無人機載雷達檢測露天礦邊坡位移分析

王崇

（內蒙古霍林河露天煤業股份有限公司，通遼029200）

0 引言

目前，我國露天開采工程量較大，而露天礦邊坡是否穩定關系到開采工作的成效與安全。據調查，我國有40%的露天礦邊坡存在不同程度的穩定性問題，特別是隨著礦業發展不斷加大，所引發的露天礦山滑坡事件層出不窮，并且給礦區工作人員的生命健康與礦區經濟造成威脅[1-2]。而無人機載雷達監測技術是一種有效的數據采集技術，其可以實現對露天礦邊坡的全方位監測。在此過程中其可以迅速發現礦區邊坡不穩定情況，通過及時采取有效的干預措施而防止更大危險的來臨。該技術彌補了傳統邊坡測與監測測量存在的不足，露天礦資源的安全、高效及可持續發展具有重要意義。由此，相關研究者應該引起重視，避免露天礦邊坡位移而產生的事故。

1 露天礦區概述

白音華煤田位于內蒙古自治區錫林郭勒盟西烏珠穆沁旗白音華鎮管轄，白音華煤田二號露天礦位于煤田西南部，西南和東北分別以白音華煤田一號露天礦和白音華煤田三號露天礦相鄰，井田為一南北長7.4km、東西寬7.2km、面積35.16km2的不規則圖形。 總體呈北東—南西向條帶狀展布，走向長 60km，傾向寬平均為8.5km 左右，含煤面積510km2。煤田地勢平坦，煤層傾角一般在 5～8°之間，剝離物大多為軟巖，可采煤層有 1 煤組、煤組和 3 煤組。共計8 個可采煤層，主要可采煤為 2-1 和3-1 煤，2-1煤平均厚16.41m，3-1 煤的平均厚度 14.96m，2010 年 底白音華二號露天礦已形成南北寬1.5km，東西長約2km，面積3.0km2的采坑，現開采深度已到 926 水平，目前開采煤層為 2-1 煤和 3-1 煤，邊坡高度 112m。[9]

目前，該礦已經成為我國規模最大、現代化程度最高的煤炭生產基地，而煤礦采用的采煤運輸車，自重102 噸，可以裝煤300 噸，是國內最大的裝煤車。龐大的礦坑，由十幾個高15m 的大“臺階”組成，其中臺階靠幫后2 個臺階并段，并段后長度為30m，臺階坡面角為60°，邊坡角為38～42°之間。然而，受礦區地區地層基底巖層影響，加上氣候等因素，隨著露天開采的不斷深入，該礦區南側邊坡發生不同程度的塌方等情況，嚴重對礦山生產造成了較大的影響。

2 無人機雷達監測露天礦邊坡位移分析

經過對露天礦區情況的介紹，為了及早發現露天礦邊坡位移，避免相關事故的發生。本礦使用無人機雷達設備，通過自動測量與存儲監測數據，關注其邊坡表現位移變化，在此過程中監測應用原理與目的下進行詳細分析介紹。

2.1 無人機載雷達監測原理與目的

2.1.1 無人機載雷達監測原理

本露天礦區邊坡監測采用的無人機載雷達設備，具體如圖1。該設備質量≤10kg，整機結構包括集成差分GPS定位器、存儲控制單元、INS 慣性導航系統及激光掃描儀[3]。其中，雷達產品型號為ZM-AIR，不需要控制點即可滿足測圖需求。而無人機為GV1300 多旋翼型，且配備了雙子星飛控與降落傘，具有較強的穩定性、較高的安全性及更長的飛行時間[4]。在實際檢測過程中，該設備結合本礦區實際情況，通過設計航信路線，啟動自動監測系統，對采集的數據進行分析，結合邊坡情況實現預警。

2.1.2 無人機載雷達監測目的

本露天礦區應用無人機載雷達監測，主要目的是全方位監測邊坡變化情況。這是由于該露天礦區具有邊坡大、總體邊坡角度陡等特點，加上該礦區所處自然因素及人為因素的影響，該礦區邊坡不穩定情況越來越突出。隨著邊坡穩定維護與控制難度的加大，需要提前做好相關的勘察治理工作[6]。由此，建立監測系統十分必要。通過使用無人機載雷達監測礦區邊坡情況，可實現對不穩定邊坡的預測、預警報告，這包括邊坡崩體的氛圍、發生事件及所帶來的危害性。通過提前預知分析，為相關部門提供參數，制定較為科學的防災對策，對治理邊坡穩定起到較高的防控效果。

表1 邊坡監測常用方法與特點

圖1 無人機載雷達設備整體結構圖

2.2 無人機雷達監測露天礦邊坡位移流程

關于露天礦邊坡位移的監測，目前，主要是對坡體表面位移與巖石深部狀態進行檢測，常用的監測方法較多，具體內容與特點如表1 所示。

2.2.1 監測路線設計

經過以上對天礦邊坡位移的監測方法的分析，結合此次礦區實際情況與實施的可操作性，采用的是無人機載雷達監測。采用該監測方法是由于其符合現實需求，且實施簡單易行[7]。在監測過程中，該設備數據測量作業路線為：①航飛設計：在監測過程中，在無人機可飛行區域內，設置GPS 固定基準站，且要求基站與無人機上的GPS 設備距離≤30km 之內。按照相關要求布置基站的個數，保證無人機的監測效果。②采集數據：對數據的收拾包含兩部分，一部分是無人機所監測的數據，另一部分是固定基站的數據，通過收集這些原始數據后，經過POS 數據預處理后得到相關檢測地表的數據。③飛行評價：待每次監測飛行結束后，對收集的數據質量無是否完整進行檢查與評估，保證數據的可靠性與準確性。為下一次飛行監測提供幫助。④數據處理：對所收集的監測數據處理，需要經過預處理與后處理兩個步驟：前者是將獲取的數據進行解壓縮，看數據是否存在丟失，然后經過數據差分計算得到相對精準的數據；后者是對得到的數據生成數字高程模型，然后進一步詳細的分析處理。

2.2.2 監測路線實施

按照以上路線設計，對本露天礦區邊坡進行2 次多個時間段的監測掃描，第1 次監測掃描后，記錄相關的數據。在此過程中每隔6h 監測1 次。在此過程中若發現GPS 固定基準站發生位移后，且速度＜2nm/h 時，則需要改變監測時間為每隔4h 一次；若速度度＞5nm/h時，則需要改變監測時間為每隔2h 一次，定時對監測數據收集與處理。在本露天礦區監測過程中，按照以上路線執行，其中在監測中發現邊坡整體位移時，需要采用針對性的措施進行解決。具體內容為：①邊坡整體位移有30mm 時，需要給予工人黃色預警，在開采作業過程中，要求現場有技術人員到場，對邊坡位移原因進行了解，重視該位移的進一步擴大，避免更為嚴重的情況發生；②邊坡整體位移有100mm 時，需要給予工人橙色預警，在開采作業過程中要求現場有技術人員到場，分析其中的原因，并通知各開采人員注意該區段邊坡不穩情況，提高工人開采工作的安全性；③邊坡整體位移有100mm 時，且變形速度＞5nm/h 時，需要給予工人紅色預警，在開采作業過程中要求現場有技術人員到場，并通知各開采人員注意該區段邊坡不穩，停止開采作業且車輛等繞道而行，為了保證開采工作的安全性，需要提高監測的頻率為1 次/h。待經過處理之后恢復開采作業[8]。

2.3 無人機雷達監測應用效果

本露天礦區邊坡進行2 次多個時間段的監測掃描后，發現第1 期與最后一期邊坡表面發生位移，其中該礦區邊坡南部情況越來越嚴重，設備監測確定有30 個點為不穩定區域。設備應用后實現了邊坡監測預警。其中，對黃色預警的區域采取加固處理，減緩位移的速度；對橙色預警區域分析其中的情況，避免自然、人為操作因素對其造成的影響。對紅色預警區域通過專門處理，避免引發更為嚴重坍塌事故，確保開采人員的安全。

3 結語

我國是人口大國，對礦產資源的需求量較大，而隨著礦業發展不斷加大，使露天礦山滑坡日趨嚴峻，特別是邊坡滑坡事件給礦山工作人員的生命安全造成嚴重的威脅。據調查統計，每年露天礦發生邊坡滑坡事故較多，不但造成人員損失，還對露天礦經濟造成損失。為了解決以上問題，露天礦一般都會對邊坡進行測量，預估礦體實際情況，避免超負荷工作而給工作人員帶來極大的危險性。一般而言，露天礦會采用合理的監測方式。目前，GPS 點監測技術在露天礦邊坡中應用比較廣泛，但是其投入較大，且施工比較困難，加上后期的定期維護，不得不選用新的監測技術。而無人機載雷達監測技術與GPS 點監測技術不同，其彌補了其方面存在的不足，不但顧及到露天礦工作人員的生命安全，而且數據收集效率高且準確，在露天礦邊坡監測中應用效果明顯。在蘇俊生研究中指出，對露天礦的監測需要根據礦區水文地質條件、斷層的水文地質特征、地下水、大氣降水的動態特征進行分析[9]。無人機載雷達監測技術可對其情況進行定期監測，將收集后的數據分析后，礦區做出合理的決定，從而避免邊坡滑坡事件的發生率。

目前，隨著現代科學技術的發展，無人機載雷達監測技術在露天礦區的得到應用。此次研究對無人機載雷達檢測露天礦邊坡位移分析，了解到無人機載雷達監測技術具有成本低廉、快速有效的特點，可彌補傳統邊坡測量與GPS 監測存在的不足。其在露天礦區邊坡位移監測中應用，避免了工作人員步入危險區域，實現了對相關數據的快速、準確收集。經過其應用，結果表明該技術應用效果好，且成功預警多次邊坡位移情況，對礦區工作人員的生命健康與礦區經濟發展具有保障作用，值得在露天礦邊坡監測中應用。