露天矿边坡稳定性监测技术现状及进展

【摘  要】边坡稳定性监测是预测边坡失稳的重要手段，论文总结了露天矿常用的边坡稳定性监测技术，分析了其特点及适用范围，并针对边坡稳定性监测中的主要问题，提出了坡体内外一体化监测、边坡监测多源数据有效融合和建立智能边坡动态稳定性综合评价体系的观点，以提高边坡稳定性监测的时效性和准确性，对保障露天矿山安全生产具有现实意义。

【关键词】露天矿边坡;稳定性监测;一体化监测

【中图分类号】TD824                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2022）05-0136-03

1 引言

露天矿山在生产过程中，由于开采、运输及排弃等作业，形成了大量的人工边坡。这些边坡在长期高强度的开采扰动以及外部环境条件等因素作用下，常常发生边坡失稳现象，甚至引起滑坡和泥石流等各种地质灾害，导致大量人员伤亡和巨额的经济损失[1，2]。由此可见，露天矿边坡稳定是确保露天矿山安全生产的重要保障之一。边坡失稳现象的出现往往导致岩土体物理力学性能参数（如位移和压力等）的变化，监测边坡稳定性能够有效地捕捉到这些参数的变化，掌握边坡岩土体变形破坏规律，并进行边坡失稳预警。因此，露天矿边坡监测对确保露天矿边坡稳定有着十分重要的意义。目前，最能直接体现边坡稳定状态的是边坡变形特征[3]。边坡位移监测通过监测边坡岩土体的位移，获得边坡变形区域分布、变形类型和变形时间，建立变形演化与边坡稳定性间的关系，进而对露天矿山边坡变形趋势进行预测和失稳预警。

本文将露天矿边坡位移监测分为表面位移监测和地下位移监测这两种，通过分析近年来露天矿边坡位移主要监测技术的基本原理以及适用范围，总结边坡监测的主要问题及未来发展方向，为露天矿边坡安全监测提供参考。

2 露天矿边坡表面位移监测

2.1 传统大地测量法

传统大地测量法主要是利用测量仪器（如经纬仪、水准仪和全站仪等）对边坡变形监测点进行位置变化测量监测，并通过对监测点的定期监测，计算获得边坡表面变形，并分析边坡变形特征和评价边坡稳定性。由于该方法具有操作简单和成本低等特点，因而在露天矿边坡的监测中得到了十分广泛的应用。其缺点是需要布设大量的监测点来获取边坡整体变形情况，效率较低且工作量大，一旦突发滑坡等地质灾害将会对工作人员生命和仪器设备构成威胁，同时受地形、外部环境和气候等因素的影响也较大，目前正在逐渐被其他监测方法所取代。

2.2 测量机器人监测技术

测量机器人监测技术主要是利用智能型电子全站仪对露天矿边坡监测点进行自动搜索、跟踪、辨识和测量，快速定位并获取定点的位置及坐标信息，并根据安全阈值进行自动预警，以实现对边坡变形的实时自动监测，通常用于滑坡发生后的应急预警。该监测技术在计算机的控制下，可实现对大量目标的全天无接触自动遥测，因其具有自动化程度高、监测效率高以及无需操作人员等优点，可大大减少人为因素的影响，在各大露天矿中得到了广泛运用。但由于该监测技术对点间通视情况有一定的要求，受外界环境（如雾雨天气、扬尘等）的影响较大，且随距离的增加，其精度逐渐降低，且当监测点布设数量较多时，需要的棱镜数量较多，需要投入更多的设備，限制了其监测范围[4]。

2.3 全球卫星定位系统技术

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）技术是利用固定在露天矿边坡监测点上的信号接收器来接收卫星信号，实时获取监测点的空间坐标信息，经过数据传输模块传送至控制中心，通过与初始三维坐标信息对比得出监测点的坐标变化，同时安全评价预警模块根据设定的预警值进行报警，以实现对边坡变形的实时监测。与传统大地测量法相比，GNSS不仅能实现高精度监测，而且自动化程度高，布设方便，数据实现自动化处理，能实现连续实时不间断监测，并不受天气和气候的影响。目前，GNSS技术已广泛应用于露天矿边坡监测中，其监测精度可达到毫米级，目前也是露天矿边坡主要的监测技术。但目前该监测技术只能进行实时预警而无法预测边坡的未来走势，由于监测点的布置分散不易获取边坡表面的整体变形情况，而监测点的加密布设，也将导致人力和设备成本的增加。

2.4 摄影测量技术

摄影测量技术主要是借助专业相机或者无人机等摄影设备获取边坡表面影像，然后根据实时影像解译获取监测区域边坡特征点的三维坐标信息并建立三维点云模型，通过对比前后不同时期边坡数字高程模型特征点位置的变化，分析计算边坡整体的位移量，以此判断边坡的变形情况并预测边坡整体的变化趋势。与传统点式监测方法相比，该监测技术具有操作灵活简便、无接触快速测量、可以在相对恶劣环境下作业、适用于大范围的边坡监测等优点，但是存在设备昂贵、监测数据量大、数据处理复杂和精确度较低等缺点。

2.5 地面三维激光扫描技术

地面三维激光扫描技术主要是利用三维激光扫描仪发出红外激光脉冲扫描露天矿边坡表面，快速获取边坡表面点的位置及坐标信息，形成对整体边坡表面变形特征的实时监测，同时三维激光扫描仪也可分为移动式和固定式两种以满足不同情况下的需求。相较于摄影测量技术，该监测技术无需布设像控点，能够实现自动、快速且连续获取边坡表面位置数据，并具有非接触式测量、数字化采集、兼容性高、采样频率高、分辨率高、精度高、快速测量等优点[5]。但该监测技术得到的海量监测数据具有一定的散乱性，缺乏实体特征参数，如若监测范围较大，将大大增加数据处理难度，且容易引起结果精度降低的弊端。而且监测数据只能反映边坡表面形变，要求能见度高，对边坡反射率要求也很高，目前部分设备使用寿命有限，硬件故障率偏高。

2.6 遥感测量监测技术

相较于传统地面测量监测技术，遥感测量监测技术能更加准确直接地获取地表的空间信息。合成孔径雷达干涉技术作为遥感测量监测中应用最广泛的一种，其主要是基于主动式微波遥感和干涉测量技术，利用侧视成像传感器向露天矿边坡表面发射电磁波，而后接收从边坡表面反射的电磁波并生成标准影像。通过采集同一区域不同时期的影像，并对其进行干涉和解译处理，获取边坡表面任一点位置的变化，以达到对边坡整体变形趋势分析的目的[6]。该监测技术弥补了单点测量的不足，可全天候远距离实时获得大范围边坡表面变形信息，应用前景十分广阔。但是该监测技术受大气延迟、处理方法和轨道误差等因素的影响，测量监测结果容易产生偏差，同时对小变形的测量监测，其有效性受到一定的影响。

3 露天矿边坡地下位移监测

3.1 传统地下变形测量法

传统地下变形测量法主要是利用固定在露天矿边坡深部的位移测量仪器（钻孔测斜仪和钻孔多点位移计等）测量边坡内部各测点角度和位移量的变化，实现对边坡内部变形的实时监测，同时能够判断出滑面位置。该方法具有成本低和测量精度高等优点，已被广泛应用于边坡监测中。

3.2 声发射（微震）监测技术

声发射（微震）监测技术主要是在边坡岩土体中埋设一定数量的声发射探头，采集岩土体内部发生破裂时所产生的应力波转换成的声发射信号，分析接收到的声发射信号，在此基础上建立边坡稳定性与声发射特征参数的关系，并分析边坡内部变形破坏区域和程度，为最终实现边坡整体稳定性评价提供重要的科学依据[7]。声发射信号强弱与边坡变形存在显著的正相关性，该监测技术不受外界气候环境的影响，能够较为准确地自动、实时、连续监测边坡变形情况，并能够实现边坡失稳的提前预警。但是该监测技术受岩土体复杂结构特征和探头稳定性的影响，线路铺设较为困难，而且容易受到其他外界干扰波源的影响，监测效果会受到一定程度的影响，导致难以确定滑面位置，同时目前该监测技术的监测预警大多是基于经验判断，缺乏对比分析验证，通常情况下仅用于监测边坡临滑阶段的变形。

3.3 时域反射技术

时域反射技术主要是将同轴电缆安装在预设钻孔中并作灌浆处理，以同轴电缆为传感器，时域反射仪对同轴电缆发射脉冲信号，通过监测同轴电缆产生局部变形时产生的反射信号，当边坡某处发生变形时，电缆产生剪切和拉伸变形，使得同轴电缆阻抗发生变化，由此可以确定边坡体内部的变形情况，以实现对边坡变形趋势的分析[8]。该监测技术具有监测速度快、自动化程度高、布设成本低和监测结果准确性好等优点。但该监测技术的监测范围较小、时效性较差，通常应用于边坡变形前，而且与传统监测方法相比，无法确定滑坡移动的方向，也难以准确测定其位移量，在一定程度上应用受到了限制，在实际应用中一般与其他方法联合监测，互相弥补不足。

3.4 分布式光纤传感监测技术

分布式光纤传感监测技术是以光时域反射技术为基础，以光纤作为传感器和传输信号介质，将分布式传感光纤埋设于边坡体内，实时探测埋设光纤不同位置的特征参量（相位、振幅和波长等）的变化，获取埋设光纤整体的变化特征，并以此分析岩土体的变形特征，达到对边坡变形区域分布特征及稳定状态分析的目的。目前常用的方法有布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和光纤布拉格光栅等[9]。与传统传感器监测技术相比，该监测技术稳定性和抗腐蚀性更强、传输距离长、耐久性和灵敏性更好。但在实际边坡监测中，光纤由于受外部环境影响容易发生断裂，这将影响数据的监测。此外，由于露天矿大多位于高寒地区，光纤容易受外部温度变化的影响，进而影响监测数据的准确性。

4 露天矿边坡稳定性监测的主要问题

针对露天矿边坡不同监测技术的分析和研究，笔者认为主要存在以下3个问题：

第一，目前露天矿边坡监测主要以边坡表面变形监测为主，缺乏对边坡岩土体内部变形破裂特征的监测，较难实现对实际边坡变形破坏规律的掌握。目前，露天矿边坡稳定性分析主要以边坡表面变形分析为主，对边坡内部岩土体的变形破裂监测不够重视。这导致常常较难分析边坡渐进破坏过程及变形破坏机理，容易造成对边坡稳定性分析的不及时，达不到边坡监测的主要目的。第二，边坡监测参数主要以变形为主，评价边坡稳定性的指标单一，具有一定的局限性。露天矿边坡失稳往往是多因素共同作用的结果，主要表现为变形、岩土体应力变化和声发射信号异常等现象。而目前在露天矿边坡监测中，主要使用监测点变形的量级和速率等指标来分析边坡的变形特征。这种常规单一的参数指标容易造成边坡稳定性的判断不准确和不及时。第三，缺乏多种边坡监测技术的数据融合和智能边坡动态稳定性综合评价体系。虽然可以使用多种监测技术协同监测，在一定程度上解决了单一监测方法的局限性，但是目前往往是对多种监测方法的结果进行对比验证分析，而不是对多源监测数据的有效融合，并未从根本上分析边坡变形失稳特征和多种监测数据间的关联，同时监测数据与滑坡力学理论未建立深入联系，没有形成多参数的智能边坡稳定性综合评价体系，导致实际的边坡稳定性评价仍然处于单参数或多个单参数评价分析的状态。

5 露天矿边坡监测的发展趋势

前文通过对露天矿边坡稳定性监测方法和主要存在问题的分析，笔者认为露天矿边坡稳定性监测未来发展应从以下几个方面展开：

第一，实现露天矿边坡坡体内外一体化监测。无论是对露天矿坡体表面还是坡体内部的监测，单一的监测技术和手段均存在明显不足。而采用坡体内外一体化监测，将边坡表面区域变形监测与内部滑面监测相结合，取长补短，实现了边坡岩土体表面变形和内部滑动的全方位监测，不仅可以克服单一监测方法的局限性，还可以提高监测精度和节约监测成本。第二，实现露天矿边坡监测多源数据有效融合。对于不同的边坡监测方法，监测数据的形式和类型均有所不同，如表面位移监测有点数据、点云数据和影像数据等，地下位移监测有微震数据和位移数据等。这些数据间均存在内在联系，彼此之间相互影响、相互关联，同时均能够在一定程度上反映出边坡的稳定状态。因此，建立坡体内外位移数据、微震与位移数据间的联系，实现露天矿边坡监测多元数据有效融合，能够深入掌握边坡稳定性的变化机理，提高监测有效性。第三，建立智能边坡动态稳定性综合评价体系。从边坡监测角度来说，利用力学理论将不同监测方法得到的监测数据相互关联，揭示露天矿边坡岩土体变形破坏规律，为边坡稳定性动态评价提供了判别指标，同时将大量边坡工程实践案例综合利用，建立边坡灾害大数据平台，实现对隐患点智能识别、风险评估以及失稳预警。

6 结语

第一，目前露天矿边坡稳定性监测技术形式多样，本文从表面位移监测和地下位移监测两个方面对露天矿边坡稳定性监测技术进行了综合分析，对实际边坡稳定性监测技术的选用提供了参考。第二，现有边坡稳定性监测技术各有特点和适用范围，采用单一的监测手段难以有效地反映边坡表面变形趋势以及内部滑动状态，应采用坡体内外一体化监测技术实现对露天矿边坡稳定性的高效和准确监测。第三，露天矿边坡处于一个复杂的环境中，其稳定性发生着动态变化。通过将多元数据进行有效融合和建立智能评价体系能够实现对边坡稳定性的动态评价，对保障露天矿山安全生产具有现实意义。

【参考文献】

【1】杨天鸿，王赫，董鑫，等.露天矿边坡稳定性智能评价研究现状、存在问题及对策[J].煤炭学报，2020，45（06）：2277-2295.

【2】张飞，孟祥甜，温贺兴.露天矿边坡监测方法研究[J].煤炭科技，2014（01）：15-19.

【3】冯巩，夏元友，王智德，等.基于位移信息融合的露天矿边坡动态预警方法[J].中国安全科学学报，2022，32（03）：116-122.

【4】陈兰兰，夏益强，肖海平，等.露天矿边坡稳定性监测方法研究现状及进展[J].测绘通报，2022（05）：7-13.

【5】韩亚，王卫星，李双，等.基于三维激光扫描技术的矿山滑坡变形趋势评价方法[J].金属矿山，2014（08）：103-107.

【6】冯春，张军，李世海，等.滑坡变形监测技术的最新进展[J].中国地质灾害与防治学报，2011，22（01）：11-16.

【7】李健，吴顺川，高永涛，等.露天矿边坡微地震监测研究综述[J].岩石力学与工程学报，2014，33（S2）：3998-4013.

【8】廖小平.边坡安全自动监测预警系统的设计[J].土工基础，2016，30（02）：245-250.

【9】肖海平.中小型露天矿边坡稳定性動态评价方法及应用[D].徐州：中国矿业大学，2019.

【作者简介】潘奇波（1989-），男，内蒙古准格尔旗人，工程师，从事露天矿边坡管理研究。