露天礦邊坡位移監測方法的發展與研究

張飛，郝勇浙，劉躍忠，王昊，田睿

(1.內蒙古科技大學 礦業研究院， 內蒙古 包頭市 014010；2.內蒙古豐沃工程技術咨詢有限公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

大型露天礦山在開采過程中均形成了大量臺階，致使采場作業越發危險，開采困難，事故頻發，生產安全受到威脅，造成極大的經濟損失[1-2]，例如美國賓哈姆·康諾露天礦發生大面積滑坡，滑坡量將近1600萬t，整個采場一半以上被掩埋；加拿大約翰斯曼維爾礦受到水的侵蝕，致使2293 m3巖體滑坡[2]。由此可見，邊坡穩定是露天礦山安全生產的重要保障，邊坡監測對礦山安全生產起著重要作用。所謂邊坡監測是指對邊坡的位移速度、方向等進行監測，以掌握邊坡的巖石運動規律，并找出邊坡破壞的預警信號。礦山邊坡位移監測和變形趨勢預測分析對保證露天礦安全生產具有重要意義。綜合分析近年來露天礦邊坡位移監測的工程實踐，隨著科學技術的不斷進步，露天礦邊坡位移監測技術取得了長足進步。礦山邊坡位移監測已從過去的簡單、常規監測方法逐步發展為自動化、高效、高精度的實時動態監測和遠程監測系統[3]。本文主要研究不同位移監測技術應用，通過對比分析各種位移監測技術特點和適用范圍及條件，為露天礦邊坡安全監測提供參考[4]。

1 邊坡監測的研究現狀

國外早在 20世紀初就開始進行邊坡監測的研究，而我國直到 20世紀中葉才開始對邊坡監測進行研究。邊坡監測通過分析邊坡處在不同階段的變化情況，對邊坡的形變以及形變趨勢作出預測和應對。邊坡監測主要針對地表位移、深部位移和宏觀地質現象，可分為基于點和面兩種。監測方法也已從圖形卡尺不斷發展到水平儀、經緯儀、全站儀、GPS、合成孔徑雷達和三維激光掃描等[5]。

多年來，許多學者研究和探索了不同的邊坡監測技術，并取得了一些突破。Helmstetter等在2004年將 Slider-block friction模型用于 Vaiont和 La Clapiere邊坡監測[6]。Calvello等在2008年分析了滑坡穩定性和變形速率兩者的關系，發現兩者之間存在指數或者對數的相關性[7]。在國內，王桂杰等在 2010年將地探技術和差分干涉技術應用于大范圍的目標監測和預警，取得了不錯的結果[8]。林昊等在2014年利用單頻靜態GPS監測滑坡變形，發現單頻靜態GPS可以用于垂直形變在10 cm以上的滑坡[9]。本文以近年來應用較為廣泛的幾種邊坡監測方法為例，對邊坡監測方法進行介紹，并對邊坡監測的發展趨勢進行分析。

2 邊坡雷達監測技術及實際應用

2.1 邊坡雷達監測技術

雷達系統通過發射電磁波并接收物體反射的電磁波，根據往返信號之間的差異檢測物體[10]。合成孔徑雷達（D-InSAR）技術的研究較為成熟，該監測系統能對露天礦邊坡、排土場邊坡、山體滑坡、大型建筑物的形變進行大范圍連續監測，對各類災害進行預警，在安全保障、評估和緊急救援等重要項目得到廣泛應用[11]。

地基InSAR形變測量如圖1所示。圖中設置固定觀測基站觀測目標點P，P′為P移動了距離d后的位置。

圖1 地基InSAR形變測量示意圖[12]

地基 InSAR技術是利用衛星對同一地區進行兩次成像所生成的相位差，將前后兩副干涉紋圖進行比較和計算[13]，形變前后的主副圖像相位分別為φM和φS，兩者的干涉相位為ΔφMS，則：

目前合成孔徑雷達（D-InSAR）具有精度高、監測范圍廣、自動化程度高的技術特點，但合成孔徑雷達系統的信號易被干擾，圖像處理較為復雜，且生產和維護費用高昂，所以，如何保障信號的傳輸不受干擾和降低成本依然是將來需要研究的課題。

2.2 邊坡雷達監測技術的應用

馬蘭莊鐵礦位于河北省遷安市馬蘭莊鎮，年產量300萬t，該礦露天礦區呈橢圓狀，采場長約1100 m，寬約900 m，采場邊坡為巖質邊坡，沒有植被覆蓋，開采深度超過200 m，邊坡角為38°～47°，隨著開采的逐漸加深，邊坡穩定成了制約采場安全生產的重要原因。

根據礦山實際情況，將雷達放置在采坑東坡和西坡地基穩定處，以降低邊坡監測工作受工程擾動的影響，盡可能提高監測準確性。在礦坑東坡位置建立邊坡監測系統服務器，監測人員通過遠程操作可以對雷達監測結果進行分析。

由圖2～圖3可知，該礦山監測區域邊坡最大形變速率超過-1 mm/h，且底部變形量大于上部。對邊坡變形區進行了現場考察，發現該變形區頂部的邊坡巖體產生了明顯裂縫，并且下部變形量大于上部。監測結果顯示與現場實際情況基本一致。礦山依據監測數據，對變形區域實施整改，阻止了災害的發生[14]。根據合成孔徑雷達（D-InSAR）的實際應用效果可以看出，該技術可以對邊坡進行實時精準監測，可有效避免災害的發生。

圖2 監測點位變形速率曲線

圖3 邊坡平均形變速率

3 GNSS邊坡監測系統及實際礦山的應用

3.1 GNSS邊坡監測系統

GNSS（全球衛星定位系統）在應用于民用領域后已廣泛用于導航、定位和其他領域，并且在測量方面也做出了較大貢獻。由于其精度高、效率高、全天候且無需透視定位，人們已經用它代替了常規的三角形、三邊形、邊角等方法，并在理論、實踐中取得了眾多成果[15]。隨后也在邊坡變形監測中逐步得到應用。

GNSS自動化監測系統主要由硬件系統（傳感器、數據采集模塊、數據傳輸模塊）和軟件系統（數據庫、數據處理與控制模塊、安全評價預警模塊）組成（如圖4所示）。GNSS監測系統實時采集監測點的信號，且經過數據傳輸模塊傳送至控制中心，通過數據處理計算每個監控點的三維坐標，并與初始三維坐標進行比較，得出監控點的變化，同時安全評價預警模塊根據設定好的預警值進行報警[16]。目前該技術只能實時進行預警，無法更好地預測邊坡未來的位移走勢，如何通過數據進行預測是研究的難點。

圖4 GNSS邊坡監測系統組成

GNSS邊坡監測系統具有高自動化，高精準度，受氣候影響小等特點，且性價比極高，這也是目前礦山主要應用的邊坡監測手段。

3.2 GNSS邊坡監測系統在礦山的應用

伊敏露天礦在2011年使用GNSS邊坡監測系統對露天礦東部邊坡9個監測點進行監測。通過監測點數據發現東部邊坡正發生緩慢移動。根據GNSS邊坡監測系統的數據，2011—2012年，東邊坡的變形帶處于均勻緩慢的變形階段，監測點6向坑下移動60 cm（見表1）。2012年10月，該區域的變形加劇，監測點的位移高達6.3 cm[17]。

表1 各測點監測數據

通過監測系統，露天礦及時準確地掌握了東部邊坡現狀，并依據所得數據結合現場實際情況，采取相應的治理措施。伊敏露天礦GNSS邊坡監測系統結合了GPS和北斗監測系統，有效提高了監測數據的準確性，為露天礦的安全生產提供技術支持和基礎，并為后續研究提供有力的支持。

4 三維激光掃描技術及實際應用

4.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是國際領先的空間三維影像測量技術，它將傳統測量由點發展至面，可以進行復雜環境或空間的掃描工作，并將掃描的三維數據完整放到計算機內[18]。三維激光掃描儀的工作原理是通過儀器記錄目標物體反射回來的激光信息，從而建立目標的三維模型。掃描儀通過快速旋轉的反光鏡對指定范圍進行掃描，再利用激光脈沖往返的時間來確定目標距離，并通過編碼器轉換獲得被測目標的三維坐標，再根據反射折回的激光強度確定目標的顏色信息[19]。其原理如圖5所示。

圖5 三維激光掃描技術原理[20]

其中被測點P三維坐標計算公式為：

三維激光掃描技術在許多領域都有廣泛的應用，特別是在礦山和巖土工程領域，具有廣闊的應用前景。在礦山邊坡監測當中更是具有測量范圍廣、成像效果好、測量精度高等優點，雖受到地形和環境因素的影響較大，但仍不失為一種高效、可靠的監測手段。

4.2 三維激光掃描技術在礦山的應用

鳳陽縣石英巖礦開采時間長，采場多，因盜采遺留下多處高陡邊坡，最高處達200余米。由于歷史遺留問題，該礦在木屐山礦區+140平臺和+155平臺有高陡邊坡區域。該區域邊坡高度為45 m，邊坡角為 70°。因不在礦權范圍內，礦山無法進行削坡處理，給道路運輸及生產帶來很大的安全隱患。該邊坡是否穩定關系到礦區能否安全生產，所以礦山在該區域設立了永久觀測點，用三維激光掃描技術對其進行實時監測，監測結果如圖6所示。

圖6 區域位移曲線變化

由圖6可知，6月28日至6月30日，該區域平均位移為10 mm，在6月29日至30日，受到降水的影響，區域位移變化較大。在8月9日至8月12日該區域位移變化相差較大，特別是8月10日，平均位移達到20 mm[21]。礦山根據監測和現場勘察得到的數據對該區域進行治理，有效防止了安全事故。所以，三維激光掃描技術可以比較直觀地反映邊坡的位移情況，但無法預測邊坡位移的未來走勢，且受到環境影響，位移變化波動較大，如何得到準確數據并進行預測仍是日后研究的重點，但在目前依然是一種有效的邊坡監測手段。

5 聲發射技術及其在礦山的應用

5.1 聲發射技術

聲發射（AE）是依據巖石內部發生破壞時所產生的聲響來判斷巖石的破壞的表征，在巖土工程災害預測與結構破壞監測中擁有巨大潛力[22]。聲發射監測技術是在邊坡設置探頭，以此來接收巖體內部發出的波動，通過分析研究聲音波動信息，來確定巖體的力學特性,了解其內部缺陷[23]。聲發射監測原理如圖7所示。

由于巖石材料本身的復雜性，大多數實際巖體的聲發射監測預測都是基于經驗判斷，與其他監測方法相比，其可靠性需要提高[22]。該方法僅能對巖體失穩破壞起到警示作用，無法得知滑移面具體位置。

圖7 聲發射監測系統原理[24]

5.2 聲發射技術的實際應用

日本某礦山為研究邊坡穩定情況，使用聲發射監測，傳感器和位移樁的布置情況如圖8所示。當施工至某一水平時，位移樁出現移動，邊坡發生崩塌事故，事故后立即修筑20 m高的護堤，用聲發射和位移樁聯合監測邊坡的穩定性。

圖8 傳感器和位移樁的布置

監測結果如圖9所示，由圖9可知，監測一周后，聲發射活動呈現增長趨勢，位移以 2.7 mm/d速度變化，所以可能發生坍塌事故，在修筑護堤后，聲發射次數變少，說明邊坡趨于穩定，位移速率也趨于平穩。在11月26日持續降雨后，聲發射次數開始增加，位移明顯變化。之后，聲發射信號減弱，位移樁的移動量減少。說明聲發射活動和位移相互對應，礦山可以依據聲發射信號和位移樁的變化來判斷邊坡的穩定程度[25]，及時治理危險邊坡。聲發射技術與其他方法相比不僅可以從表面看出位移變化，更能觀測邊坡內部裂隙的變化，從而對邊坡位移走勢進行預測。

圖9 聲發射和位移監測結果

6 結論

在國內外礦山邊坡變形監測技術的最新成果以及對邊坡穩定性的深入研究中，從最原始的地表變形監測方法到大地測量方法，一直到現在的GNSS、聲發射、測量機器人、三維激光掃描技術等監測方法，邊坡監測技術不斷發展進步。通過研究，各種監測方法的便利性和準確性也在提高。但單一的監測方法總是存在一定的缺陷性，無法準確預測或全面保障邊坡的安全，所以有的礦山使用多種傳感器聯合監測的方法來保障邊坡的安全，如大唐國際勝利煤田就使用GPS、測量機器人和雷達等多種監測手段，不僅精準度高，還能對邊坡的未來走勢進行預測[26]。這種方法費用較高，且數據處理繁瑣。但隨著科技進步及5G時代的來臨，多傳感器組成的智能監測系統必然是國內外的研究趨勢，以期實現從監測到數據處理再到發出預警的高度智能化。