邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)在露天礦地質(zhì)測量中的應用

張 先

現(xiàn)階段我國已經(jīng)將監(jiān)測預警技術應用到相關行業(yè)的地質(zhì)測量中。然而，在社會發(fā)展的背景下，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術方式在測量精準度以及范圍上會受到外界因素的干預和影響，難以滿足現(xiàn)代化發(fā)展的需要。因此，針對邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)進行研究具有重要意義。

1 案例概述

邊坡的穩(wěn)定性直接關系到很多行業(yè)的安全與生產(chǎn)問題，是露天礦工程材料收集以及后續(xù)生產(chǎn)過程中非常關鍵的部分。若邊坡結構出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況，不僅會影響到露天礦等相關行業(yè)的挖掘和生產(chǎn)，降低經(jīng)濟效益，還會對工作人員的人身安全產(chǎn)生一定的威脅。此外，邊坡穩(wěn)定性會對周圍的環(huán)境造成影響，很多滑坡、泥石流出現(xiàn)的原因便是邊坡結構存在問題而導致巖石脫落，這會對周圍的居民以及環(huán)境造成非常惡劣的影響，因此相關行業(yè)在進行工作之前，必須要進行實地數(shù)據(jù)的勘測，并將此勘測工作貫徹于整個工程中，盡可能地針對邊坡的實際情況進行加固和治理，防止由于邊坡破壞造成惡劣影響。在社會發(fā)展的背景下，我國已經(jīng)在很多行業(yè)開展信息化技術的應用。然而對于邊坡監(jiān)測來講，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式依舊以人工檢測為主，不僅耗時長，還難以保證精準度，一旦遇到暴雨或其他惡劣天氣，便會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生極大的影響。鑒于此情況，本文將以金正泰露天礦項目為研究案例，對GNSS邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及合成孔徑雷達系統(tǒng)進行詳細的分析，以此為我國相關行業(yè)的長遠發(fā)展提供借鑒。

金正泰露天礦項目某邊坡區(qū)域，其邊坡最高標高超過1250m，底部最低標高則達到1038m及以上，整體高度差達到222m。此外由于在地形上露天礦區(qū)域與外部排土場形成了復合邊坡，導致露天礦邊坡穩(wěn)定管控難度有所提升，因此工作人員必須要利用監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的收集，以此加大對邊坡實際情況的了解，進而為后續(xù)工作方案的制定以及生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

2 邊坡檢測預警系統(tǒng)種類以及地質(zhì)測量中的應用

2.1 GNSS邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS邊坡自動化檢測系統(tǒng)是現(xiàn)代化發(fā)展的重要產(chǎn)物，能夠有效地結合數(shù)據(jù)分析、計算機技術、通信網(wǎng)絡、傳感器應用等多項技術，現(xiàn)階段已經(jīng)成為了信息化數(shù)據(jù)監(jiān)測的重要系統(tǒng)之一。在系統(tǒng)設計前期，設計人員為了能夠兼具多項功能，提升系統(tǒng)應用范圍，對整個系統(tǒng)進行了單元劃分，主要包括以下幾個方面：GPS數(shù)據(jù)收集、信號應用通信、數(shù)據(jù)歸納與處理、管理控制單元、危險預警等。此外，在軟件前期設計中，技術人員運用了大量的數(shù)據(jù)平臺軟件，例如HCmonitor、HCmas等，能夠為系統(tǒng)的預警監(jiān)測提供支持。

對于邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)來講，每一個子系統(tǒng)都能夠提供不同的功能。傳感器系統(tǒng)是現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的系統(tǒng)之一，能夠利用GPS定位等技術，實時地為管理人員監(jiān)測邊坡的動態(tài)數(shù)據(jù)以及狀況；而移動通信系統(tǒng)則可以通過傳感器的使用進行信號的傳遞和接收，配合傳感器系統(tǒng)的應用，保障信息通訊的穩(wěn)定性與精確度；數(shù)據(jù)處理控制系統(tǒng)能夠在接收到數(shù)據(jù)信號之后，歸納總結并整理相關數(shù)據(jù)，及時地對數(shù)據(jù)進行在線危險預警；避雷系統(tǒng)的使用是為了保證整個監(jiān)測系統(tǒng)設備的安全和穩(wěn)定，尤其是在邊坡地區(qū)，由于高度較高導致該區(qū)域極易受到雷電等情況的影響，不僅會對設備造成嚴重的損壞，還會造成人員傷亡以及其他安全威脅，因此避雷系統(tǒng)中設計了直接雷和感應雷的兩種防護裝置，可以第一時間對系統(tǒng)進行保護，降低雷電對目標區(qū)域的影響；預警系統(tǒng)是監(jiān)測系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)，可以對以上單元提供的數(shù)據(jù)和信號進行數(shù)值的計算，并幫助管理人員監(jiān)控目標區(qū)域的實時動態(tài)信息，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時會第一時間對管理人員和技術人員進行預警。

金正泰露天礦項目為了能夠更好地進行動態(tài)監(jiān)測，分別在邊坡的東坡面1240平盤以及西坡的1166平盤設置了八個動態(tài)監(jiān)測設備，以此擴大監(jiān)測范圍，提高信息的精準度。在具體應用中，GPS會對實地狀況進行信息的收集，并利用單元控制將數(shù)據(jù)傳送至主控制監(jiān)測平臺，而管理人員則可以在計算機顯示器上直接查看動態(tài)趨勢變化圖以及不同點位的變化趨勢，進而全面地了解邊坡狀況的動態(tài)信息。若發(fā)現(xiàn)動態(tài)趨勢變化超過額定限額，則該系統(tǒng)會直接進行信息警告，確保邊坡結構的安全性。

2.2 合成孔徑雷達掃描系統(tǒng)

合成孔徑雷達掃描系統(tǒng)也是近幾年來露天礦工程項目使用較廣的監(jiān)測系統(tǒng)之一，該系統(tǒng)可以24h進行持續(xù)監(jiān)測，并利用微光處理的儀器進行場地區(qū)域的抓拍攝影，是現(xiàn)代化檢測系統(tǒng)中非常重要的一種手段。與傳統(tǒng)的GPS動態(tài)攝影等監(jiān)測技術相比，合成孔徑雷達掃描系統(tǒng)可以在動態(tài)監(jiān)測的基礎上進行定點監(jiān)視，配合相關儀器的操作和使用，能夠?qū)Φ乇淼臄?shù)據(jù)進行實時收集和分析，從而有效地保證工人工作的安全性。此外，這種技術在使用過程中，可以保證數(shù)據(jù)的精準度，降低數(shù)據(jù)誤差。

此外，在GNSS系統(tǒng)運用的基礎上，技術人員在西部邊坡采用了合成孔徑雷達掃描系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)的設置主要分布在邊坡的最高點，能夠以俯視角9°的形式進行信息采集，每一次數(shù)據(jù)采集間隔為25min，可以監(jiān)測在設備區(qū)域1300m以內(nèi)的全部范圍。此外，為了能夠保證系統(tǒng)的運行狀況，了解系統(tǒng)在使用過程中的不足，技術人員對合成孔徑雷達系統(tǒng)的應用進行了每日的登記。登記記錄顯示，在2020年6月1日～7月1日，由于斷電等外在因素影響，該系統(tǒng)出現(xiàn)了1次停止運行，且在整個系統(tǒng)運行過程中進行了八次黃色預警，這也為系統(tǒng)的后續(xù)研發(fā)和創(chuàng)新提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

2.3 其他技術分析

IBISM監(jiān)測系統(tǒng)也是近幾年來非常常見的一種邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)，主要融合了四項現(xiàn)代化技術，包括連續(xù)探測、合成孔徑雷達、數(shù)據(jù)測量以及信息傳遞，可以對邊坡的位置進行動態(tài)的監(jiān)測和分析，最終自動化形成監(jiān)測報告。該系統(tǒng)主要由以下幾個子系統(tǒng)組成：首先是雷達控制設備，此設備是監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的部分，能夠接收和傳遞16Hz的波頻；其次是動態(tài)掃描系統(tǒng)，可以對區(qū)域進行連續(xù)掃描，保證掃描情況可以覆蓋全部目標。最后是數(shù)據(jù)記錄與處理模塊，該模塊運用到了多種現(xiàn)代化軟件，可以對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析，并將最終的信息傳遞給主系統(tǒng)計算機中，而計算機則會根據(jù)數(shù)據(jù)分析的情況，形成對應的動態(tài)曲線。此外，動力模塊是為整個系統(tǒng)運行提供動力支持的重要部分。通常會使用光能、太陽能以及柴油發(fā)電機進行供能，若工作范圍或工作時間較長，技術人員還可以為動力系統(tǒng)增設蓄電池，增設數(shù)量則需要根據(jù)實際情況進行選擇，進而保證監(jiān)測系統(tǒng)的連續(xù)性。在系統(tǒng)應用過程中，工作人員會對北坡進行系統(tǒng)的設置，并利用無線信號傳輸?shù)男问綄π畔⑦M行傳遞。當信息數(shù)據(jù)存在異常時，系統(tǒng)會自動地根據(jù)異常情況進行五個級別警報的預警，若在預警的過程中，發(fā)現(xiàn)邊坡的動態(tài)變化速度超過了預警的限制，則會直接進行紅色預警，幫助管理人員及時的針對情況進行規(guī)劃和管理。對于系統(tǒng)監(jiān)測來講，邊坡位移的變化是非常重要的影響因素，而此系統(tǒng)可以根據(jù)動態(tài)變化的范圍進行顏色的區(qū)分，若位移較小，系統(tǒng)數(shù)據(jù)變化曲線的顏色較淺，若位移情況較為嚴重，便會用更加深的顏色體現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線，以此幫助工作人員迅速了解邊坡的相關數(shù)據(jù)，及時地判斷邊坡穩(wěn)定性和結構狀況，降低出現(xiàn)事故的可能。該系統(tǒng)在使用的過程中，需要與標準數(shù)據(jù)進行一一核對，進而判斷是否產(chǎn)生異常情況，因此在進行露天礦的動態(tài)測量時，工作人員需要加大對標準值的更新，以此降低數(shù)據(jù)的誤差，為系統(tǒng)的應用效果提供支持。

3 監(jiān)測情況分析

3.1 變形整體分析

在對目標區(qū)域進行邊坡情況實時動態(tài)監(jiān)測的過程中，技術人員發(fā)現(xiàn)在2020年5月，目標區(qū)域的變形數(shù)值最高為173.4mm，而最低值為-105.7mm。此外根據(jù)整體動態(tài)數(shù)據(jù)情況來看，監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形值處于-2.7mm～31.6mm之間，由此可見，目標區(qū)域的變形情況較小且整體結構較為穩(wěn)定。

根據(jù)2020年6月的數(shù)據(jù)分析顯示，該月的目標區(qū)域變形值最高值為63.4mm，下限值為-207.8mm。在六月份總體的數(shù)據(jù)分析中顯示變形范圍處于-48.6mm～7.3mm之間，范圍較小，因此六月的監(jiān)測情況較為穩(wěn)定。與此同時，相比于之前的動態(tài)數(shù)值狀況，六月份的變形最高值小于五月數(shù)值，且總體數(shù)據(jù)的上限值也小于五月的數(shù)值。由此可知，目標區(qū)域邊坡結構的穩(wěn)定性有所上升。

3.2 重點區(qū)域分析

為了能夠更加全面地掌握區(qū)域的動態(tài)變化數(shù)值，技術人員對動態(tài)數(shù)據(jù)進行了重點區(qū)域的篩選，挑選出了兩個變形情況較為嚴重的區(qū)域作為后續(xù)工作中的關鍵。其中第一個區(qū)域位置處于露天礦西部區(qū)域的1178平方，整體范圍面積為317m2。在對該區(qū)數(shù)據(jù)進行分析監(jiān)測的過程中，技術人員發(fā)現(xiàn)最大變形值為13.7mm，而最小變形值達到了-189.7mm。通過對數(shù)據(jù)的分析計算，發(fā)現(xiàn)平均變形值為-79.6mm。由此可見該區(qū)域的變形范圍已經(jīng)達到-107.8mm～-26.5mm，動態(tài)變化范圍較大，表明該區(qū)域的邊坡結構穩(wěn)定性相比于其他區(qū)域較差。

根據(jù)變化曲線分析，得出該區(qū)域存在兩次變化趨勢較為嚴重的情況，分別為6月1日的20時～6月7日的0時，變形數(shù)值從-16.3mm達到了-57.6mm,累計變化較大。而6月8日23時～6月10日0時，變形數(shù)值從-48.2mm變化至-107.3mm。由此可見，在這兩個時間段范圍內(nèi)，邊坡的結構存在較為嚴重的動態(tài)變化。

第二個目標區(qū)域位于邊坡東部的1200平方，整體面積為703m2，在動態(tài)分析數(shù)據(jù)顯示中發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的最大變形數(shù)值達到了20.8mm，最小變形值為-179.6mm。在對數(shù)值進行精確計算和分析的過程中，得出該區(qū)域的平均變形值為-13.6mm，由此可知，在六月的時間范圍內(nèi)，該區(qū)域的變形范圍較大，存在一定的風險。此外，在對監(jiān)測曲線進行分析時，發(fā)現(xiàn)6月1日的0時～6月30日的23時變形值從最初的-15.6mm達到了-160.2mm，由此可見該區(qū)域在一個月的范圍內(nèi)動態(tài)數(shù)值變化較大。相關人員必須要加大對以上兩個區(qū)域范圍數(shù)值的關注，防止在后續(xù)的工作中出現(xiàn)安全隱患，造成嚴重的影響。與此同時，應繼續(xù)進行長時間的動態(tài)監(jiān)測進一步挖掘動態(tài)變化的內(nèi)在規(guī)律，為后續(xù)的工作提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 應用狀況分析

根據(jù)六月份自動化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2020年該月曾經(jīng)有3天因為外在因素導致數(shù)據(jù)采集停止運行，一共產(chǎn)生了八次黃色預警，不存在危險紅色預警，其中邊坡的整體變化較為平緩，平均變形值為-48.3mm，且六月份比五月份監(jiān)測更加穩(wěn)定。

總而言之，利用現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)勘測能夠減少人工檢測方式中精準度低、失誤率高、工作質(zhì)量和效率低下的情況，因此在露天礦工程中應進一步加大GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)以及合成孔徑雷達掃描系統(tǒng)的應用，并在應用過程中尋找工作重點，進而提升預警監(jiān)測的整體質(zhì)量。

4 預警系統(tǒng)的發(fā)展前景

4.1 推廣應用情況

現(xiàn)階段我國露天礦較多，且整體地形呈現(xiàn)不規(guī)則狀況，因此在進行前期的數(shù)據(jù)勘測時，應有效利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測的目的。此外，應進一步加大對信息化監(jiān)測技術的推廣，使更多的工程技術人員能夠了解信息化技術的使用優(yōu)勢，這對于我國露天礦相關企業(yè)的長遠發(fā)展來講十分重要。目前準格爾旗已經(jīng)有80%以上的露天礦項目開始使用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，且應用效果較好，能夠滿足預期的監(jiān)測目標。

4.2 社會與經(jīng)濟效益

自動化監(jiān)測系統(tǒng)對相關企業(yè)的發(fā)展具有重要意義。根據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，近三年來某企業(yè)在進行生產(chǎn)的過程中，有效地運用了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，并在2018、2019、2020三年，分別提升凈利潤兩百萬、三百萬以及一百五十萬。此外，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)的使用能夠更加全面地掌握邊坡的實際狀態(tài)，可以幫助相關企業(yè)進行資源的回收，降低浪費，提升經(jīng)濟效益。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2018年某企業(yè)在生產(chǎn)過程中節(jié)約了兩萬噸的資源，這對于企業(yè)的長遠發(fā)展和保護自然資源來講具有非常積極的作用。此外，自動化監(jiān)測系統(tǒng)的使用可以進一步促進我國產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整，促進第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有效地降低資源開發(fā)對周圍環(huán)境的影響，保證居民的生活條件和環(huán)境，進一步提高了再就業(yè)的人數(shù)，實現(xiàn)了城鄉(xiāng)居民一體化建設的目的。與此同時，利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)能夠使工程在資源利用和使用方面更加符合集約化的標準，可以高質(zhì)量地滿足社會以及生態(tài)的環(huán)境需求。此外為了能夠進一步提升企業(yè)的經(jīng)濟效益，相關企業(yè)在資源開發(fā)后，應第一時間對周圍設施進行合理化建設，有效促進居民的生活水平，進而在企業(yè)發(fā)展的同時促進鄉(xiāng)村振興發(fā)展，為國家以及社會發(fā)展貢獻自身的力量。此外，政府應該協(xié)同企業(yè)加大技術研發(fā)，并對現(xiàn)有的自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化與完善，結合實際情況加強聲波檢測以及其他形式監(jiān)測的創(chuàng)新力度，進而在未來的技術使用中可以滿足對土層以及更深層次的情況監(jiān)測。為了能夠滿足這一需求，政府也要在加大資金投入的基礎上進行人才引入，有效地為企業(yè)和相關技術研發(fā)機構提供專業(yè)性人才，可以使用校企聯(lián)合的方式，促進人才向企業(yè)的引入。

5 結論

綜上所述，監(jiān)測系統(tǒng)的應用效果可以通過雷達等形式對監(jiān)測區(qū)域進行數(shù)據(jù)模型的展現(xiàn)，幫助工作人員了解地質(zhì)情況，避免在后續(xù)工作中產(chǎn)生安全隱患。此外，技術的應用可以大幅度地提升工作質(zhì)量和效率，保證實地勘測的精準度，為我國不同行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造條件。為此，相關部門應進一步加大邊坡監(jiān)測預警技術的應用力度，加強技術研發(fā)，拓展應用范圍，為我國行業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件。