基于GIS的大孤山露天矿边坡稳定性分析研究

马继国

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁大连 116021)

基于GIS的大孤山露天矿边坡稳定性分析研究

马继国∗

(大连市勘察测绘研究院有限公司，辽宁大连 116021)

针对辽宁省鞍山市大孤山露天铁矿北端边坡出现滑动变形这一现象，通过详细的地质调查和边坡节理裂缝的测定，利用TM30监测露天矿边坡的变形情况。用FLAC软件进行数值模拟分析边坡的稳定性。采用时间序列分析监测数据，并总结出边坡变形的一般性规律。建立起基于GIS的大孤山露天矿变形监测预警系统。

变形监测；露天矿边坡变形规律；WebGIS；稳定性分析

1 引 言

大孤山铁矿位于钢都鞍山东南12 km的千山脚下，占地面积约10.6 km2，素有“十里铁山”美名，同时也是亚洲最深的露天铁矿。科学测算，矿山北部矿体总储量为12 175.6万吨，其中碳酸铁矿储量为9 564.7万吨，综合矿质品位达到27.7%。开采深度已达到-258 m，为了保障大孤山铁矿西端矿石井的安全稳定运行和整个矿区生产，避免出现重大人员伤亡导致被迫停产的被动局面，必须对大矿西井运输巷道的边坡变形规律及稳定性进行研究，采取综合有效的措施进行预报和防治。

2 变形监测目的

监测工作的主要目的是针对大孤山铁矿西北帮边坡地质环境和工程地质特征，确定变形主要因素部位，突出重点建立完善的监测剖面和长期的监测预报系统，保障矿山安全生产。

边帮位移监测采用对地表埋设监测桩观测的方法，地表位移则采用精密TM30机器人监测边坡岩体的绝对位移变化情况。通过定期、长期观测，为分析边坡变形移动趋势提供可靠的数据，提供超前预报保证矿山安全生产。具体计划:

(1)采用GPS同测量机器人组合进行变形监测，讨论了变形监测网质量评定标准、设计要求，同时分析研究了GeoMoS和FLAC数值模拟的技术及应用。

(2)研究了变形数据分析DEM建模的基本理论与方法，运用回归分析法、时间序列分析模型等，阐述了它们的优缺点和适用领域，并用时间序列分析法对数据进行了分析预测，用实践数据检验了拟合预报结果的准确性。

(3)利用GIS平台开发了远程变形监测系统，在Java环境下用ASP实现变形观测数据库的远程实时操作管理，用HSkyXChart插件实现了监测图表的自动生成输出，提供预警预报信息。

(4)结合大孤山露天铁矿边帮坡变形监测项目，分析论证监测数据的可靠性及边坡的稳定性。

总的来说，变形是基础，变形分析是手段，变形预报才是目的，数据的处理过程就是进行变形分析和预报过程。随着我国深凹露天矿开采深度的不断增加，矿山的安全变得越来越重要，所以边坡变形监测变得至关重要。

3 变形监测方法分析

变形数据获取方法的选择取决于变形体的特征、变形监测的目的、变形的大小和变形速度等因素。在区域性变形监测方面，全球定位系统GPS早成为主要的技术手段；在全球性变形监测方面，大地测量方法是使用最多的技术手段；在工程和局部性变形监测方面，主要使用地面常规的测量技术、地面摄影测量技术、特殊和专用的测量手段和以GPS为主的空间定位技术等。

而近几年全自动跟踪全站仪RTS(Robotic Total Observation)，也称为测量机器人(Georobot)的使用，为工程局部变形的自动监测数据采集或远程监测提供了一种优秀的技术手段，它可进行测区范围内无人值守全天候和全方位的自动监测。而这几年发展的数字摄影测量和实时摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中深入应用开拓了非常广泛的前景，以后会有广泛的应用。

3.1 TM30测量机器人的应用

TM30全站仪又称精密测量机器人，是一种高精度全站仪，也是徕卡公司在中国区新推出的一款仪器。角度测量精度:0.5″，距离测量精度:0.6 mm+1 ppm。TM30采用压电陶瓷技术驱动使仪器转动更迅速和噪音更低，具有自动搜索、锁定目标、自动观测和自动记录等多种功能。TM30边坡自动监测系统主要由测量机器人、GeoMos监测软件、气象传感器、基点、参考点、目标点组成，是基于一台测量机器人的有合作目标(照准棱镜)的变形监测系统，可实现全天候的无人值守[1]。

3.2 远程变形监测系统组成

本文通过大孤山露天铁矿边坡监测项目研究远程变形监测预警系统，该系统包括数据采集、数据处理分析和远程变形预报三大部分组成。数据采集包括GPS测站和TM30测站；数据处理分析是建立在GIS基础上包括预处理、变形分析、图形显示和报表的自动生成等[2]，如图1所示。

图1 GPS和TM30测量机器人联合变形监测系统

在此次项目研究中主要是应用GPS和TM30测量机器人进行监测，对于其他的监测方法只做参考辅助；利用WebGIS和Java建立起比较完善的远程预警预报系统。

4 大孤山矿区监测设计

在边坡上按设计位置新浇筑64个钢筋混凝土监测桩(如图2所示)，这样由原来的21个监测桩增加到85个。地表位移监测桩纵截面为梯形，底面规格为60 cm×60 cm，顶面规格为30 cm×30 cm，顶部光面，并水平嵌入强制对中器，高度1.0 m。桩体深入地表0.8 m或到达稳固基岩，浇筑后要求和岩土体成为一整体，在滑体变形时不能产生相对位移。桩体以钢筋为骨架，采用C20混凝土浇筑。

图2 大孤山铁矿西北帮边坡位移监测示意图

TM30用强制对中安置在经过控制网平差的基准点上，通过编组在监测桩(带强制对中器)上安置反射棱镜，进行分组观测。通过定期观测获得监测点的三维坐标，再与监测点的起始坐标比较，确定变形点的绝对水平位移，同时分析滑移速度和滑移趋势，如图3所示。

图3 观测基点与监测点现场仪器安置图

测量执行中华人民共和国标准《工程测量规范(GB50026-2007)》，满足二等变形测量的精度要求。

每隔7天观测1次，根据监测数据变形情况和降水等特殊情况对观测次数可适当调整，总监测次数15次。同时要及时进行数据整理分析和预报，并立即报告给相关部门，以便能及时判断边坡及巷道的稳定状况，指导矿山采剥生产，达到安全生产的最终目的。

5 边坡稳定性的数值模拟

本研究就是利用FLAC(美国Itasca公司开发的有限差分程序，能够进行土质、岩石和其他材料的结构受力模拟和分析)的强大处理功能[3]，对大孤山边坡进行数值模拟建模和网格划分。根据大孤山铁矿的生产条件以及工程实践，确定数值模拟方案为4个，分别模拟不同开采深度为-50 m、-150 m、-190 m和-220 m台阶。本文以-150 m为例进行说明。

5.1 数值模拟计算结果

模拟计算结果包括大孤山露天铁矿西北帮边坡随着开采深度的增加各个剖面的应力场和位移场，在整体分析的基础上，这里分5个剖面进行重点分析，Ⅰ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ剖面主要是针对混合岩，Ⅱ-Ⅱ剖面主要针对红矿，Ⅴ-Ⅴ剖面主要针对千枚岩。计算不同剖面在不同开采深度条件下的水平位移、垂直位移变化情况。本文仅以Ⅴ-Ⅴ剖面为例进行阐述说明，开挖-150m台阶Ⅴ-Ⅴ剖面的等值线模拟计算，如图4所示。

图4 边坡开挖到-150 m台阶时剖面计算结果

5.2 边坡稳定性变化规律分析

边坡稳定系数是指不稳定体沿滑动面产生的抗滑力与滑动力之比，比值等于1处于极限稳定，比值大于1处于稳定状态，比值小于1时处于失稳状态。

剖面稳定性系数随开采的变化规律，总体上看随着开采深度的增大，边帮整体稳定性表现为下降趋势，安全系数逐渐的递减，红矿最好，混合岩次之，千枚岩稳定性最差[4]。但总体上都处于稳定状态，各剖面的稳定性系数都大于1.1。图5所示为5个剖面稳定性系数变化规律示意图。

通过数值分析模拟，将计算结果信息整理汇总存储到GIS数据库中，以便于日后远程变形监测系统对其进行读取，方便管理和应用。

图5 5个剖面稳定性系数随开采的变化规律

6 时间序列回归分析

采用时间序列分析法(ARMA)，来对大孤山变形监测的数据进行预测分析，以此来提高监测数据的可靠性，及时准确地发布矿山边坡位移预报。

时间序列分析方法所研究的是一系列随时间变化而又相关联的动态数据序列，通过对数据进行分析，找出反映事物随时间的变化规律，从而对数据的变化趋势做出正确的分析和预报。

本文列举仅仅对大孤山露天矿9号监测点前12期数据进行分析，后3期数据作为验证通过这种方法得到的预报值的可靠性，如表1所示。

第9号监测点变化量值 表1

时间序列分析的特点在于:逐次的观测值通常是不独立的，且分析必须考虑到观测资料的时间顺序，当逐次观测值相关时，未来数值可以由过去观测资料来预测，可以利用观测数据之间的自相关性建立相应的数学模型来描述客观现象的动态特征。

计算得到如图6的预测值曲线图。

图6 第9号点水平位移X方向变化趋势图

从图6可以看出，预报序列值与实测值变化趋势基本一致，说明时间序列具有良好的模拟效果。

7 采用Java的WebGIS系统

基于WebGIS的远程形变监测系统由数据采集模块、数据库管理模块和数据分析预报模块组成，是在计算机软硬件支持下，综合利用测绘、地质和信息科学的理论知识，输入、管理、分析和输出变形监测的原始资料、中间数据、最终结果，实现变形监测资料的自动化日常管理，自动生成资料报表、图形和生成监测报告。

分为三个结构层，即功能层、服务层和数据层组成。主要有实时监测、数据处理、稳定性分析、矿山图纸数字化、预警发布和信息查询等。结构如图7所示。7.1 矿区监测点位图的显示

图7 基本结构框架示意图

点位图的显示通过java.awt下Component类的CreatImage()方法来完成，加载图像也是通过Java中的GetImage()方法完成的，它存在与两个类中，要加载的图形必须要有合法的地址链接，否则会加载不成功。

用户端采用的是客户端软件与网络浏览器相结合的模式，这样做的好处是为用户提供了更大的选择方案，更好地把客户端和浏览器结合在一起，方便操作。如图8～图10所示。

图8 监测系统主界面图

图9 DEM模型显示

图10 矿区监测点位显示

7.2 GIS数据管理和图表自动生成

(1)监测数据库管理

将TM30测量机器人观测的数据导出到电脑中，存储在SQLServer数据库中，通过Java程序可以随时访问数据库，对数据进行操作，运算以及分类列表等。

ASP向用户提供了连接任何兼容SQL的数据库以及创建多项功能数据库应用程序的能力，来方便用户开发应用[5]。

WebGIS系统表单(Forms)的生成是网站交互常用方法，JSP使得表单的处理更加简单，在JSP中处理表单的方法就是定义一个“bean”，而这不是完整的JavaBean，只需要是定义一个类就能完成，所定义的区域和表单的中的每一个区域都是一一对应的。例如要得到一个电子邮件地址的话，可以定义为GetMail.html，代码如下:

＜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)分析预报功能

通过以上的数据处理后，进一步就是将有关的信息汇总用图表和曲线图的形式显示出来，进行变形监测预报。对于图表的输出用VBA编辑程序建立与Excel的接口来实现，下面以大孤山露天矿监测点的移动线量趋势图为例，代码如下:

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

然后读取所有监测点的监测时间列表和相应的纵向位移量值并生成纵向位移折线图，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")，//设置图表统计图元的数值大小，标识名点称和图元颜色。

结果如图11、图12所示。

图11 监测数据分析位移量趋势图

图12 监测数据分析周期位移量报表

通过在GIS平台上利用Java的二次开发[6]，建立起结合边坡稳定性分析的变形监测综合信息系统，结合大孤山露天铁矿变形监测项目作为验证系统的可行性与可靠性。实现大孤山露天矿变形监测系统的报表与图表的自动生成与输出功能；实现远程变形监测，为矿山安全生产带来便利，提高效益。

8 结 语

本文结合大孤山露天铁矿边坡变形监测项目，对基于WebGIS的远程变形监测系统的设计进行了研究，通过该系统的建立，为快速分析监测数据、处理数据和预报预警打下了坚实的基础。该系统便于管理，有效地提高了矿山信息化管理水平和管理效益，取得了良好的经济和社会效益，为矿山信息化测绘发展提供了有力的技术支持。

[1] 徐佳，麻凤海，宋伟东等.TCA2003边坡自动监测系统的研究[J].矿山测量，2005(1)：49～52.

[2] 谢谟文，江崎哲郎，周国云等.基于GIS空间数据库的三维边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，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，刘春兰，陈操操等.露天煤矿生态环境遥感监测与评价方法研究——以霍林河一号露天矿为例[J].中国矿业，2009，18(6)：61～64.

[5] 金雁中.基于WebGIS的远程变形监测系统开发技术研究[D].太原：太原理工大学，2007.

[6] 董晓媛.基于Java/GML的WebGIS实现技术和应用研究[D].太原理工大学，2006.

北京市测绘设计研究院与乌鲁木齐市城市勘察测绘院签署项目合作协议

2013年6月4日，北京市规划委召开了“北京市规划委员会与乌鲁木齐市城市规划管理局测绘地理信息工程支援与合作启动会”。北京市规划委委员叶大华、委人事处处长于立新、市勘设测管办副主任王金坡，乌鲁木齐市副市长、城乡规划管理局局长樊新和、市委组织部副部长古丽其娜·沙吾尔、市委副秘书长迟义宸，北京市测绘设计研究院院长温宗勇、副院长兼总工程师陈品祥，乌鲁木齐市城市勘察测绘院院长李群林、总工程师龙海奎及双方相关处室负责人出席会议。

会议首先介绍了北京市规划委对口援助乌鲁木齐市规划局支援和合作工作的具体安排；双方有关部门负责人分别介绍了乌鲁木齐市发展现状及该市规划局寻求合作的需求、市规划委援疆工作开展情况及有关工作。随后，温宗勇院长与乌鲁木齐市城市勘察测绘院李群林院长代表各自单位签订了《乌鲁木齐亚欧博览会影像图册项目合作协议》。最后，乌鲁木齐市樊新和副市长、北京市规划委叶大华委员发表讲话，充分肯定了两市规划部门开展的支援与合作的积极意义，就培训相关工作分别提出了要求。

本次与乌鲁木齐市规划局的测绘地理信息工程支援与合作，将按照“首善标准、首都水平”，在测绘地理信息系统、技术人员培训、选派专家指导等方面对乌市规划局给予援助；包括七方面内容:地理空间框架建设培训指导、亚欧博览会图册编制合作、地理国情监测技术支持、现代测绘基准体系建设、激光雷达等新技术培训、精密测量及地下管线培训、规划电子地图服务平台培训。以期达到提高乌市测绘地理信息干部队伍业务素质，传授新技术应用的经验，通过技术人员培训、选派专家指导和项目合作方式，搭建交流合作平台，建立长效机制，加强乌市城市规划、建设与管理的测绘地理信息服务保障能力，提升测绘地理信息综合技术水平。北京市测绘设计研究院将承担主要培训指导任务。(张京川)

(来源：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

马继国(1979—)，男，工程师，主要从事城市测绘及数字化矿山等相关工作。