MATLAB在矿山边坡变形监测中的应用

韩 健

（华北地质勘查局五一四地质大队，河北 承德 067000）

我国的矿山作业，在监测设备以及监测技术不成熟的过去，是一项危险的工作，矿山边坡极易出现滑坡变形等事故，造成了大量的人员伤亡。边坡可分为两种形式，一种为人工边坡另一种为自然边坡，这其中也包含崩滑体。边坡发生滑坡现象是一种破坏失稳，即为一种复杂的地质灾害过程，由于矿山边坡的地质内部结构较为复杂，并且矿层的结构物质也不同，因此，组成边坡破坏具有不同的模式。然而，影响到边坡的稳定性因素，其具有复杂性、多样性的特点。矿山边坡事故发生不仅会威胁作业矿工的生命安全，同时对于生产单位也会造成重大的经济损失，对于正常生产工作也是致命的影响。而如何避免矿山边坡出现事故，首要的便是对矿山边坡进行高精度的监测，对矿山边坡事故进行预测，在发现明显事故发生风险时，及时撤出作业人员和工作器械，能最大程度上防止或避免事故造成人员伤亡和财产损失。要实现对事故的预测以及预防，对于矿山边坡进行精确监测是首要要求，如何实现对矿山边坡的精确观测呢？对于工程定位及监测工作来说，首要前提是建立具有相当精度的基准网，而要对矿山边坡进行精确监测能使用的方法中，首要的方法便是对矿山工程所指定的基准网进行平差[1]。

1 边坡监测概述

1.1 边坡监测的重要意义

露天矿山边坡变形的监基准点选在，是可以直接影响到边坡监测数据的可靠性。这就要求边坡的基准点稳定性，并尽可能不受到其他的不利因素影响。另外，在进行边坡基准点选择时，不但要考虑到露天矿山边坡的变形的需求，还要对整个矿区的边坡需要进行全面调查，要将监测点建设在较为稳定的地质层上。避免边坡事故便是对工作人员以及工程财产设施的重要保护，所以，对矿山边坡稳定性的提高是多年来工程负责部门关注的重点，使用科学、精确的方法对矿山边坡进行监测，是对事故诱因进行检查、排除的重要帮助。而在诱发矿山边坡出现滑坡事故的诱因中，矿山边坡出现的滑动以及内部施工造成的结构运动能够被有效监测并为采取危险消除措施提供帮助，对于边坡的各种变形威胁，以及变形趋势进行监测和预告，对于事故的各项诱因进行分析排查，最大程度上对事故发生条件进行分析并及时报告在事故发生前避免事故发生，对于矿山生产安全、工作人员生命安全、工程单位财产损失都是极大地保护。

1.2 影响边坡稳定的主要因素

引发事故发生的诱因很多，包括矿山本地的地质条件，矿山内部的地质运动，以及气候天气等因素容易造成边坡出现变形、滑动等情况；在矿山的生产作业中，生产作业有时会因工作需求对矿山边坡进行作业，会影响边坡稳定性，诱发事故发生。

2 变形监测基准网的设计与实施

2.1 测量规范依据

在执行矿山边坡监测工作时需要严格执行以下规范。首先，整个施工过程必要严格遵守并执行国标《工程测量规范》的标准，确保其测量精度可以满足水平位移，满足三等变形的测量要求。在相关基准点位中出现的误差，是制定相关基础及标准数据的依据。观测工作的开展需要有以下前提，在矿山工程中需要设定3个稳定性能得到保证的点位作为监测工作基准网设定的基准点，基准点需要保持稳定，所以设定时需要对基准点设定位置的稳定性进行勘测，而通视条件良好或需要进行测试的工程项目较少情况下，可以不用设置工作基点，在设置好的基准点上，直接将记住点设定成变形观测点即可。

2.2 变形监测基准网的质量标准

变形监测基准网的设置，为了使网络拥有更高的的质量，在设置时会对其进行设计优化，在设置前需要设定一个可参照标准来判定该方案是否满足变形监测基准网执行工作的要求。在目前的工作实践中设计网络时参考的受影响要素涵盖了网络的精度、可靠性以及灵敏度等等。

2.3 变形观测点的布设

变形观测点的布设一般要求根据条件尽可能将点位设置在现有的具有变形趋势的点位，或容易发生变形情况的点位。在发生变形或移动情况后，并且有较大的移动幅度的情况时，可以在周围布置增设基准点位，这样可以更加准确的找到矿山边坡发生的滑坡现象，及范围。

在通过变相范围的变形观测点进行观测时，可利用GPSRTK技术，进行点位设置，将设置各个位置的监测点放在实际的位置上。

2.4 基准网网型的确定

本次监测内容以大孤山矿山边坡为例，以该地区的现场条件以及对设备，以及在精度要求的情况下，在网型上进行选择。边角网与GPS网都具有各自的优势特点，边角网因其特殊的连接方式，保证了网络的几何强度，相对应的网络的可靠性，可以更好得到保证，而外部工作的工作量和布设成本都能有效降低，所以在大孤山地区矿山边坡的监测工作选择了边角网。观测作业模式采取传统模式，经典静态定位作业模式为基本标准数据，在进行研究工作时，所用的模拟实验工作设备型号为：美国Trimble GPS5700 3台套，改设备仪器的精度斜向局里为（10+2×10-6mm）·D。为了满足矿山坡度精准点的作业满足要求，观测过程中需要在每个点位上架设两次以上。由于矿山地形的不同，矿山边坡的坡度相对较为陡峭，在部分地区进行GPS静态观测，所传输到的地质定位信息的卫星数量较少，接受信息条件较差，为了接收到精确的定位信息，每个站点观测时间需要保持两个小时以上[2]。

3 观测方法设计

3.1 平面观测方法

所观测到的平面测量方法，是利用静态GPS测量法，在此基础上，进行基础导线性分布，形成一个较为合理的导线网，在进行网络扩展时，要进行两次观测。这时要选用固定的工作人员进行现场观测，另外，要进行内业计算，按照规定的日起流程、路线进行适当的观测，当所观测的基准点受到现场一定条件的制约时，就要加入改正数值。

图1 大孤山地区铁矿西北边坡基准网示意图

3.2 沉降观测方法

高程控制测量方法是利用二等水测量方法，采用了往返观测方式，或者是利用单程双侧站的测量方式。水准测量如果采用往返观测方法时，其观测可以分为以下几种方式：

往测奇数站BFFB，偶数站FBBF。

返测奇数站FBBF，偶数站BFFB。

在利用精密的水准测量方法时，同时要进行观测，构成一种闭合环，并选择固定的并且责任心较强的相关工作人员，对观测到的数据进行整理，记录观测成果数据；将原本固定所使用的基准点按规定日期进行监测，同时，将方法及履行方式进行详细观测。另外，矿山边坡的沉降点必须要选用点成观测，并构成闭合环，将首次所观测到的数据进行一次往返传输，受到周围环境条件的制约要选用单程观测构成闭合环，将首次观测到的数据，进行一次往返，并受到现场条件的限制，不能做到前后视距相等，因此，所测的高差要加入i角影响的改正[3]。

3.3 建立回归数学模型

回归分析方法是变形监测数据的一种传统及常用的方法之一。变量之间具有一些不确定性因素及依赖关系，同时也可以利用回归来进行分析，这里所运用的回归分析则是一种数理的统计方法。在进行相应的数学表达方式要对其进行一定的精度评估吗，这样就可以对位置的矢量进行预测，研究其变化的规律，从而确定指导的科学决策指令。根据所建立出的回归方案，可以对变形现象进行一定的分析。调用相关的数据，建立回归模型，在Matlab统计工具箱中使用命令regress（）实现多元线性回归，调用格式为：b=regress（y，x）或[b，bint，r，rint，stats]=regess（y，xalpha）其中：①y表示一个n－1的因变量数据矩阵。②x是np矩阵，自变量x和一列具有相同行数，值是1的矩阵的组合。如：对含常数项的一元回归模型，可将x变为n－2矩阵，其中第一列全为1。③alpha显著性水平（缺省时设定为0.05），输出向量b回归系数估计值（并且第一个值表示常数，第二个值表示回归系数）。④bint为b的置信区间。⑤r、rint为残差及其置信区间。⑥stats是用于检验回归模型的统计量，有四个数值，第一个是，其中r是相关系数；第二个是F统计量值；第三个是与统计量对应的概率P，当时拒绝，回归模型成立；第四个是误差方差估计值。

4 基准网的平差

4.1 间接平差法

间接平差法即具有多个未知量或然值需要确定时，通过量与量之间无联系的独立量作为组成用未知量表达测量的函数关系、列出误差方程式，采用最小二乘法原理将质量的最或然值的求出的评测方法，是得出平差时最常采用的计算方法，因其数学模型制作相对简单在评定平差值及函数精度时相对便利所以较为常用[4]。

在应用到基准网的平差计算中，通过对X点的选择，使其观测值具有一定的独立未知量，并作为一定的计算参数，再将所选择的X参数与函数，利用不同观测值进行表达，同时建立起函数的数学模型，代入最小的二乘原理，利用求自由极值的方式，解除所选择的参数，求出不同观测值的平差值。

4.2 实现MATLAB间接平差程序设计

由于观测时选择的网络为边角网，并且在观测后通过计算得到了未知边距离以及方位，之后需要对边角网进行平差，在各种平差方法的选择上，仍采用间接平差法建立其数学模型。选择的理由包括间接调整的以下优点。其次，选择的参数往往是调整后需要的最终结果。

5 结语

矿山作业中，矿山边坡的变形诱因分析需要十分繁杂的过程且得到的结果并不能保证精确性，在建立符合矿山具体情况的变形模型是重要的分析步骤。传统的单一预测模型无法满足工程的各方面要求，Matlab能够弥补传统方式上的的诸多弊端，加上近年来广泛应用的GPS全球定位系统网络和数字水准仪等高科技装备，不仅解决了传统模式下网络布置困难，布置网络成本较高且耗时耗力，并且对精度的要求偏高的各方面弊端，同时能够发挥Matlab的迅速且简便的计算方式，在效率极高的同时还能够保障计算得到的数据精度优秀，在面对大型工程时处理数量庞大的且复杂的测量数据等各方面优势，为监测者带来立体直观的监测模型和数据，在防范矿山边坡出现安全隐患时，以及针对引发事故的诱因防范方面能够提供准确科学的依据和预测，既是为工程开展时提供数据上的安全保障，也是避免了出现事故带来的生命财产安全损失，保障了我国矿业的安全发展。