发出了具有完全自主知识产权的综合机械化固体废弃物充填采煤技术与装备体系,通过将煤矿固体废弃物充填采煤后形成的采空区控制岩层移动和变形,回收“三下”呆滞资源和保护环境。通过相似模拟、现场观测、数值模拟、理论分析等多种手段,建立了充填采煤岩层移动与地表沉陷分析的力学模型,给出了预测充填开采岩层运动和地表移动变形的“等价采高”计算方法和参数。
  6.开采沉陷与“三下”采煤新技术
  通过现场试验观测、数值分析、理论研究,在该领域取得如下主要成果:①深入研究了综采放顶煤地表沉陷规律与覆岩破坏规律,为厚煤层矿区合理留设保护煤柱、科学开展“三下”采煤奠定了基础;②成功开展了综采放顶煤村庄房屋破坏规律与保护技术研究,探索出厚煤层矿区不搬迁村庄下采煤新技术和新途径;③系统开展了地表大型水体下综采放顶煤开采技术研究,形成了一套完整的水体下采煤技术体系和安全技术措施;④首次开展了新建井筒留设小保护煤柱与抗变形技术研究,提出了井筒小保护煤柱的留设方法和计算依据,形成了小保护煤柱条件下新建井筒的抗变形技术体系;⑤在采动区、采空区地面建筑研究领域,形成了完整的技术体系,包括采动(空)区地基稳定性评价、地基处理与抗变形技术,并在平顶山、唐山、潞安、焦作、徐州、皖北等矿区得到大面积推广和应用;⑥在矿区高压线保护、风电站建设、高速公路下采煤及宽条带开采、充填开采方面,取得较大的进展。
  7.资源型城市工况区废弃地恢复再利用技术
  资源型城市拥有大量废弃工矿土地,这些土地综合整治可再利用。针对资源型城市工矿区废弃地在地质、土壤、环境等方面的特殊性,研究了工矿废弃地修复技术,如工矿废弃地生物修复机理及技术、裸岩矿山植被修复技术、地球化学工程学修复机理及技术等;塌陷区土地再利用技术,如塌陷区地质与生态安全评价指标体系、建设利用安全性评价技术、景观重建技术、建筑物地基稳定增强技术等;工矿废弃地利用规划设计技术,如矿产资源开发与土地利用一体化规划技术、尊重本体建筑的改造设计方法等。
  8.采煤沉陷区地基处理与工程建设技术
  通过室内模拟试验与现场应用实践相结合的模式,研究了采空区地表建筑地基稳定性评价与加固处理技术、废物回填建筑地基工程应用技术研究、采煤沉陷区建筑技术。研究成果在平顶山矿区、焦作矿区、开滦矿区、准北矿区、徐州矿区等地得到推广应用,在采煤沉陷区上建成十层以上高层建筑,矿区生态环境得明显改善,取得了良好的经济和社会效益。煤矸石利用后不仅使煤矸石压占的土地得以释放,同时也减少了煤矸石对矿区生态环境的影响,取得了良好的生态效益。
  9.采煤沉陷区土地复垦与农业生态再塑技术
  包括矸石充填复垦土壤剖面构建;疏排法复垦土壤剖面构建技术;采煤沉陷地农业景观再塑与生物多样性保护技术。本研究成果在河北开滦矿区和山东兖州矿区共治理采煤塌陷地面积2414.22hm2,并建立了高效立体农业示范区2个,总面积达到了1242.54hm2,示范区生态效益初步显现。
  10.基于城乡统筹的矿区塌陷地生态修复集成技术与规划
  为加快采煤塌陷地的综合治理和利用,促进矿区产业转型,系统地研究了“矿、城、乡”空间体系下采煤塌陷地的生态修复集成技术和规划方法体系。研究范围面积约200km2,总人口约42万,涉及29个煤矿,33对矿井,分为规划区、实验区和启动区三个层次。
  三、本学科分析与展望
  我国是一个矿业大国,可持续发展及利用信息技术改造传统产业的要求给本专业的发展提出了机遇与挑战,使其研究领域及重要性不断得到扩展与增强,从业人员数量及研究面位居世界前列,在矿山变形监测、地层沉陷控制、矿山工程测量、矿山复垦、数字矿山等方面与世界水平同步。但是依然存在一些不足和问题,主要有:
  (1)矿山测量仪器研发薄弱。矿山测量对象特殊隐蔽、动态多变,测量场所条件复杂、干扰严重,常规测绘仪器与手段难以满足矿山测量的质量与精度要求,需要研发矿用测量仪器,如矿井陀螺仪/陀螺经纬仪/陀螺全站仪、防爆三维激光扫描仪、矿井测量机器人、煤矿边坡变形远程监测仪等。在矿山测量仪器研发方面,重视不够、投入不足、差距较大。
  (2)矿山警察角色担纲缺位。由于多种原因,在我国建设资源资源节约型、环境友好型社会方面,矿山测量专业作用远未充分发挥出来,未能有效辅助政府科学规划与有效监管资源开发与开采过程及矿产与伴生资源回收状况;对矿山和矿业城镇的环境污染和生态破坏机理与监测手段研究还不够。
  (3)原创理论和技术少。除开采沉陷规律和“三下”采煤技术方法、数字矿山理论与关键技术之外,一般多为学习、跟踪国内外相关领域的先进理念与技术方法,缺少原创。一些重要技术如采区动态沉陷的INSAR测量、积水沉陷区水深测量、巷道断面及围岩变形自动监测、深井大型贯通测量技术与方法、机载激光雷达(LIDAR)及无人机(UAV)遥感技术、高光谱遥感与探地雷达技术应有等,均属引进消化或集成应用。
  本专业发展目标和前景是,数字化地集成管理与共享利用各类矿山及地下工程数据与信息资源,可视化地三维模拟与虚拟再现矿山及地下空间资源开发环境,仿真化地模拟分析矿山及地下空间资源开发活动与影响过程,智能化地分析监测监控数据并智能识别各类灾变前兆,自动化地实施矿山及地下空间资源开发活动安全预案,科学化地进行环境与灾害控制与治理。



来源:中国煤炭学会
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