基于GNSS 的露天矿边坡变形监测方法分析

2022-07-11姜琳

电子技术与软件工程 2022年10期

姜琳

（应急管理部信息研究院北京市 100029）

露天矿边坡通常是指一个临时或永久的坡面，坡面的建设工程非常大，而且极易受周围的环境情况的作用，坡面的坡度也会在露天矿的工作过程中出项各种情况的改变。边坡滑坡是露天煤矿生产过程中的主要灾害，可以导致生产间断、人员伤亡和设备损伤的巨大损失。对坡面的稳定性能进行定期调查，并对坡面的变形情况进行实时关注，利用信息化、智能化手段，建立良好的监测系统和预警预报系统，在发现滑坡风险时，及时采取有效的边坡稳定性控制措施，可以第一时间在最大程度上防止出现滑坡的危险情况。

1 基于GNSS的露天矿边坡变形监测的现状

露天矿坡面的变形情况检查工作，一般包括了坡面的坡度变化检查、坡面情况的定期观察、坡面承受力的调查、抵抗振动能力的检查等全面的监测工作。坡面的变化检查重点分为地上的坡度变化检查和地面下的变化检查两方面，其中地上坡度变化检查工作包括了坡面移动情况的检查、土壤出现开裂情况的检查等。

在现阶段的社会发展中，露天矿坡面变化情况的检查工作中一般会使用GNSS 的检查设施装备来完成。像过去常用的坡度尺、水准仪、定距仪等传统的检查测试仪器都存在共同的缺点，那就是这些传统的检查测试仪器在进行坡面的坡度变化的检查工作中有相当大的可能会受到天气情况和地质条件等因素的作用，从而无法做到监测的准确性，同时也不能保证监测工作的效率，进而无法实现工程施工过程中的需求。不过因为现阶段信息水平的不断提升，这些传统的检查设备也朝着智能化、高精度、远程监测的方向进行了开发和完善，与此同时很多创新的检查设备也逐渐在坡面的变化检查工作中广泛应用，例如光线检查、GNSS 检查、利用声波检查等多种先进的检查方法，同时也将先进的智能传感器软件、无线数据传输系统与信息收集体系使用到坡面的变化检查工作中，采用多种监测参数、多传感器软件尤为明显，并采用信息智能管理方法和信息动态控制方式，做到了第一时间发现问题以及确保问题检测结果的真实性，这些先进的检查方法和检查设备都推动了坡面变化情况的检查想着更良好的方向发展。

2 基于GNSS的露天矿边坡变形监测背景和意义

就当前的情况来看，我国大型露天矿在现场安全维护方面虽然表现出关注水平逐步提升的趋势，但是依然面临着较为多样的安全问题，特别是在矿区实际开采深度不断提升的背景下，受到爆破操作、边坡岩体裂缝不确定发育等多种因素的影响，开采期间发生边坡位移、滑坡等问题的可能性明显提升。同时，由于开采现场附近普遍存在着大量废渣对堆砌（排土场），因此在遭遇降雨等情况时，存在着稳定性下降的问题。基于这样的情况，针对露天矿的边坡实施变形情况的实时性监测有着极高的现实意义，也是维护大型露天矿在现场安全性的必然选择。

在以往的露天矿边坡监测工作中，更多使用全站仪测量（接触式）、摄影测量（非接触式），但是这些方法的实际监测效率偏低、工作量相对较高，且无法在实际的监测过程中保护相关工作人员的安全，难以满足当前对于露天矿边坡位移监测的现实需求，包括高精度监测需求、自动化监测需求、智能化监测需求等等。在地理空间信息科学迅速发现以及逐步广泛应用的大背景下，应用GNSS 技术、GPS 技术展开露天矿边坡变形监测逐步受到更多关注，这些技术为露天矿边坡变形监测系统的研发提供了更新、更先进的技术支持。相比于传统的基于单一GPS 技术的露天矿边坡变形监测系统与工作模式相比，基于GNSS 技术的露天矿边坡变形监测系统与工作模式有着更为明显的应用可靠性。特别是在露天矿开采深度不断增大的背景下，GNSS 技术的应用能够实现在监测点卫星信号接收条件严重受限情况下的导航卫星信号提供，实现对传统露天矿边坡变形监测方法缺陷的弥补，确保可以获取到精度更高的露天矿边坡变形监测数据，同时也达到提升露天矿边坡变形监测工作安全性的效果。基于GNSS 技术的露天矿边坡变形监测系统开发与应用有着较高的可操作性，依托GIS 开发方法的利用，可以在露天矿边坡变形监测系统内纳入空间分析、可视化等经典功能，为露天矿边坡变形监测工作的安全、高效展开提供良好的软件支持。总体而言，开发并应用基于GNSS 的露天矿边坡变形监测系统极为必要，为露天矿区地质灾害的实时性、自动化监测及预警的实现提供更多支持。

3 基于GNSS的露天矿边坡变形监测系统

3.1 露天矿变边坡变形监测方案

在针对露天矿进行边坡变形情况的实时性监测过程中，可以选择GNSS 卫星导航配合无线通讯技术、计算机处理技术、太阳能发电技术等完成，促使边坡变形实时监控以及预警成为现实。依托GNSS 变形监测方案实施露天矿边坡变形监测时，能够实现三维坐标毫米级测量，有着更为理想的测量精度；可以完成对垂直位移以及水平位移的全方位分析，包括位移速度历时动态、位移历时动态、加速历时动态、位移矢量等的分析，相应数据结果的表现形式呈现出更为多元化的状态，使得对于露天矿边坡稳定性的动态化监测与分析成为现实，同时也支持着对相应边坡稳定性水平的分析；整个监测过程表现出更为显著的自动化状态，能够完成24 小时的不间断监测，不需要投放更多的人力与物力即可实现对露天矿边坡位移的监测，相应过程也不容易受到外界环境因素的影响，换言之，即便在的大风、强降雨、降雪等恶劣气候条件下，也依然可以自动化完成全天候的边坡位移监测；参考点与监测点之间不需要引入通视，能够直接完成对所设定监测点实际三维坐标值的测定，同时可以监测边坡内部位移情况、地下水位变化情况等等，对于不同的监测点来说，各个监测点之间能够实现同步性测量；由于使用了连续监测的方式，所以在发生临界变化后能够迅速铺捉到相应信息，并立即落实对滑坡等事故发生可能性的控制，从而达到规避更为严重问题发生的效果；因为使用了自动化监测系统，因此在实际的露天矿边坡位移监测期间可以依照前期设定的步骤操作落实限定阈值监测、变化速率监测等等，一旦发现超出预定阈值的情况，系统能够在最短时间内向相关工作人员发出报警信息，提示相关工作人员落实进一步分析与处理。

现阶段，露天矿边坡位移监测过程中还可以应用边坡成像雷达监测方法，但是相比较而言，在技术成熟度、监测形式、失稳预测预报、设备投资、维护等方面，GNSS 监测的应用优势更为明显。以失稳预测预报、设备投资这两项为切入点进行具体说明，对比结果如下：

（1）失稳预测预报。GNSS 监测能够应用位移、位移速率、位移矢量等多种参数组合建模的形式完成对露天矿边坡失稳情况的预测以及预报，建模的灵活性以及多样性更加明显，在变形预测预报方面能够显现出更高的可操作性；边坡成像雷达监测只能够使用位移、位移速率建模，并以此完成对露天矿边坡失稳情况的预测以及预报，建模单一性更为明显，一般在磷滑预报方面有着更高的适用性。

（2）设备投资。GNSS 监测主要利用单点组网监测模式，可以切实参考实际需求确定监测点位置以及数量，且能够对监测点落实灵活性移动设置。对于单一监测点而言，在相应位置投放的设备一般保持在十万元以内，整体监测期间所投入的设备投资额更低。边坡成像雷达监测需要应用单台设备实施分段集中扫描监测，而单台设备的投资额极高，普遍保持在700-800 万元左右，相比于GNSS 监测，边坡成像雷达监测需要投入的设备成本更高。

3.2 露天矿边坡变形监测系统设计

3.2.1 露天矿边坡变形监测原则

随着中国自己研制的北斗二代卫星导航系统的进一步发展，技术手段更多和完善，尤其是在精密检查、变化观察等方面，大大系统地提高了信息系统的效率，大大系统地提高了成效，进一步增强了信息系统的稳定性和准确性，被普遍应用于导航、定位等诸多应用领域，特殊是在控制和监控领域，更是发挥着不可替代的重要作用。而且正是由于其精准、高效、全天候服务的优势，才促使人们将其应用在大量的实际项目中，逐步取代了传统的三角形、三边、转角等，普遍用于研究和实践。并且取得了可喜的成绩。目前，由于GNSS 技术的日益成熟完善，GNSS 自动测控系统已广泛应用于滑坡、工程、基础设施、地震、环境工程等行业，并且取得了精良的社会效益和经济效益。GNSS 自动监测系统仪器以其出色的性能已经赢得了专家的广泛赞誉。目前利用GNSS 技术作为监测各种结构参数变化的手段已广泛应用于各地。GNSS 主动监测系统通常需要将基站和监测站中的GNSS 原始主动监测数据直接自动传输到控制管理中心，并在控制管理中心的服务器设备中对原始数据进行方差分解计算。

GNSS 边坡变化主动监测与管理系统由数据采集、数据采集通信、分析预警、设备自动供电、设备避水等子系统模块组成。GNSS 是集软硬件于一体的边坡变化主动实时监测预警系统。系统设计原则是统一原则。根据露天矿山边坡建设生产的详细特点，为便于监管，矿山建设生产过程中的监测方式必需采用GNSS 监测方式；实时性原则，现场数据采集单元的响应能力必须同时满足数据采集和控制指令的时间条件；根据可靠性原则，数据采集系统和安装应具有相当的抗干扰能力，应满足现场工作或运行中的现场条件，并能长期保险牢靠。并且控制系统还应配备多级防雷设备，有效防止过充电冲击；整个边坡变形自动监测系统的准确性原则，主动、准时或远程监测的监测标准；现场维护方便原则上系统还必需配备故障自诊断程序，可通过采集机屏幕显示指定详细故障位置，使系统现场维护人员可简略地现场更换故障位置，立即进行重置。采集系统的设备结构都是标准的、模块化的。a220 测试天线是与n7 配合使用的GNSS 测试天线。它设计为具有四个馈电点的天线右极化。体积小、重量轻，主要应用于工程监测、大地形变测量、工程监测等行业。GNSS 天线罩系统采用ah30 型产品作为GNSS 工作频段。天线罩玻璃钢外壳壁厚为6 毫米，长时间不变色褪色。露天矿通信系统主要采用无线集群技术，边坡监测系统的数据采集通信与之相连。连续运行参考站系统与边坡监测站的数据通信系统采用无线网桥与串口服务器进行通信。连续运行参考站系统和监控中心通过有线方式与监控中心相连。报警信息由短信模块主动发送。由于雷击等潜在危害，边坡观测系统中的所有监测站和通信系统都必需严厉考虑防雷保险措施。因此，GNSS 天线系统和接收器周围必需按规定安装避雷针，距离边坡监控码头3 米至3.5 米。仪表必须设置避雷针。自动控制中心全部采用零伏交流电，并采用不持续间断电源作为备用电源。同时，不连续间断电源还必须具有稳压功能。每个监测站的GNSS 使用太阳能为接收器系统供电。

3.2.2 露天矿边坡变形监测系统功能

坡面变形监察系统主要由GNSS 的数据收集单元、数据通讯单元、信息处理和监控单元以及避水系统、问题预测系统等重要功能共同组成，而且这一系统中的各个组成部分被分成了软件和硬件两方面，所有的这些组成部分结合在一起共同构成了一个整体。GNSS 边坡监测系统主要分为如下三个部分：

（1）数据的工作站软件：进行数据收集、上传和本地保存的功能。

（2）处理服务器软件：进行信息采集、加工、处理、信息显示、分析和报警等操作，本分析系统软件主要使用专门的系统软件。

（3）信息存储：进行信息保存和数据处理操作，为今后的统计分析与研究提供可信的参考信息。系统监控中心是整个控制系统的最重要的组成部分。它由机房、中心网络和软件系统共同组成，同时具有信息处理、系统运行控制和连接管理等综合功能。变形监督管理中心设置在露天矿调度室机房内，机房配备不允许间断电源、数据处理服务器、专用光纤网口和无线数据接收器。

统计采集软件可以实时主动接收传感器数据并将其存储在数据库中，也同样可以将传感器设置的报警时间以及控制信息直接存储在数据库中，而数据分析软件可以比拟最新的系统数据信息和控制。一旦传感器超过限值，立即自动启动声光报警报警、短信报警功能、网络远程报警功能等，可以实现多种方式同时报告警示问题所在。

3.3 露天矿边坡变形监测点设置

目前，已经针对具体的地址环境选定了相应的监测对象、内容、方式和仪器，建立了更加科学合理且高效的监测点和监测剖面，已经建立了较为理想的监测方法。同时针对环境监测数据，根据监测对象实际状况进一步的优化监测方法，已经建立了比较基本的监测方法和工作方式。其中，用GNSS 观测露天矿北边坡的具体方案是：建设基准点一个，GNSS 静态观测剖面共十条。由于变形监测项目本身的特殊性，坐标结果无须进行正椭球换算，而是直接使用地球坐标系，即将投影结果转换成地球平面坐标的，因此基准点也无须进行联测，所以更不需要采用高精度的大地坐标系，而由于监测项目本身的对内符合精度的要求很高，所以也只需要得基准点的大地坐标系，并保持稳定即可。

由于GNSS 观测数据的平差数据全部采用坐标，从而摒弃了在BJ 五十四椭球下的归算，所以不用需要再采用坐标系变换、解算测量系数和尺度因素等，其计算结果将使所带来的整个系统错误也随之完全消失；设定监测起始时间，对监测网实施全面覆盖的无约束平差；依据地理要求选取基本相对稳定的点位，当作监测基线点；在滑坡体上有标志性的点位则选取当作监测点，标记点全部使用混凝土强制对中监测墩。将两个基线点经无约束平差后的大地坐标系视作椭球基准下的静止坐标系，监测步骤中一直将其当作基站位置，因而保证了整体监测数据的统一性；使用十三度带高斯投影，将大地坐标系转变为平面坐标系，进而求出NEU 各分数，当作一天数据的末尾一个点位坐标成果；尽量确保两个标准点均参加了一天的数据解算工作，并控制在处理数据中的位置精度。如由于监控要求、数据质量等客观因素导致的部分控制点准确度超过上限值时，可弃用该点数；对于设置强制对中器的监测点，一次的天线高度属于固定值，则可以考虑不输入本次天线高度，但对于其它不设置强制对中器的监测点，如在一次的天线高度测试中天线高度改变时，则必须要输入天线高度，如图1 边坡变形监测方案。

图1：边坡变形监测方案

4 基于GNSS的露天矿边坡稳定性分析

4.1 影响露天矿边坡稳定性的因素

4.1.1 地下水的影响

根据矿坑中已揭示的岩层特征，含水层的位置相对设置在比较浅的地方，距离地面一般为零点九至五米，这部分的土壤颜色以棕褐红为主，这部分的土壤较为疏松，容易散乱，且土壤缝隙比较大，非常容易受到雨水的影响，并且这一层土壤的保护层并不厚。地下水的影响主要体现在会对岩石主体的硬度造成一定的减弱，同时由于在孔隙、裂缝中经常会出现浮力，而这种浮力会对岩石本身造成一定的压力，从而导致了其抗剪性的能力减弱。

4.1.2 节理裂隙影响

很多地方的土层都是从竖直方向发展的，在地下水的浸泡和自然风力的影响中，较浅的边坡层收自然环境等各种因素的影响效果最明显，最容易发生较为严重的变形现象。

4.1.3 弱层的影响

对于比较深层的边坡层来说，对其变形影响最大的原因就是弱层的环境，因为弱层具有的硬度较低且具有流动性和多变性，因此其对边坡造成的影响往往是最大的。

4.1.4 边坡角的影响

边坡的角度也是影响边坡稳定性能的原因之一，由于地理环境的不同，使得地质条件也是各有不同，很难准确把握不同地质环境下的边坡最合适的角度，也就很容易出现边坡变形的情况。

4.1.5 边坡暴露时间

边坡的岩石主体会随着时间的推移其稳定性和硬度逐渐减弱，如果边坡暴露在外面的时间过长，就会造成边坡岩石主体的硬度和受力能力快速降低，产生滑坡的概率因此加大。

4.2 基于GNSS下利用物理实验分析

基于露天矿边坡稳定性能评估分析实际需求，根据GNSS 基础下的监测出的指标除参考以往监测结果以外，对已经开采的新鲜边坡表面和坑底砂岩进行样本采集检测，还用对其承受重力的性能进行检测，以给出更加科学、可信度更高、更合理的坡面稳定性数值。一般我们也可利用点载荷强度系数和单轴耐压性能、单轴抗拉性能间的联系，测算出岩石的单轴耐压性能和单轴抗拉性能。在GNSS 基础上，依据露天煤炭首采区挖掘场施工地质学补充勘察检验结果，经分析方法可以得出推荐的边坡稳定性的硬度指数。