测量技术在露天矿山采场边坡安全中的应用与发展

李勇波

（大冶有色金属有限责任公司矿业分公司，湖北 大冶 435100）

露天矿山是我国矿产资源开采的重要形式之一。露天矿山相对于其他非露天矿山而言开采难度较低，但随着开采深度的增加，以及排土场堆排土方的增加，也会导致安全隐患的增加。露天矿山采场安全隐患的程度与矿山开采深度、土方堆排高度、边坡较度大小呈正相关。随着矿山开采深度增加、土方堆排高度增加、边坡角度增大，边坡失稳的风险也在不断增加。为了有效的预防露天矿山采场边坡安全，在开采过程中需要加强对边坡的监测和风险预警。先进的测量技术是露天矿山采场边坡监测和风险预警的基础。研究测量技术在露天矿山采场边坡安全中的应用与发展对露天矿场安全管理创新及提升边坡安全管理水平有着重要的意义[1]。

1 先进的露天矿山采场边坡测量技术

1.1 无人机航测技术

无人机航测技术指利用无人机搭载数码相机快速获取矿区航测影像，从而获得矿区高分辨率、高精度、直观的实景三维模型数据的技术。露天矿山采场受机械损伤、爆破、开采深度等影响而导致的边坡失稳现象发生率较高。据不完全统计，露天矿山采场边坡存在失稳问题或滑坡风险的比例占矿山边坡总量的15%～20%，部分矿山边坡滑坡风险高达30%。首先，人工测量矿山边坡存在较高的风险，其次人工测量耗时耗力，且测量效率偏低。无人机航测能够在较短的时间内完成对露天矿区采场边坡稳定性的测量，且精度可达厘米级。应用无人机航测露天矿山采场边坡结构的稳定性，对于高效的获取更加精准的露天采坑边坡数据有着重要的作用。无人机获取三维点云数据后自动对数据进行与处理，同时采取加密，生成DEM，再进行GIS数据分析，为边坡动态监测提供准确依据，从而便于及时有效的开展边坡风险分析和防范[2,3]。

1.2 雷达监测技术

雷达监测露天矿山采场边坡安全利用了雷达天线发射的信号在边坡岩体反弹后被雷达重新接收，雷达系统自动记录接收信号和反射信号的相位，再通过对比前后两次扫描数据来分析接收信号和发射信号之间的相位变化，从而计算边坡位移，实现对边坡结构稳定性的分析。边坡位移计算公式参考下式1。

SSR-XT3D真实孔径雷达在露天矿山采场边坡位移监测的应用中，具有数据监测精准性高的优势。该雷达在线监测系统能够通过雷达波折射率、相干性及选取的边坡相对稳定参考区位移等参数指标分析采场边坡的位移数据质量，并通过位移数据质量分析边坡的相对稳定性，以此对边坡结构的安全性进行预警[4]。

1.3 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是一种利用高精密性扫描仪及系统对露天矿山采场边坡进行三维数据采集，并快速建立实体三维模型，并进行边坡对点云数据分析处理的技术。该技术是目前非接触式测量中速度最快、空间分辨率最高的技术。它利用率脉冲测距的原理，高速激光测量辅助下使用激光扫描仪完成对边坡表面三维坐标的获取和分析。三维激光最高的测量精度可达到亚毫米级。该技术结合了三维激光扫描仪的坐标位置与被测边坡点为坐标的实测距离，通过点云数据处理及构建三维模型，最后利用三维模型对点云曲面进行分析，实现对实际目标物体扫描的同时精准呈现露天矿山采场边坡结构的目的。由于测量精准性极高，便于更加精细的呈现边坡失稳的细节，为采取针对性措施预防边坡风险事故的发生提供了更加精准的参考依据（如下图1）。

图1 矿山三维激光扫描技术图示

1.4 GPS定位监测技术

GPS技术是利用空间卫星星座发射的无线电信号，由地面监控系统接受定位信息并完成数据处理后发送给用户接收机的定位监测技术。GPS数据采集具有全天候的特点，且对露天矿山采场边坡的连续监测能够通过数据分析获取边坡变形情况。虽然GPS具有动态性监测的特点，便于分析某一点位边坡位移的情况，但单一的GPS定位监测对于点位信息的获取需要配合人工巡视，在大型露天矿区边坡监测中受人工巡视效率的影响导致时效性不佳。一般GPS技术需要配合三维激光测量仪、雷达监测、互联网技术等，构建远程在线监测系统，才能更好的发挥GPS定位动态追踪的优势，实现对露天矿山采场边坡稳定性结构的动态性风险预警，保证采场边坡的安全。

2 智能技术融合多种测量技术在边坡安全中的应用

抚顺西露天煤矿是亚洲第一大露天矿，开采历史长达百年。截止2013年底，露天矿坑长6.6km、宽2.2km、深500m。2007年后监测到抚顺西露天煤矿南边坡有移动变形，到2014年南边坡顶发生长3100m、宽40m、落差18m的裂缝，发生了罕见的特大型矿山滑坡安全事故[5,6]。

为分析本次边坡滑坡事故原因和确定露天矿区滑坡治理方案，最终启动了“天、空、地”多源协同监测方案。该方案融合天基、空基、地基在内的卫星In-SAR、卫星高分遥感、无人机高分影像、GNSS站点、TLS、红外热像、测量机器人、IOT等多种测量技术，构建起全方位、自动化的系统，用于该露天矿区边坡天、空、地三维视角的协同监测和综合分析。监测分析结果如下：

（1）2007～2013年7月，南边坡滑坡体低速滑动＜20mm/d。

（2）2013年8月～2014年12月，南边坡快速滑动，最大滑动速率为180mm/d。

（3）2014年12月后，南边坡转为低速位移，至2015年7月1日，滑动位移量下降至4～6mm/d。

（4）2013年4月～2015年7月，南边坡滑坡体的北向滑动位移量最为54.0m。

（5）坡体被位于矿区2号断层、5号断层与南缘地裂缝之间。“天、空、地”多源协同监测系统抚顺西露天煤矿南边坡特大型滑坡的形成与时空发育规律提供了精确、详细、完整的数据，为滑坡可靠性治理提供了科学的参考依据。由此可见多种测量技术的协同应用是获取边坡稳定性数据和实施边坡可靠性治理的关键。

3 边坡安全测量技术的发展历程及未来趋势

3.1 发展历程

露天矿山采场边坡的稳定性研究是露天矿安全生产的主要技术之一。过去在边坡测量中，人们主要通过对工程地质勘查和分析，分析影响因素、变形破坏方式、变形地质体成因、力学机制、地质演化等条件，综合分析边坡滑坡模式。这也是一直以来边坡稳定性分析的重要依据。随着测量工具、测量技术的发展，越来越多的远程测量技术应用到边坡安全监测及稳定性分析中。边坡稳定性及安全分析的方法也从最初的工程地质分析法向多元化发展。如极限元分析法、数值分析法、可靠性分析法等。将这些方法的原理应用到边坡先进的监测仪及检测系统中，就构成了边坡安全监测体系。目前，边坡监测已经向远程在线化和智能化发展。应用的主要仪器、方法参考如下：①坡表大地测量法，主要测量仪器有经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等；②GPS监测法；③位移计监测法；④红外遥感监测法；⑤激光微小位移监测法；⑥合成孔径雷达干涉测量法，主要测量仪器技术有SARinterferometry，INSAR；⑦时间域反射测试（TDR）技术；⑧坡体内部的钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等；⑨声发射监测技术等。

3.2 未来趋势

从各类边坡测量的方法和仪器来看，未来露天矿山采场边坡安全中系统化监测技术的应用需求将明显上升。在技术选择上，信息化、数字化、物联网、传感网、大数据、人工智能等新一代信息技术引领的智能监测系统有着更加广阔的应用前景。智能监测系统以“智慧”监测的设计理念为核心，融合GPS监测技术、无人航测技术、雷达监测技术、三维激光扫描技术等先进的测量技术，面向智慧矿山的建设和发展，构建起监测范围更大、监测精度更高、边坡稳定性动态分析更全面、风险预警更高效的智慧监测系统。在测量技术创新上，会融合卫星遥感、热像监测、无人机协同监测、卫星导航监测等，形成对露天矿山采场边坡“天、陆、地”全方位、全天候、立体化、自动化、智慧化监测的趋势，来为露天矿山采场安全生产边坡安全管理保驾护航（如下图2）。

图2 矿山智慧监测系统图示

4 结语

基于露天矿山采场边坡安全管理的高要求，测量技术在露天矿山采场边坡安全中的应用对应了不同安全管理需求。不同的测量技术应用优势上有一定的差异，也存在不同程度的局限性。现代露天矿山采场边坡则是基于高精准性监测、风险预警和边坡稳定性控制的需求而设计的天、陆、地协同监测系统，用以保障矿山开采过程中对边坡安全全方位、实时性、智能化、系统化的监测和边坡安全管理。这种基于天、陆、地的协同监测系统利用智能技术、移动互联网技术、物联网技术、云计算等技术实现了多种测量技术的深度融合，使得多种测量技术的在优势和局限上实现了互补，有效的提升了对露天矿山采场边坡结构稳定性监测和预警分析的水平，提升了边坡综合安全管理的效率和质量，对于预防边坡滑坡及各类风险事故的发展有着重要的应用价值。