露天矿边坡位移监测方法的发展与研究

张飞，郝勇浙，刘跃忠，王昊，田睿

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院， 内蒙古 包头市 014010；2.内蒙古丰沃工程技术咨询有限公司，内蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

大型露天矿山在开采过程中均形成了大量台阶，致使采场作业越发危险，开采困难，事故频发，生产安全受到威胁，造成极大的经济损失[1-2]，例如美国宾哈姆·康诺露天矿发生大面积滑坡，滑坡量将近1600万t，整个采场一半以上被掩埋；加拿大约翰斯曼维尔矿受到水的侵蚀，致使2293 m3岩体滑坡[2]。由此可见，边坡稳定是露天矿山安全生产的重要保障，边坡监测对矿山安全生产起着重要作用。所谓边坡监测是指对边坡的位移速度、方向等进行监测，以掌握边坡的岩石运动规律，并找出边坡破坏的预警信号。矿山边坡位移监测和变形趋势预测分析对保证露天矿安全生产具有重要意义。综合分析近年来露天矿边坡位移监测的工程实践，随着科学技术的不断进步，露天矿边坡位移监测技术取得了长足进步。矿山边坡位移监测已从过去的简单、常规监测方法逐步发展为自动化、高效、高精度的实时动态监测和远程监测系统[3]。本文主要研究不同位移监测技术应用，通过对比分析各种位移监测技术特点和适用范围及条件，为露天矿边坡安全监测提供参考[4]。

1 边坡监测的研究现状

国外早在 20世纪初就开始进行边坡监测的研究，而我国直到 20世纪中叶才开始对边坡监测进行研究。边坡监测通过分析边坡处在不同阶段的变化情况，对边坡的形变以及形变趋势作出预测和应对。边坡监测主要针对地表位移、深部位移和宏观地质现象，可分为基于点和面两种。监测方法也已从图形卡尺不断发展到水平仪、经纬仪、全站仪、GPS、合成孔径雷达和三维激光扫描等[5]。

多年来，许多学者研究和探索了不同的边坡监测技术，并取得了一些突破。Helmstetter等在2004年将 Slider-block friction模型用于 Vaiont和 La Clapiere边坡监测[6]。Calvello等在2008年分析了滑坡稳定性和变形速率两者的关系，发现两者之间存在指数或者对数的相关性[7]。在国内，王桂杰等在 2010年将地探技术和差分干涉技术应用于大范围的目标监测和预警，取得了不错的结果[8]。林昊等在2014年利用单频静态GPS监测滑坡变形，发现单频静态GPS可以用于垂直形变在10 cm以上的滑坡[9]。本文以近年来应用较为广泛的几种边坡监测方法为例，对边坡监测方法进行介绍，并对边坡监测的发展趋势进行分析。

2 边坡雷达监测技术及实际应用

2.1 边坡雷达监测技术

雷达系统通过发射电磁波并接收物体反射的电磁波，根据往返信号之间的差异检测物体[10]。合成孔径雷达（D-InSAR）技术的研究较为成熟，该监测系统能对露天矿边坡、排土场边坡、山体滑坡、大型建筑物的形变进行大范围连续监测，对各类灾害进行预警，在安全保障、评估和紧急救援等重要项目得到广泛应用[11]。

地基InSAR形变测量如图1所示。图中设置固定观测基站观测目标点P，P′为P移动了距离d后的位置。

图1 地基InSAR形变测量示意图[12]

地基 InSAR技术是利用卫星对同一地区进行两次成像所生成的相位差，将前后两副干涉纹图进行比较和计算[13]，形变前后的主副图像相位分别为φM和φS，两者的干涉相位为ΔφMS，则：

目前合成孔径雷达（D-InSAR）具有精度高、监测范围广、自动化程度高的技术特点，但合成孔径雷达系统的信号易被干扰，图像处理较为复杂，且生产和维护费用高昂，所以，如何保障信号的传输不受干扰和降低成本依然是将来需要研究的课题。

2.2 边坡雷达监测技术的应用

马兰庄铁矿位于河北省迁安市马兰庄镇，年产量300万t，该矿露天矿区呈椭圆状，采场长约1100 m，宽约900 m，采场边坡为岩质边坡，没有植被覆盖，开采深度超过200 m，边坡角为38°～47°，随着开采的逐渐加深，边坡稳定成了制约采场安全生产的重要原因。

根据矿山实际情况，将雷达放置在采坑东坡和西坡地基稳定处，以降低边坡监测工作受工程扰动的影响，尽可能提高监测准确性。在矿坑东坡位置建立边坡监测系统服务器，监测人员通过远程操作可以对雷达监测结果进行分析。

由图2～图3可知，该矿山监测区域边坡最大形变速率超过-1 mm/h，且底部变形量大于上部。对边坡变形区进行了现场考察，发现该变形区顶部的边坡岩体产生了明显裂缝，并且下部变形量大于上部。监测结果显示与现场实际情况基本一致。矿山依据监测数据，对变形区域实施整改，阻止了灾害的发生[14]。根据合成孔径雷达（D-InSAR）的实际应用效果可以看出，该技术可以对边坡进行实时精准监测，可有效避免灾害的发生。

图2 监测点位变形速率曲线

图3 边坡平均形变速率

3 GNSS边坡监测系统及实际矿山的应用

3.1 GNSS边坡监测系统

GNSS（全球卫星定位系统）在应用于民用领域后已广泛用于导航、定位和其他领域，并且在测量方面也做出了较大贡献。由于其精度高、效率高、全天候且无需透视定位，人们已经用它代替了常规的三角形、三边形、边角等方法，并在理论、实践中取得了众多成果[15]。随后也在边坡变形监测中逐步得到应用。

GNSS自动化监测系统主要由硬件系统（传感器、数据采集模块、数据传输模块）和软件系统（数据库、数据处理与控制模块、安全评价预警模块）组成（如图4所示）。GNSS监测系统实时采集监测点的信号，且经过数据传输模块传送至控制中心，通过数据处理计算每个监控点的三维坐标，并与初始三维坐标进行比较，得出监控点的变化，同时安全评价预警模块根据设定好的预警值进行报警[16]。目前该技术只能实时进行预警，无法更好地预测边坡未来的位移走势，如何通过数据进行预测是研究的难点。

图4 GNSS边坡监测系统组成

GNSS边坡监测系统具有高自动化，高精准度，受气候影响小等特点，且性价比极高，这也是目前矿山主要应用的边坡监测手段。

3.2 GNSS边坡监测系统在矿山的应用

伊敏露天矿在2011年使用GNSS边坡监测系统对露天矿东部边坡9个监测点进行监测。通过监测点数据发现东部边坡正发生缓慢移动。根据GNSS边坡监测系统的数据，2011—2012年，东边坡的变形带处于均匀缓慢的变形阶段，监测点6向坑下移动60 cm（见表1）。2012年10月，该区域的变形加剧，监测点的位移高达6.3 cm[17]。

表1 各测点监测数据

通过监测系统，露天矿及时准确地掌握了东部边坡现状，并依据所得数据结合现场实际情况，采取相应的治理措施。伊敏露天矿GNSS边坡监测系统结合了GPS和北斗监测系统，有效提高了监测数据的准确性，为露天矿的安全生产提供技术支持和基础，并为后续研究提供有力的支持。

4 三维激光扫描技术及实际应用

4.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是国际领先的空间三维影像测量技术，它将传统测量由点发展至面，可以进行复杂环境或空间的扫描工作，并将扫描的三维数据完整放到计算机内[18]。三维激光扫描仪的工作原理是通过仪器记录目标物体反射回来的激光信息，从而建立目标的三维模型。扫描仪通过快速旋转的反光镜对指定范围进行扫描，再利用激光脉冲往返的时间来确定目标距离，并通过编码器转换获得被测目标的三维坐标，再根据反射折回的激光强度确定目标的颜色信息[19]。其原理如图5所示。

图5 三维激光扫描技术原理[20]

其中被测点P三维坐标计算公式为：

三维激光扫描技术在许多领域都有广泛的应用，特别是在矿山和岩土工程领域，具有广阔的应用前景。在矿山边坡监测当中更是具有测量范围广、成像效果好、测量精度高等优点，虽受到地形和环境因素的影响较大，但仍不失为一种高效、可靠的监测手段。

4.2 三维激光扫描技术在矿山的应用

凤阳县石英岩矿开采时间长，采场多，因盗采遗留下多处高陡边坡，最高处达200余米。由于历史遗留问题，该矿在木屐山矿区+140平台和+155平台有高陡边坡区域。该区域边坡高度为45 m，边坡角为 70°。因不在矿权范围内，矿山无法进行削坡处理，给道路运输及生产带来很大的安全隐患。该边坡是否稳定关系到矿区能否安全生产，所以矿山在该区域设立了永久观测点，用三维激光扫描技术对其进行实时监测，监测结果如图6所示。

图6 区域位移曲线变化

由图6可知，6月28日至6月30日，该区域平均位移为10 mm，在6月29日至30日，受到降水的影响，区域位移变化较大。在8月9日至8月12日该区域位移变化相差较大，特别是8月10日，平均位移达到20 mm[21]。矿山根据监测和现场勘察得到的数据对该区域进行治理，有效防止了安全事故。所以，三维激光扫描技术可以比较直观地反映边坡的位移情况，但无法预测边坡位移的未来走势，且受到环境影响，位移变化波动较大，如何得到准确数据并进行预测仍是日后研究的重点，但在目前依然是一种有效的边坡监测手段。

5 声发射技术及其在矿山的应用

5.1 声发射技术

声发射（AE）是依据岩石内部发生破坏时所产生的声响来判断岩石的破坏的表征，在岩土工程灾害预测与结构破坏监测中拥有巨大潜力[22]。声发射监测技术是在边坡设置探头，以此来接收岩体内部发出的波动，通过分析研究声音波动信息，来确定岩体的力学特性,了解其内部缺陷[23]。声发射监测原理如图7所示。

由于岩石材料本身的复杂性，大多数实际岩体的声发射监测预测都是基于经验判断，与其他监测方法相比，其可靠性需要提高[22]。该方法仅能对岩体失稳破坏起到警示作用，无法得知滑移面具体位置。

图7 声发射监测系统原理[24]

5.2 声发射技术的实际应用

日本某矿山为研究边坡稳定情况，使用声发射监测，传感器和位移桩的布置情况如图8所示。当施工至某一水平时，位移桩出现移动，边坡发生崩塌事故，事故后立即修筑20 m高的护堤，用声发射和位移桩联合监测边坡的稳定性。

图8 传感器和位移桩的布置

监测结果如图9所示，由图9可知，监测一周后，声发射活动呈现增长趋势，位移以 2.7 mm/d速度变化，所以可能发生坍塌事故，在修筑护堤后，声发射次数变少，说明边坡趋于稳定，位移速率也趋于平稳。在11月26日持续降雨后，声发射次数开始增加，位移明显变化。之后，声发射信号减弱，位移桩的移动量减少。说明声发射活动和位移相互对应，矿山可以依据声发射信号和位移桩的变化来判断边坡的稳定程度[25]，及时治理危险边坡。声发射技术与其他方法相比不仅可以从表面看出位移变化，更能观测边坡内部裂隙的变化，从而对边坡位移走势进行预测。

图9 声发射和位移监测结果

6 结论

在国内外矿山边坡变形监测技术的最新成果以及对边坡稳定性的深入研究中，从最原始的地表变形监测方法到大地测量方法，一直到现在的GNSS、声发射、测量机器人、三维激光扫描技术等监测方法，边坡监测技术不断发展进步。通过研究，各种监测方法的便利性和准确性也在提高。但单一的监测方法总是存在一定的缺陷性，无法准确预测或全面保障边坡的安全，所以有的矿山使用多种传感器联合监测的方法来保障边坡的安全，如大唐国际胜利煤田就使用GPS、测量机器人和雷达等多种监测手段，不仅精准度高，还能对边坡的未来走势进行预测[26]。这种方法费用较高，且数据处理繁琐。但随着科技进步及5G时代的来临，多传感器组成的智能监测系统必然是国内外的研究趋势，以期实现从监测到数据处理再到发出预警的高度智能化。