GPS实时监测技术在紫金山金铜矿地质灾害监测中的设计与实现

刘国元

(紫金矿业集团股份有限公司，上杭 364200)

GPS实时监测技术在紫金山金铜矿地质灾害监测中的设计与实现

刘国元

(紫金矿业集团股份有限公司，上杭 364200)

由于GPS实时监测技术具有全天候运行、自动化程度高、可远程监控、精度高、无需通视、可扩展性等特点，被广泛应用于地质灾害监测系统中。本文主要介绍了该方法在紫金山金铜矿地质灾害监测中的设计与实现。

GPS；紫金山金铜矿；地质灾害监测

紫金山金铜矿位于福建省上杭县，属中亚热带季风气候，四季分明，气候温和，雨量充沛，年平均气温20.0℃，年雨量1 646 mm，春夏湿润多雨，雨量相对集中，汛期集中在每年的4月至9月，特殊的气候条件使得紫金山地区易遭山洪泥石流滑坡等地质灾害。紫金山金铜矿地处汀江上游边上，毗邻迳美行政村，下游为金山水电站，且矿区边坡规模较大，如果发生地质灾害，对人身和财产造成的危害也是巨大的，主要表现在摧毁矿山生产及生活设施，淤埋矿山坑道、伤害矿山人员、淤堵汀江、冲毁水电站、造成环境污染等重大事件发生。因此，必须采取一定的方法对矿区各地质灾害隐患点进行安全监测和预警，保障矿区安全生产。

传统边坡和大坝变形观测一般采用全站仪或水准仪进行水平位和垂直位移进行观测，该方法受天气和通视条件限制只能观测规模较小的边坡和大坝。紫金山金铜矿属于特大型低品位难处理矿，随着采选规模的不断扩大，形成了一些地质灾害隐患点，如大规模的矿碴堆场形成的边坡。这些大规模的边坡由于已经绿化治理，不具有通视条件，不能采用传统变形观测方法来对它们进行安全监测。因此，必须采用有效的监测方法来对这些地质灾害点进行实时监测，而GPS监测技术具有全天候运行、可远程监控、精度高、无需通视、可扩展性等特点，正好适用紫金山金铜矿地灾点分散、点多面广的特点。

1 GPS介绍

1.1 GPS的定义

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称，利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。GPS能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置，极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。

1.2 监测原理

(1)们如下图1所示，GPS基准站设置在非形变稳定区，GPS监测站设置在形变监测区(监测断面的布置和监测点的数量根据监测项目需求设置)。

(2) 利用GPS差分原理，利用2个或更多个测站之间的相对定位。如图2所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星(至少4颗)。而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。

(3) 通过数据传输系统将同一时刻的GPS基准站及GPS监测站的原始观测数据发送到数据中心(数据采样间隔可达10～20次/s)。

(4) 专业变形监测软件上海华测导航技术有限公司的HCmonitor对数据进行自动解算处理，得到监测点实时的毫米级三维坐标值。

(5) 通过平台软件对三维坐标成果进行图表管理和输出，得到用户想要的多种表现形式的监测成果。

2 基准站设计与建设

GPS基准站也可以称为GPS参考站，是整个边坡表面位移监测的基准框架，一般一个GPS参考站能够覆盖10 km以内的监测点，可以覆盖整个紫金山金铜矿区，因此设置一个参考站即可。为了保证监测系统稳定可靠，参考站需定时统一和区域内控制点进行联测，以实现监测坐标与项目区域内坐标的统一，同时校准参考点是否会发生位移。

GPS基准站(参考站)要求建立在地基稳定的地点，同时GPS参考站场地应满足以下要求：

(1) 场地稳固且边界无开挖，年平均下沉和位移小于3 mm。

(2) 地势较高且视野较开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°。

(3) 远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等)，其距离不小于200 m。

(4) 远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不得小于50 m。

(5) 当GPS监测站的点位布设较分散时，GPS基准站就布设在GPS监测站的中间，尽量靠近数据传输网络。

(6) 天线墩的高度不低于2 m。

(7) 观测标志应远离震动源。

(8) 参考站必须建立在冻土层以下，以减少气候变化对参考站的影响。

GPS基准站的接收机采用上海华测的N71，采用Maxwell 6技术，具有并行220通道，支持多系统，支持GSM、CDPD和GPRS调制方式用于eRTK和VRS，最高20Hz数据采样的特点。监测站主要由避雷系统、供电系统和通信系统组成，综合以上因素联系紫金山金铜矿实际地形特征，GPS基准站布设在露采观景台边上，实际建设施工效果如图3所示。

3 监测站设计

3.1 监测站位置设计

经过安全管理部门现场踏勘调研论证后决定在矿区东南矿段B块边坡、小金山沟拦渣坝、金矿二选厂肚子坑边坡、金矿二选厂3、4号环保大坝4处主要地质灾害隐患点建立GPS在线监测系统进行实时监测。4处主要地质灾害隐患点概况及监测点位布设情况如下：

(1) 东南矿段B块边坡危险范围从高程454到高程684水平，边坡角在50°以上，该区段属于松散堆渣体构成，汇水区面积大，且边坡下方有当地村民居住区，易产生滑坡和泥石流。该边坡布设DNA A1-1、DNA A1-2、DNA A1-3三个GPS在线监测点，现场监测点位布设地形图如下图4所示。

(2) 东南矿段小金山沟拦渣坝坝顶长约67 m，顶坝尚未施工完毕，坝底往下至四五米宽的水沟底。整个坝体共分4级，基础坝是浆砌石结构重力坝。该坝体是民采期间由当地民采老板采用纯石块堆积而成，没有混凝土等凝固剂，其安全程度较差，上部陡峭山体开采，雨季极易坍塌滑落到下面，下方为城区通往矿区公司和村民居住区，一旦产生滑坡或泥石流，其危害性较大。该拦碴坝布设DNK A1-1、DNK A1-2、DNK A1-3 三个GPS在线监测点，现场监测点位布设地形图如下图5所示。

(3) 金矿二选厂肚子坑边坡规模较大，在高程256水平处有矿区交通干道。整个边坡是矿山生产过程中产出的矿渣碾压、人工堆积而成的。边坡上宽下窄呈倒梯形，上边缘呈凹进去的弧线型，总计长度1 050 m左右，下边缘也呈凹进去的弧线型，长约150 m左右，高差在90 m左右。边坡底部依附山体筑有土石结构拦渣坝。该边坡由于特殊的形状和较大的规模，造成汇水区面积也较大，在雨季易诱发滑坡和泥石流。该边坡布设DZK A1-1、DZK A1-2、DZK B1-1、DZK B1-2四个GPS在线监测点，现场监测点位布设地形图如下图6所示。

(4) 金矿二选厂3、4号环保大坝边坡范围包括从高程344的平台至下方的废水处理系统，废水处理系统有一座混凝土大坝。整个边坡也是矿渣堆积形成，已绿化治理，并且比较密集。由于该边坡上方是沉淀池，沉淀池的污水会汇集到大坝下方的污水处理池中，污水处理池将处理后的无污染的水排放到前方水库中，再由水库排放至汀江，所以大坝及上方松散边坡的安全与否，直接威胁到汀江的水质安全，同时一旦滑坡造成汀江的堵塞，其危害更大。该边坡整个高差约100 m，坡度45°左右。该边坡布设J3#A1-1、J3#A1-2、J3#B1-1、J4#A1-1、J4#A1-2五个GPS在线监测点，现场监测点位布设地形图如下图7所示。

3.2 监测站设计与建设

GPS监测站是管理人员实时掌握滑坡体形变和位移变化量的依据，各监测点长期连续跟踪观测卫星信号，通过数据通讯网络(无线网桥或3G)实时传输GPS观测数据到控制中心，并结合各参考站的观测数据与起算坐标通过控制中心软件准实时解算处理，最终得到各监测点的高精度三维坐标。GPS接收机也是采用上海华测的N71，监测站也是由避雷系统、供电系统和通信系统组成，其实际建设施工效果如图8所示。

4 系统总体设计

项目总体可分为4个系统，即传感器子系统、数据传输子系统、监控中心子系统和辅助支持子系统，系统拓扑图如图9所示。

(1) 传感器子系统：由布置在隐患点区域的GPS传感器组成，主要作用是采集表位位移监测点的三维坐标数据，主要传感器采用后安装方式。

(2) 数据传输子系统：传感器与控制中心通讯采用有线或无线的通讯方式，根据项目现场的实际情况，本次监测GPS监测点采用GPRS模块进行数据传输。

(3) 数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统及软件系统组成。

(4) 辅助支持系统：包括外场机柜、外场机箱、配电及UPS、防雷和远程电子监控等子系统。

5 成果发布平台

5.1 简介

用户进入系统后中间显示工程总体分布图，可以查看各测点的分布情况，鼠标移到测点处可以显示测点最近一次测量位移情况。主页面左侧是功能菜单栏，主要包括系统管理、工程管理、报表、视频监测、表面位移监测、浸润线监测、内部位移监测、雨量监测、最小干滩监测、库水位监测、渗流监测、土含水率监测、土压力监测及裂缝监测。本项目为一期工程，主要对地质灾害隐患点表面位移监测，其他功能模块为预留监测参数接口，方便系统的扩展，如图10所示。

5.2 平台功能特点

(1) 采用 B/S架构设计，用户只要将电脑连接到互联网，就可以输入域名登陆该系统，通过网页即可查询监测情况，也可以通过下载安装APP手机端查看和管理监测系统，如图11所示。

(2) 系统设置了超级管理员和一般管理员，可以进行用户名与密码管理、不同用户授权管理、地图管理、任意添加和删除各监测手段等功能。

(3) 监测系统有强大的数据管理和分析能力，可以根据用户需要的格式将每个监测点的毫米级精度三维坐标成果导出来。系统具备图表分析功能，可以自动给出位移变化趋势图、断面曲线图、散点图等，对各个监测手段的数据进行历史回放、趋势分析等，如图12所示。

(4) 系统可任意添加人工巡检的所有信息，对于人工巡检、历史数据、登陆日志等进行有效管理。

(5) 预警发布形式灵活多样，可根据数据的危险程度采用短信、网页、邮件、现场声光、大屏幕等方式和渠道进行分级发布。

(6) 系统接入了视频监控系统，用户可以通过视频远程查看现场情况。

6 运行评价

由于GPS和参考站和监测站都采用了太阳能供电系统、无线传输系统以及自动数据处理软件，使得整个系统可以独立自动完成监测数据的采集、发送和处理，且在雨雪天气均可以实现全天候实时动态监测。监测站接收机通过静态模式测量所得到的数据可以达到毫米级精度，达到边坡表面位监测精度要求。通过对监测数据进行位移变化趋势图、断面曲线图、散点图进行图表分析：如果监测数据在GPS的测量误差范围内呈离散形随机变化，那么该监测站附近所在的边坡是稳定的；如果监测数据在GPS的测量误差范围内呈线性增加或减小变化，那么该监测站附近所在的边坡发生了偏移，需要组织安全管理部门对该边坡进行安全评价以确定是否需要治理。另外，系统还提供了多种的预警形式，通过预先设定的位移限差，监测站所测的位移数据一旦超过这个限差，系统可以提供网页、手机短信、办公室现场声光等多种预警表现形式。质灾害隐患点一旦出现警报，边坡管理人员还可以通过视频监控系统查看边坡现场情况以便第一时间作出应急抢险指示。经过一段时间的运行，系统运行稳定，精度高，可以有效预测大型滑坡、崩塌等地质灾害的发生，安全管理人员可以及时组织处置，将地质灾害减小到最小程度。

7 结论

紫金山金铜矿作为国内黄金可利用资源量最大、黄金产量最大、采选规模最大、入选品位最低、单位矿石成本最低、经济效益最好的单体矿山，其生产过程中的大型堆浸场经绿化治理后成为不稳定边坡，是矿区最重要的地质灾害隐患点，采用GPS实时监测技术对这些地质灾害隐患点进行安全管理和预警，对提升整矿本质安全有着极其重要的保障作用，对落实国家新《环境保护法》和新《安全生产法》有着积极的推动作用，对紫金山金铜矿打造信息化、智能化、自动化的现代化矿山也有重要的推动作用。总之，紫金山金铜矿运用GPS实时监测技术对矿区地质灾害隐患点进行监测、预警和统一管理，对矿区安全生产有着重要的意义。

[1] 冯蓉. 基于GPS与GPRS的滑坡监测系统设计(D).太原：太原理工大学，2011.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF GPS REAL-TIME MONITORING TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL HAZARD MONITORING OF ZIJINSHAN GOLD/COPPER MINE

LIU Guo-yuan

(Zijin Mining Group Co.,Ltd,Shanghang Fujian 364200,China)

Is widely used in the geological hazard monitoring system, due to the characteristics of the GPS real-time monitoring technology such as all-weather operation, high-degree automation, remote monitoring, high precision, free intervisibility, and extensibility.This paper mainly introduces the design and implementation of geological hazard monitoring in Zijinshan gold/copper mine.

GPS; Zijinshan gold/copper mine; geological hazard monitoring

1006-4362(2015)04-0067-07

2015-08-09改回日期：2015-10-19

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A

刘国元(1984- )，男，福建省上杭人，主要从事大坝边坡安全监测、矿区地质灾害防治研究工作。E-mail：guoyuanliu@163.com