无人机载雷达检测露天矿边坡位移分析

王崇

（内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司，通辽029200）

0 引言

目前，我国露天开采工程量较大，而露天矿边坡是否稳定关系到开采工作的成效与安全。据调查，我国有40%的露天矿边坡存在不同程度的稳定性问题，特别是随着矿业发展不断加大，所引发的露天矿山滑坡事件层出不穷，并且给矿区工作人员的生命健康与矿区经济造成威胁[1-2]。而无人机载雷达监测技术是一种有效的数据采集技术，其可以实现对露天矿边坡的全方位监测。在此过程中其可以迅速发现矿区边坡不稳定情况，通过及时采取有效的干预措施而防止更大危险的来临。该技术弥补了传统边坡测与监测测量存在的不足，露天矿资源的安全、高效及可持续发展具有重要意义。由此，相关研究者应该引起重视，避免露天矿边坡位移而产生的事故。

1 露天矿区概述

白音华煤田位于内蒙古自治区锡林郭勒盟西乌珠穆沁旗白音华镇管辖，白音华煤田二号露天矿位于煤田西南部，西南和东北分别以白音华煤田一号露天矿和白音华煤田三号露天矿相邻，井田为一南北长7.4km、东西宽7.2km、面积35.16km2的不规则图形。 总体呈北东—南西向条带状展布，走向长 60km，倾向宽平均为8.5km 左右，含煤面积510km2。煤田地势平坦，煤层倾角一般在 5～8°之间，剥离物大多为软岩，可采煤层有 1 煤组、煤组和 3 煤组。共计8 个可采煤层，主要可采煤为 2-1 和3-1 煤，2-1煤平均厚16.41m，3-1 煤的平均厚度 14.96m，2010 年 底白音华二号露天矿已形成南北宽1.5km，东西长约2km，面积3.0km2的采坑，现开采深度已到 926 水平，目前开采煤层为 2-1 煤和 3-1 煤，边坡高度 112m。[9]

目前，该矿已经成为我国规模最大、现代化程度最高的煤炭生产基地，而煤矿采用的采煤运输车，自重102 吨，可以装煤300 吨，是国内最大的装煤车。庞大的矿坑，由十几个高15m 的大“台阶”组成，其中台阶靠帮后2 个台阶并段，并段后长度为30m，台阶坡面角为60°，边坡角为38～42°之间。然而，受矿区地区地层基底岩层影响，加上气候等因素，随着露天开采的不断深入，该矿区南侧边坡发生不同程度的塌方等情况，严重对矿山生产造成了较大的影响。

2 无人机雷达监测露天矿边坡位移分析

经过对露天矿区情况的介绍，为了及早发现露天矿边坡位移，避免相关事故的发生。本矿使用无人机雷达设备，通过自动测量与存储监测数据，关注其边坡表现位移变化，在此过程中监测应用原理与目的下进行详细分析介绍。

2.1 无人机载雷达监测原理与目的

2.1.1 无人机载雷达监测原理

本露天矿区边坡监测采用的无人机载雷达设备，具体如图1。该设备质量≤10kg，整机结构包括集成差分GPS定位器、存储控制单元、INS 惯性导航系统及激光扫描仪[3]。其中，雷达产品型号为ZM-AIR，不需要控制点即可满足测图需求。而无人机为GV1300 多旋翼型，且配备了双子星飞控与降落伞，具有较强的稳定性、较高的安全性及更长的飞行时间[4]。在实际检测过程中，该设备结合本矿区实际情况，通过设计航信路线，启动自动监测系统，对采集的数据进行分析，结合边坡情况实现预警。

2.1.2 无人机载雷达监测目的

本露天矿区应用无人机载雷达监测，主要目的是全方位监测边坡变化情况。这是由于该露天矿区具有边坡大、总体边坡角度陡等特点，加上该矿区所处自然因素及人为因素的影响，该矿区边坡不稳定情况越来越突出。随着边坡稳定维护与控制难度的加大，需要提前做好相关的勘察治理工作[6]。由此，建立监测系统十分必要。通过使用无人机载雷达监测矿区边坡情况，可实现对不稳定边坡的预测、预警报告，这包括边坡崩体的氛围、发生事件及所带来的危害性。通过提前预知分析，为相关部门提供参数，制定较为科学的防灾对策，对治理边坡稳定起到较高的防控效果。

表1 边坡监测常用方法与特点

图1 无人机载雷达设备整体结构图

2.2 无人机雷达监测露天矿边坡位移流程

关于露天矿边坡位移的监测，目前，主要是对坡体表面位移与岩石深部状态进行检测，常用的监测方法较多，具体内容与特点如表1 所示。

2.2.1 监测路线设计

经过以上对天矿边坡位移的监测方法的分析，结合此次矿区实际情况与实施的可操作性，采用的是无人机载雷达监测。采用该监测方法是由于其符合现实需求，且实施简单易行[7]。在监测过程中，该设备数据测量作业路线为：①航飞设计：在监测过程中，在无人机可飞行区域内，设置GPS 固定基准站，且要求基站与无人机上的GPS 设备距离≤30km 之内。按照相关要求布置基站的个数，保证无人机的监测效果。②采集数据：对数据的收拾包含两部分，一部分是无人机所监测的数据，另一部分是固定基站的数据，通过收集这些原始数据后，经过POS 数据预处理后得到相关检测地表的数据。③飞行评价：待每次监测飞行结束后，对收集的数据质量无是否完整进行检查与评估，保证数据的可靠性与准确性。为下一次飞行监测提供帮助。④数据处理：对所收集的监测数据处理，需要经过预处理与后处理两个步骤：前者是将获取的数据进行解压缩，看数据是否存在丢失，然后经过数据差分计算得到相对精准的数据；后者是对得到的数据生成数字高程模型，然后进一步详细的分析处理。

2.2.2 监测路线实施

按照以上路线设计，对本露天矿区边坡进行2 次多个时间段的监测扫描，第1 次监测扫描后，记录相关的数据。在此过程中每隔6h 监测1 次。在此过程中若发现GPS 固定基准站发生位移后，且速度＜2nm/h 时，则需要改变监测时间为每隔4h 一次；若速度度＞5nm/h时，则需要改变监测时间为每隔2h 一次，定时对监测数据收集与处理。在本露天矿区监测过程中，按照以上路线执行，其中在监测中发现边坡整体位移时，需要采用针对性的措施进行解决。具体内容为：①边坡整体位移有30mm 时，需要给予工人黄色预警，在开采作业过程中，要求现场有技术人员到场，对边坡位移原因进行了解，重视该位移的进一步扩大，避免更为严重的情况发生；②边坡整体位移有100mm 时，需要给予工人橙色预警，在开采作业过程中要求现场有技术人员到场，分析其中的原因，并通知各开采人员注意该区段边坡不稳情况，提高工人开采工作的安全性；③边坡整体位移有100mm 时，且变形速度＞5nm/h 时，需要给予工人红色预警，在开采作业过程中要求现场有技术人员到场，并通知各开采人员注意该区段边坡不稳，停止开采作业且车辆等绕道而行，为了保证开采工作的安全性，需要提高监测的频率为1 次/h。待经过处理之后恢复开采作业[8]。

2.3 无人机雷达监测应用效果

本露天矿区边坡进行2 次多个时间段的监测扫描后，发现第1 期与最后一期边坡表面发生位移，其中该矿区边坡南部情况越来越严重，设备监测确定有30 个点为不稳定区域。设备应用后实现了边坡监测预警。其中，对黄色预警的区域采取加固处理，减缓位移的速度；对橙色预警区域分析其中的情况，避免自然、人为操作因素对其造成的影响。对红色预警区域通过专门处理，避免引发更为严重坍塌事故，确保开采人员的安全。

3 结语

我国是人口大国，对矿产资源的需求量较大，而随着矿业发展不断加大，使露天矿山滑坡日趋严峻，特别是边坡滑坡事件给矿山工作人员的生命安全造成严重的威胁。据调查统计，每年露天矿发生边坡滑坡事故较多，不但造成人员损失，还对露天矿经济造成损失。为了解决以上问题，露天矿一般都会对边坡进行测量，预估矿体实际情况，避免超负荷工作而给工作人员带来极大的危险性。一般而言，露天矿会采用合理的监测方式。目前，GPS 点监测技术在露天矿边坡中应用比较广泛，但是其投入较大，且施工比较困难，加上后期的定期维护，不得不选用新的监测技术。而无人机载雷达监测技术与GPS 点监测技术不同，其弥补了其方面存在的不足，不但顾及到露天矿工作人员的生命安全，而且数据收集效率高且准确，在露天矿边坡监测中应用效果明显。在苏俊生研究中指出，对露天矿的监测需要根据矿区水文地质条件、断层的水文地质特征、地下水、大气降水的动态特征进行分析[9]。无人机载雷达监测技术可对其情况进行定期监测，将收集后的数据分析后，矿区做出合理的决定，从而避免边坡滑坡事件的发生率。

目前，随着现代科学技术的发展，无人机载雷达监测技术在露天矿区的得到应用。此次研究对无人机载雷达检测露天矿边坡位移分析，了解到无人机载雷达监测技术具有成本低廉、快速有效的特点，可弥补传统边坡测量与GPS 监测存在的不足。其在露天矿区边坡位移监测中应用，避免了工作人员步入危险区域，实现了对相关数据的快速、准确收集。经过其应用，结果表明该技术应用效果好，且成功预警多次边坡位移情况，对矿区工作人员的生命健康与矿区经济发展具有保障作用，值得在露天矿边坡监测中应用。