北斗GNSS技術(shù)在露天采場邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

鐘小宇， 衣 瑛， 亢建民， 楊 雷

(1.鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司， 遼寧 鞍山 114000；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)能源與礦業(yè)學(xué)院， 北京 100083)

1 前言

露天礦山開采過程中，隨著開采時(shí)長逐漸增加，導(dǎo)致露天采場邊坡高度增大、暴露時(shí)間增長；為減少露天礦山剝巖量，邊坡角度盡量加大，形成了大量的高陡邊坡。高陡節(jié)理破碎巖體邊坡存在巨大的安全隱患，時(shí)常導(dǎo)致滑坡等災(zāi)害的發(fā)生，擾亂了礦山的正常生產(chǎn)秩序，危及露天采場人員和設(shè)備安全。因此，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)露天采場邊坡巖移與變形監(jiān)測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警，對(duì)于減少邊坡安全事故，保障礦山正常生產(chǎn)，確保人員設(shè)備安全，提升露天開采效率，實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

目前，國內(nèi)外所采用的邊坡安全監(jiān)測技術(shù)和方法較多，大致可分為接觸式監(jiān)測和非接觸式監(jiān)測[1-4]。劉成[5]選取大地測量法對(duì)高速公路邊坡位移進(jìn)行監(jiān)測，準(zhǔn)確確定了高速公路邊坡的位移變化，并分析了高速公路邊坡的穩(wěn)定性，確保了高速公路邊坡的安全；司夢(mèng)元、周銀等[6]針對(duì)高速公路高陡邊坡監(jiān)測難度大的問題，選取三維激光掃描技術(shù)對(duì)高速公路高陡邊坡實(shí)施監(jiān)測分析，有效解決了高速公路高陡邊坡監(jiān)測難題，并實(shí)現(xiàn)了高速公路高陡邊坡位移自動(dòng)監(jiān)測和邊坡災(zāi)害預(yù)警；劉善軍、吳立新等[7]改善了單一的監(jiān)測手段，提出并建立了天- 地- 空監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)不同礦山的監(jiān)測需求提供相應(yīng)的監(jiān)測技術(shù)方案，同時(shí)對(duì)邊坡進(jìn)行有效監(jiān)測與預(yù)警，保證了露天開采的正常進(jìn)行；侯訓(xùn)田、萬毅宏等[8]針對(duì)高速公路邊坡災(zāi)害頻發(fā)且難以預(yù)測，選取聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于山體滑坡災(zāi)害的預(yù)測，準(zhǔn)確監(jiān)測了高速公路邊坡巖移與變形。

隨著露天開采技術(shù)的發(fā)展和礦產(chǎn)資源需求的持續(xù)高漲，多數(shù)露天礦山進(jìn)入深凹開采階段，露天采場滑坡災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，高陡節(jié)理破碎巖體邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測難度大。本文以鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場為工程背景，采用基于國產(chǎn)北斗的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)對(duì)露天采場邊坡變形實(shí)施自動(dòng)監(jiān)測，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)啞巴嶺露天采場邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)其他類似條件露天采場高陡邊坡監(jiān)測與治理提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程背景

鞍鋼集團(tuán)鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司(以下簡稱鞍千礦業(yè))位于遼寧省鞍山市東15 km，礦區(qū)位于丘陵山區(qū)，海拔標(biāo)高100～200 m，最高海拔標(biāo)高275.38 m，最低海拔標(biāo)高50 m，山脊較陡，山形呈北西～南東向展布。啞巴嶺露天采場一期境界內(nèi)形成的固定邊坡最高標(biāo)高+168 m，最低-24 m，高192 m，目前四周邊坡均為一期境界固定邊坡?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，啞巴嶺采場東幫+144 m水平處于地表開裂區(qū)，該部位位于啞巴嶺排巖主干公路132～144 m水平東側(cè)；啞巴嶺東北幫96 m水平于2018年8月14日曾發(fā)生滑坡，該滑坡處位于啞巴嶺排巖主干公路96～108 m水平，滑體上為堆積土，下為泥質(zhì)千枚巖及炭質(zhì)千枚巖等軟巖，邊坡穩(wěn)定性較差，需要及時(shí)對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，并且建立相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)以保障礦山正常生產(chǎn)的進(jìn)行和人員設(shè)備的安全。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

露天礦山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，首先應(yīng)對(duì)露天礦邊坡地表開裂、滑坡或位移等情況及相關(guān)資料進(jìn)行分析研究，再根據(jù)分析研究結(jié)果或邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)監(jiān)測方案進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。露天礦山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

① 采用當(dāng)前先進(jìn)設(shè)備，可以滿足邊坡在線監(jiān)測與近期發(fā)展的需要；

② 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)都應(yīng)具備很強(qiáng)的可靠性；

③ 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)過程中，應(yīng)當(dāng)充分了解不同類型邊坡的業(yè)務(wù)需求，做到功能的通用性和全面性；

④ 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，提供可變化的參數(shù)和二次開發(fā)的接口，提供后續(xù)監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測項(xiàng)增多的接口；

⑤ 對(duì)投資較大的監(jiān)控項(xiàng)目，可采用系統(tǒng)整合的方法，實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)有效的利用。

3 采場邊坡設(shè)備布置

3.1 主要監(jiān)測設(shè)備

1)表面位移監(jiān)測設(shè)備

采用MR02北斗高精度監(jiān)測型接收機(jī)，該產(chǎn)品是一款支持北斗、GPS、GLONASS、Galileo等的全星座全頻點(diǎn)接收機(jī)，創(chuàng)新的北斗高精度板卡技術(shù)，同等性能設(shè)備，功耗最低，適用于各類變形監(jiān)測場景。產(chǎn)品組合包括北斗高精度監(jiān)測型接收機(jī)1臺(tái)、北斗高精度測量型天線1個(gè)，具體如圖1、圖2所示。

圖1 北斗監(jiān)測接收機(jī)

圖2 北斗監(jiān)測天線示意圖

3.2 設(shè)備布置原則

露天采場邊坡監(jiān)測范圍應(yīng)包括露天采場、采場周邊地表變形區(qū)域、采場周邊有河流或者溝壑的地區(qū)、邊坡評(píng)價(jià)欠穩(wěn)定地段等。根據(jù)《露天煤礦邊坡變形監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB/T 37697—2019)及《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程監(jiān)測規(guī)范》(GB 51214—2017)，確定設(shè)備布設(shè)原則：

① 監(jiān)測站布設(shè)主要依據(jù)現(xiàn)場勘察及以往邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成果；

② 對(duì)采場邊幫不穩(wěn)定、有不良地質(zhì)構(gòu)造或?qū)χ匾?構(gòu))筑物安全有重大影響的關(guān)鍵部位布置監(jiān)測站進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測；

③ 除考慮上述因素外，選擇監(jiān)測站位置時(shí)還應(yīng)考慮被監(jiān)測對(duì)象對(duì)北斗接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)機(jī)及無線通信的影響；

④ 邊坡監(jiān)測測線不少于3條，每條測線不少于3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；

⑤ 地表變形監(jiān)測點(diǎn)，宜采用有強(qiáng)制對(duì)中裝置的墩標(biāo)，困難地段也應(yīng)設(shè)立固定照準(zhǔn)標(biāo)志。

3.3 監(jiān)測站點(diǎn)布置

監(jiān)測現(xiàn)場勘察時(shí)發(fā)現(xiàn)，擬定的監(jiān)測地點(diǎn)遠(yuǎn)離現(xiàn)網(wǎng)覆蓋，不利于高精度解算，故考慮在附近增設(shè)1個(gè)監(jiān)測基準(zhǔn)站?；鶞?zhǔn)站具體位置應(yīng)布設(shè)于巖體穩(wěn)定區(qū)域，且短時(shí)間內(nèi)不受正常開采影響，再根據(jù)現(xiàn)場衛(wèi)星信號(hào)及無線通信信號(hào)測試情況共同確定基準(zhǔn)站位置。

1) 基準(zhǔn)站的選址

基準(zhǔn)站場地應(yīng)滿足以下要求：

① 距離被監(jiān)測對(duì)象不宜超過5 km；

② 基準(zhǔn)站場地穩(wěn)固，可選擇建在穩(wěn)定的地面、建筑物上或凍土層以下0.5 m；

③ 視野盡量開闊，衛(wèi)星信號(hào)不受遮擋；

④ 保證數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可用；

⑤ 基準(zhǔn)站觀測墩應(yīng)遠(yuǎn)離震動(dòng)源(如鐵路、公路等)50 m以上。

2) 基準(zhǔn)站布置

鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場東北幫滑坡變形區(qū)域，設(shè)計(jì)選擇使用一個(gè)基準(zhǔn)站。啞巴嶺西南幫為排巖干路，直通排土場，排土場距采場較近，故將基準(zhǔn)站設(shè)置在啞巴嶺采場東部老觀景臺(tái)穩(wěn)定區(qū)域。

結(jié)合啞巴嶺采場曾滑坡地段的具體情況，考慮礦山二期建設(shè)，露天采場邊坡南幫在短時(shí)間內(nèi)將進(jìn)行擴(kuò)幫，故暫且不能在啞巴嶺采場南幫設(shè)置監(jiān)測站和其他監(jiān)測儀器。本次監(jiān)測設(shè)備主要安裝在啞巴嶺采場東北幫及西幫區(qū)域，啞巴嶺采場東幫存在地表開裂區(qū)，需要著重進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測設(shè)備實(shí)測的數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)傳輸，利用平臺(tái)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，可以得到各監(jiān)測點(diǎn)的位移變化量、位移變化速率、位移加速度情況。監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示，監(jiān)測點(diǎn)具體布置信息見表1。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)布置衛(wèi)星圖

4 邊坡變形監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 累計(jì)位移變化分析

監(jiān)測站按照表1所示坐標(biāo)進(jìn)行布置，監(jiān)測站監(jiān)測范圍于整體采場邊坡而言相當(dāng)于點(diǎn)監(jiān)測，而邊坡的滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)常表現(xiàn)出整體性，即滑動(dòng)體的大覆蓋面積，監(jiān)測站通過點(diǎn)監(jiān)測的方式實(shí)現(xiàn)了大范圍潛在滑動(dòng)體的實(shí)時(shí)監(jiān)控(監(jiān)測點(diǎn)布置于潛在滑動(dòng)體的覆蓋范圍內(nèi))。

表1 監(jiān)測點(diǎn)具體布置信息

分別對(duì)觀察期內(nèi)(截至2021年7月29日)的GNSS01、GNSS02、GNSS03、GNSS04監(jiān)測點(diǎn)邊坡監(jiān)測累積位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，累計(jì)位移規(guī)律如圖4所示。由圖可知，4個(gè)觀測站監(jiān)測位移皆于7月中下旬達(dá)到最大值：其中GNSS01監(jiān)測數(shù)據(jù)中在X方向(DX)最大累計(jì)位移40.36 mm、Y方向(DY)最大累計(jì)位移41.33 mm、H方向(DH)最大累計(jì)位移20.03 mm、平面(2D)最大累計(jì)位移57.64 mm；GNSS02監(jiān)測數(shù)據(jù)中在X方向累計(jì)位移34.63 mm、Y方向累計(jì)位移25.71 mm、H方向累計(jì)位移-20.91 mm、平面累計(jì)位移43.13 mm；GNSS03監(jiān)測數(shù)據(jù)中在X方向累計(jì)位移29.2 mm、Y方向累計(jì)位移18.99 mm、H方向累計(jì)位移-8.45 mm、平面累計(jì)位移34.34 mm；GNSS04監(jiān)測數(shù)據(jù)中在X方向累計(jì)位移20.84 mm、Y方向累計(jì)位移39.05 mm、H方向累計(jì)位移36.17 mm、平面累計(jì)位移48.55 mm。

圖4 邊坡監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)位移變化規(guī)律

從圖4中可以看出，邊坡累積位移曲線斜率在5月中下旬逐漸增加，截至7月下旬達(dá)到最大值，5月中下旬之后礦山進(jìn)入降雨事件高發(fā)期，累積降雨量不斷增加，雨水的滲透匯入地下水，對(duì)邊坡巖體中的泥質(zhì)巖易產(chǎn)生水力作用，削弱了巖體黏聚力。其次氣候回暖時(shí)凍土的融化對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也產(chǎn)生了一定的影響。劣化邊坡巖體在自重及爆破振動(dòng)等因素的影響下穩(wěn)定性降低，也可能發(fā)生一定位移。

眾所周知，邊坡滑移失穩(wěn)是多因素耦合作用的結(jié)果，GNSS技術(shù)能夠?qū)r體邊坡的變形事件進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確、全天候監(jiān)測，監(jiān)測可精確至當(dāng)天的具體時(shí)間點(diǎn)，圖4中各日期的位移值皆為當(dāng)日各時(shí)間點(diǎn)的累積矢量值，精確度可達(dá)到0.1 mm，完全可以滿足對(duì)邊坡巖體變形的實(shí)時(shí)性及高精度的監(jiān)測，單日累積位移如圖5所示。

圖5 單日累積位移監(jiān)測

4.2 位移變化速率分析

分別對(duì)觀察期內(nèi)(截至7月29日)各測點(diǎn)的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，邊坡巖體的位移變化速率在降雨事件高發(fā)期也產(chǎn)生一定的增加，監(jiān)測點(diǎn)位移變化速率如圖6所示。

圖6 邊坡監(jiān)測點(diǎn)位移變化速率

其中，GNSS01主要監(jiān)測對(duì)象為礦山道路，其他監(jiān)測站主要服務(wù)于露天境界線內(nèi)的地表。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，邊坡巖體在各方向的位移速率較小，且曲線斜率變化較小，在降雨條件下發(fā)生一定程度的增加，雨水過后出現(xiàn)降低的趨勢(shì)。說明邊坡巖體的自穩(wěn)性較強(qiáng)，在雨水，振動(dòng)等因素的影響下劣化程度不高，且具有一定的自恢復(fù)能力，即巖體暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié) 論

本文探究了基于北斗GNSS技術(shù)的露天采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建及其在鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場中的應(yīng)用。應(yīng)用結(jié)果表明，國產(chǎn)的基于北斗GNSS技術(shù)的露天采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)能有效地解決人工監(jiān)測費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和實(shí)時(shí)性差的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天采場邊坡的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性與準(zhǔn)確性較高。