基于GIS的大孤山露天礦邊坡穩定性分析研究

馬繼國

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

基于GIS的大孤山露天礦邊坡穩定性分析研究

馬繼國?

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

針對遼寧省鞍山市大孤山露天鐵礦北端邊坡出現滑動變形這一現象，通過詳細的地質調查和邊坡節理裂縫的測定，利用TM30監測露天礦邊坡的變形情況。用FLAC軟件進行數值模擬分析邊坡的穩定性。采用時間序列分析監測數據，并總結出邊坡變形的一般性規律。建立起基于GIS的大孤山露天礦變形監測預警系統。

變形監測；露天礦邊坡變形規律；WebGIS；穩定性分析

1 引 言

大孤山鐵礦位于鋼都鞍山東南12 km的千山腳下，占地面積約10.6 km2，素有“十里鐵山”美名，同時也是亞洲最深的露天鐵礦。科學測算，礦山北部礦體總儲量為12 175.6萬噸，其中碳酸鐵礦儲量為9 564.7萬噸，綜合礦質品位達到27.7%。開采深度已達到-258 m，為了保障大孤山鐵礦西端礦石井的安全穩定運行和整個礦區生產，避免出現重大人員傷亡導致被迫停產的被動局面，必須對大礦西井運輸巷道的邊坡變形規律及穩定性進行研究，采取綜合有效的措施進行預報和防治。

2 變形監測目的

監測工作的主要目的是針對大孤山鐵礦西北幫邊坡地質環境和工程地質特征，確定變形主要因素部位，突出重點建立完善的監測剖面和長期的監測預報系統，保障礦山安全生產。

邊幫位移監測采用對地表埋設監測樁觀測的方法，地表位移則采用精密TM30機器人監測邊坡巖體的絕對位移變化情況。通過定期、長期觀測，為分析邊坡變形移動趨勢提供可靠的數據，提供超前預報保證礦山安全生產。具體計劃:

(1)采用GPS同測量機器人組合進行變形監測，討論了變形監測網質量評定標準、設計要求，同時分析研究了GeoMoS和FLAC數值模擬的技術及應用。

(2)研究了變形數據分析DEM建模的基本理論與方法，運用回歸分析法、時間序列分析模型等，闡述了它們的優缺點和適用領域，并用時間序列分析法對數據進行了分析預測，用實踐數據檢驗了擬合預報結果的準確性。

(3)利用GIS平臺開發了遠程變形監測系統，在Java環境下用ASP實現變形觀測數據庫的遠程實時操作管理，用HSkyXChart插件實現了監測圖表的自動生成輸出，提供預警預報信息。

(4)結合大孤山露天鐵礦邊幫坡變形監測項目，分析論證監測數據的可靠性及邊坡的穩定性。

總的來說，變形是基礎，變形分析是手段，變形預報才是目的，數據的處理過程就是進行變形分析和預報過程。隨著我國深凹露天礦開采深度的不斷增加，礦山的安全變得越來越重要，所以邊坡變形監測變得至關重要。

3 變形監測方法分析

變形數據獲取方法的選擇取決于變形體的特征、變形監測的目的、變形的大小和變形速度等因素。在區域性變形監測方面，全球定位系統GPS早成為主要的技術手段；在全球性變形監測方面，大地測量方法是使用最多的技術手段；在工程和局部性變形監測方面，主要使用地面常規的測量技術、地面攝影測量技術、特殊和專用的測量手段和以GPS為主的空間定位技術等。

而近幾年全自動跟蹤全站儀RTS(Robotic Total Observation)，也稱為測量機器人(Georobot)的使用，為工程局部變形的自動監測數據采集或遠程監測提供了一種優秀的技術手段，它可進行測區范圍內無人值守全天候和全方位的自動監測。而這幾年發展的數字攝影測量和實時攝影測量為地面攝影測量技術在變形監測中深入應用開拓了非常廣泛的前景，以后會有廣泛的應用。

3.1 TM30測量機器人的應用

TM30全站儀又稱精密測量機器人，是一種高精度全站儀，也是徠卡公司在中國區新推出的一款儀器。角度測量精度:0.5″，距離測量精度:0.6 mm+1 ppm。TM30采用壓電陶瓷技術驅動使儀器轉動更迅速和噪音更低，具有自動搜索、鎖定目標、自動觀測和自動記錄等多種功能。TM30邊坡自動監測系統主要由測量機器人、GeoMos監測軟件、氣象傳感器、基點、參考點、目標點組成，是基于一臺測量機器人的有合作目標(照準棱鏡)的變形監測系統，可實現全天候的無人值守[1]。

3.2 遠程變形監測系統組成

本文通過大孤山露天鐵礦邊坡監測項目研究遠程變形監測預警系統，該系統包括數據采集、數據處理分析和遠程變形預報三大部分組成。數據采集包括GPS測站和TM30測站；數據處理分析是建立在GIS基礎上包括預處理、變形分析、圖形顯示和報表的自動生成等[2]，如圖1所示。

圖1 GPS和TM30測量機器人聯合變形監測系統

在此次項目研究中主要是應用GPS和TM30測量機器人進行監測，對于其他的監測方法只做參考輔助；利用WebGIS和Java建立起比較完善的遠程預警預報系統。

4 大孤山礦區監測設計

在邊坡上按設計位置新澆筑64個鋼筋混凝土監測樁(如圖2所示)，這樣由原來的21個監測樁增加到85個。地表位移監測樁縱截面為梯形，底面規格為60 cm×60 cm，頂面規格為30 cm×30 cm，頂部光面，并水平嵌入強制對中器，高度1.0 m。樁體深入地表0.8 m或到達穩固基巖，澆筑后要求和巖土體成為一整體，在滑體變形時不能產生相對位移。樁體以鋼筋為骨架，采用C20混凝土澆筑。

圖2 大孤山鐵礦西北幫邊坡位移監測示意圖

TM30用強制對中安置在經過控制網平差的基準點上，通過編組在監測樁(帶強制對中器)上安置反射棱鏡，進行分組觀測。通過定期觀測獲得監測點的三維坐標，再與監測點的起始坐標比較，確定變形點的絕對水平位移，同時分析滑移速度和滑移趨勢，如圖3所示。

圖3 觀測基點與監測點現場儀器安置圖

測量執行中華人民共和國標準《工程測量規范(GB50026-2007)》，滿足二等變形測量的精度要求。

每隔7天觀測1次，根據監測數據變形情況和降水等特殊情況對觀測次數可適當調整，總監測次數15次。同時要及時進行數據整理分析和預報，并立即報告給相關部門，以便能及時判斷邊坡及巷道的穩定狀況，指導礦山采剝生產，達到安全生產的最終目的。

5 邊坡穩定性的數值模擬

本研究就是利用FLAC(美國Itasca公司開發的有限差分程序，能夠進行土質、巖石和其他材料的結構受力模擬和分析)的強大處理功能[3]，對大孤山邊坡進行數值模擬建模和網格劃分。根據大孤山鐵礦的生產條件以及工程實踐，確定數值模擬方案為4個，分別模擬不同開采深度為-50 m、-150 m、-190 m和-220 m臺階。本文以-150 m為例進行說明。

5.1 數值模擬計算結果

模擬計算結果包括大孤山露天鐵礦西北幫邊坡隨著開采深度的增加各個剖面的應力場和位移場，在整體分析的基礎上，這里分5個剖面進行重點分析，Ⅰ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ剖面主要是針對混合巖，Ⅱ-Ⅱ剖面主要針對紅礦，Ⅴ-Ⅴ剖面主要針對千枚巖。計算不同剖面在不同開采深度條件下的水平位移、垂直位移變化情況。本文僅以Ⅴ-Ⅴ剖面為例進行闡述說明，開挖-150m臺階Ⅴ-Ⅴ剖面的等值線模擬計算，如圖4所示。

圖4 邊坡開挖到-150 m臺階時剖面計算結果

5.2 邊坡穩定性變化規律分析

邊坡穩定系數是指不穩定體沿滑動面產生的抗滑力與滑動力之比，比值等于1處于極限穩定，比值大于1處于穩定狀態，比值小于1時處于失穩狀態。

剖面穩定性系數隨開采的變化規律，總體上看隨著開采深度的增大，邊幫整體穩定性表現為下降趨勢，安全系數逐漸的遞減，紅礦最好，混合巖次之，千枚巖穩定性最差[4]。但總體上都處于穩定狀態，各剖面的穩定性系數都大于1.1。圖5所示為5個剖面穩定性系數變化規律示意圖。

通過數值分析模擬，將計算結果信息整理匯總存儲到GIS數據庫中，以便于日后遠程變形監測系統對其進行讀取，方便管理和應用。

圖5 5個剖面穩定性系數隨開采的變化規律

6 時間序列回歸分析

采用時間序列分析法(ARMA)，來對大孤山變形監測的數據進行預測分析，以此來提高監測數據的可靠性，及時準確地發布礦山邊坡位移預報。

時間序列分析方法所研究的是一系列隨時間變化而又相關聯的動態數據序列，通過對數據進行分析，找出反映事物隨時間的變化規律，從而對數據的變化趨勢做出正確的分析和預報。

本文列舉僅僅對大孤山露天礦9號監測點前12期數據進行分析，后3期數據作為驗證通過這種方法得到的預報值的可靠性，如表1所示。

第9號監測點變化量值 表1

時間序列分析的特點在于:逐次的觀測值通常是不獨立的，且分析必須考慮到觀測資料的時間順序，當逐次觀測值相關時，未來數值可以由過去觀測資料來預測，可以利用觀測數據之間的自相關性建立相應的數學模型來描述客觀現象的動態特征。

計算得到如圖6的預測值曲線圖。

圖6 第9號點水平位移X方向變化趨勢圖

從圖6可以看出，預報序列值與實測值變化趨勢基本一致，說明時間序列具有良好的模擬效果。

7 采用Java的WebGIS系統

基于WebGIS的遠程形變監測系統由數據采集模塊、數據庫管理模塊和數據分析預報模塊組成，是在計算機軟硬件支持下，綜合利用測繪、地質和信息科學的理論知識，輸入、管理、分析和輸出變形監測的原始資料、中間數據、最終結果，實現變形監測資料的自動化日常管理，自動生成資料報表、圖形和生成監測報告。

分為三個結構層，即功能層、服務層和數據層組成。主要有實時監測、數據處理、穩定性分析、礦山圖紙數字化、預警發布和信息查詢等。結構如圖7所示。7.1 礦區監測點位圖的顯示

圖7 基本結構框架示意圖

點位圖的顯示通過java.awt下Component類的CreatImage()方法來完成，加載圖像也是通過Java中的GetImage()方法完成的，它存在與兩個類中，要加載的圖形必須要有合法的地址鏈接，否則會加載不成功。

用戶端采用的是客戶端軟件與網絡瀏覽器相結合的模式，這樣做的好處是為用戶提供了更大的選擇方案，更好地把客戶端和瀏覽器結合在一起，方便操作。如圖8～圖10所示。

圖8 監測系統主界面圖

圖9 DEM模型顯示

圖10 礦區監測點位顯示

7.2 GIS數據管理和圖表自動生成

(1)監測數據庫管理

將TM30測量機器人觀測的數據導出到電腦中，存儲在SQLServer數據庫中，通過Java程序可以隨時訪問數據庫，對數據進行操作，運算以及分類列表等。

ASP向用戶提供了連接任何兼容SQL的數據庫以及創建多項功能數據庫應用程序的能力，來方便用戶開發應用[5]。

WebGIS系統表單(Forms)的生成是網站交互常用方法，JSP使得表單的處理更加簡單，在JSP中處理表單的方法就是定義一個“bean”，而這不是完整的JavaBean，只需要是定義一個類就能完成，所定義的區域和表單的中的每一個區域都是一一對應的。例如要得到一個電子郵件地址的話，可以定義為GetMail.html，代碼如下:

＜HTML＞

＜BODY＞＜FORM METHOD=POST ACTION="SaveMail. jsp"＞

Input address?＜INPUT TYPE=TEXTMAIL="email"size =20＞＜BR＞

＜P＞＜INPUT TIPE="SUBMIT"＞

＜/FORM＞＜/BODY＞

＜/HTML＞

(2)分析預報功能

通過以上的數據處理后，進一步就是將有關的信息匯總用圖表和曲線圖的形式顯示出來，進行變形監測預報。對于圖表的輸出用VBA編輯程序建立與Excel的接口來實現，下面以大孤山露天礦監測點的移動線量趨勢圖為例，代碼如下:

strSql="select ID，Name from Pointswhere EPoch＞=‘2010-7-23 08：30'AND Epoch＜‘2010-10-31 17：30’order by ID"

RS.open"select ID from Points where EPoch＞=‘2010-7-23 08：30'AND Epoch＜‘2010-10-31 17：30’order by ID"，conn2，1，l

然后讀取所有監測點的監測時間列表和相應的縱向位移量值并生成縱向位移折線圖，程序如下:

str="select Epoch，NorthingDiff from Results where Point_Id ="＆RS("ID")

forI=0 to rs1.Fields.Count+3

objChart.AddValue rsl("NorthingDiff")，rsl("Epoch")，//設置圖表統計圖元的數值大小，標識名點稱和圖元顏色。

結果如圖11、圖12所示。

圖11 監測數據分析位移量趨勢圖

圖12 監測數據分析周期位移量報表

通過在GIS平臺上利用Java的二次開發[6]，建立起結合邊坡穩定性分析的變形監測綜合信息系統，結合大孤山露天鐵礦變形監測項目作為驗證系統的可行性與可靠性。實現大孤山露天礦變形監測系統的報表與圖表的自動生成與輸出功能；實現遠程變形監測，為礦山安全生產帶來便利，提高效益。

8 結 語

本文結合大孤山露天鐵礦邊坡變形監測項目，對基于WebGIS的遠程變形監測系統的設計進行了研究，通過該系統的建立，為快速分析監測數據、處理數據和預報預警打下了堅實的基礎。該系統便于管理，有效地提高了礦山信息化管理水平和管理效益，取得了良好的經濟和社會效益，為礦山信息化測繪發展提供了有力的技術支持。

[1] 徐佳，麻鳳海，宋偉東等.TCA2003邊坡自動監測系統的研究[J].礦山測量，2005(1)：49～52.

[2] 謝謨文，江崎哲郎，周國云等.基于GIS空間數據庫的三維邊坡穩定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21 (10)：1494～l499.

[3] Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in3 Dimensions)Versin2.10 User’g Guide [J].USA：Itasca Consulting Group Inc，2002.

[4] 蔡博峰，劉春蘭，陳操操等.露天煤礦生態環境遙感監測與評價方法研究——以霍林河一號露天礦為例[J].中國礦業，2009，18(6)：61～64.

[5] 金雁中.基于WebGIS的遠程變形監測系統開發技術研究[D].太原：太原理工大學，2007.

[6] 董曉媛.基于Java/GML的WebGIS實現技術和應用研究[D].太原理工大學，2006.

北京市測繪設計研究院與烏魯木齊市城市勘察測繪院簽署項目合作協議

2013年6月4日，北京市規劃委召開了“北京市規劃委員會與烏魯木齊市城市規劃管理局測繪地理信息工程支援與合作啟動會”。北京市規劃委委員葉大華、委人事處處長于立新、市勘設測管辦副主任王金坡，烏魯木齊市副市長、城鄉規劃管理局局長樊新和、市委組織部副部長古麗其娜·沙吾爾、市委副秘書長遲義宸，北京市測繪設計研究院院長溫宗勇、副院長兼總工程師陳品祥，烏魯木齊市城市勘察測繪院院長李群林、總工程師龍海奎及雙方相關處室負責人出席會議。

會議首先介紹了北京市規劃委對口援助烏魯木齊市規劃局支援和合作工作的具體安排；雙方有關部門負責人分別介紹了烏魯木齊市發展現狀及該市規劃局尋求合作的需求、市規劃委援疆工作開展情況及有關工作。隨后，溫宗勇院長與烏魯木齊市城市勘察測繪院李群林院長代表各自單位簽訂了《烏魯木齊亞歐博覽會影像圖冊項目合作協議》。最后，烏魯木齊市樊新和副市長、北京市規劃委葉大華委員發表講話，充分肯定了兩市規劃部門開展的支援與合作的積極意義，就培訓相關工作分別提出了要求。

本次與烏魯木齊市規劃局的測繪地理信息工程支援與合作，將按照“首善標準、首都水平”，在測繪地理信息系統、技術人員培訓、選派專家指導等方面對烏市規劃局給予援助；包括七方面內容:地理空間框架建設培訓指導、亞歐博覽會圖冊編制合作、地理國情監測技術支持、現代測繪基準體系建設、激光雷達等新技術培訓、精密測量及地下管線培訓、規劃電子地圖服務平臺培訓。以期達到提高烏市測繪地理信息干部隊伍業務素質，傳授新技術應用的經驗，通過技術人員培訓、選派專家指導和項目合作方式，搭建交流合作平臺，建立長效機制，加強烏市城市規劃、建設與管理的測繪地理信息服務保障能力，提升測繪地理信息綜合技術水平。北京市測繪設計研究院將承擔主要培訓指導任務。(張京川)

(來源：http：//www.smibj.com)

Stability Analysis of DaGuShan Open Pit M ine Slope Based on GIS

Ma Jiguo
(Dalian Academy of Reconnaissance and Mapping Co.，Ltd.Dalian 116021，China)

This article the side slope presented the glide in view of the Liaoning Province Anshan Dagushan openair iron ore northmost part to distort this phenomenon，through the detailed geological investigation and the side slope jointing crack's determination，used the TM30monitor stripmine side slope themigration state of play，carried on the numerical simulation analysis side slopewith the FLAC software the stability，used the time series to analyze themonitor data，and summarized the side slopemigration general rule，established based on the GISDagushan stripmine distortionmonitor early warning system.

deformation monitoring；open pitmine slope deformation；WebGIS；stability analysis

1672-8262(2013)03-56-06

P208.2，TU433

A

2012—05—15

馬繼國(1979—)，男，工程師，主要從事城市測繪及數字化礦山等相關工作。