无人机技术在布沼坝露天矿边坡管理中的应用

刘定帅，赵兆龙

（云南小龙潭矿务局有限责任公司，云南 开远 661699）

边坡伴随着露天矿山的开采而产生，边坡问题是制约露天矿发展的重要因素[1]，近年在国内外发生的地质灾害治理过程中，无人机航摄技术崭露头角[2]。同时，为规范无人机测量技术应用，国家测绘地理信息局等制定了一系列规范文件，对无人机影响获取、像控测量和数据处理等做了比较具体的规定[3]，使得无人机航摄技术得到进一步应用，解决了人工巡查存在工作量大及巡查高陡边坡无法到达的问题。在此基础上，布沼坝露天矿引进矿山可视化系统，采用固定翼无人机采集倾斜影像数据、激光点云数据和水准数据，建立矿区三维地形图，实现了采场、排土场地形数据的快速查询和更新维护，使矿山边坡管理智能化水平得到很大提升。

1 矿山概况

布沼坝露天矿隶属于云南省小龙潭矿务局，始建于1953 年，是云南省的主要能源基地，煤炭产量约占全省产量的1/6。位于小龙潭盆地的南端，南盘江南岸。目前开采面积为6.4 km2，地表标高为1 160 m，最低开采水平为963 m。煤层为单一巨厚煤层，平均厚度约72 m，适合露天开采。布沼坝矿坚持科学发展，依靠科技进步，经过5 次扩建，现已发展成为生产技术先进，机械化程度较高的现代化露天煤矿。开采工艺为间断工艺和半连续工艺结合的综合开采工艺。小龙潭矿务局五期扩建工程总设计生产能力1 490 万t/a，主要扩建布沼坝露天矿，设计生产能力由480 万t/a 扩大到1 300 万t/a。2011 年12 月，云南省工业和信息化委员会核定能力为1 000 万t，五期扩建工程已进入竣工验收阶段，竣工验收完成后将具备逐年扩大产量的能力。

2 边坡管理内容

布沼坝露天矿制定了《边坡管理实施细则》，明确了边坡管理职责，为实现分级管理提出了明确的制度要求，对规范边坡管理起到了重要的作用。边坡管理内容主要包括：边坡巡查、边坡监测、边坡稳定性分析、防排水设施建设及边坡治理等。同时为确保边坡安全，布沼坝露天矿采取了合适的开采技术和严格的边坡管理制度。

1）边坡巡查。边坡巡查的内容包括：裂缝、排水沟、积水、垮塌、隐患治理情况、监测设施运行状况等。通过巡查及时发现地表变形，积水及其他影响边坡稳定性的因素，及时消除隐患，防止变形加剧。

2）边坡监测。布沼坝露天矿边坡地表位移监测网布设有70 个GPS 人工监测点、34 个GPS 自动监测点、40 个全站仪监测点，共计144 个边坡地表位移监测点。为及时进行边坡监测和边坡管理，2011年投资558.11 万元引进高大边坡监测网，建立起由地面GPS 自动监测系统、固体式测斜仪自动监测系统和降水量监测系统3 个系统组成的监测网。实现边坡监测数字化、自动化和精确化，有效提高了边坡管理的水平；2015 年建设边坡监测预警可视系统，对一、二期边坡监测预警数据进行深度加工，使它变成直观的、可视化的显示，并在内外网上查看应用；随着采场的推进，2018 年投入258 万元开始边坡预警网三期建设，进一步完善边监测预警系统。同时投入160 万元对一二期预警网维护。该监测系统的建立，实现了边坡位移实时监测和分级预警功能，并制定了《边坡预警制度》。布沼坝露天矿属于深凹型露天矿，随着露天开采的进行，采场深度和排土场高度不断增加，滑坡地质灾害逐渐显现，边坡安全十分重要。为实现对边坡的动态监测，露天矿使用了连续运行参考站系统，该系统是将卫星导航定位系统、现代计算机管理技术、数字通讯技术和互联网技术集于一体的系统。该系统的引入为监测工作带来便利的同时，工作效率和边坡安全管理水平也得到大大提高。同时，露天矿为该系统的建设和维护也投入了大量的资金，至今已累计投入976.11 万元，而且监测点的监测主要为点式监测，覆盖广度存在盲点。通过无人机技术的引进，很好的解决了边坡监测的盲点问题，也使监测成本大大降低。

3）边坡稳定性分析。布沼坝露天矿委托设计单位或科研所进行专门的边坡工程、地质勘探工程和稳定性分析评价并认真审核，对不符合实际情况的提出意见和建议。非工作帮形成一定范围的到界台阶后，定期进行边坡稳定分析和评价，对影响生产安全的不稳定边坡采取安全措施。工作帮边坡在临近最终设计的边坡之前，对其进行稳定性分析和评价。当原设计的最终边坡达不到稳定的安全系数时，修改设计或者采取治理措施。长远和年度采矿工程设计，进行边坡稳定性验算，达不到边坡稳定要求时，修改采矿设计或者制定安全措施。

4）防排水设施建设。布沼坝露天矿边坡排水措施包括坡面排水措施、坡面以外的截水措施和坡内深部疏干排水措施[4]。坡面防水主要是封闭坡面存在的裂缝、裂隙和落水洞等。常用的方法是沿裂缝向下挑沟，然后夯填、整平，地表截水渠则是截坡面以外的客水，在滑坡左右两侧及后缘设置地表截水渠，拦截滑坡体以外的客水，使其不会进入滑坡体内。布沼坝露天矿在采场与排土场上部均设计构筑防洪沟。采场建有从西帮经北帮向东汇入南盘江、沿南帮一期境界地表向东汇入南盘江的防洪沟，坑底建有排水泵房，疏干孔排水用作生活区用水。龙桥排土场采用了分段防洪沟截洪。设置了1 525 m 水平防洪沟，在1 525 m 水平防洪沟的东北部再设置1 400 m防洪沟上段，由南向北，通过原1 400 m 防洪沟经北帮排水沟流入南盘江；1 525 m 防洪沟和原1 325 m防洪沟下段，由北向南引出排土场流入盘山水沟，经南洞沟流入南盘江。

3 无人机边坡巡查特点

无人机巡查覆盖范围广，巡查效率高，特别是人员车辆无法到达地点的巡查，使得巡查效率和安全性得到很大提高。露天矿利用固定翼无人机完成大范围测量任务及巡查任务，通过无人机摄影测量技术获取一系列的点云数据，能高效、精确代替大量人工外业工作[5]，同时利用小型旋翼无人机进行边坡重点部位、防洪沟的巡查，特别是雨后巡查，实现了矿山生产环节的可视化和数字化。无人机的引进，使得巡查由传统的点线巡查向平面覆盖发展，巡查精度更高，巡查成本得到控制。面对边坡巡查的重要工作任务，在数字化技术和无人机技术快速发展的今天，采用无人机巡查和数字化向结合的方式进行边坡检查管理的优势十分明显。使用及操作也越来越便捷，在日常的边坡管理工作中，利用无人机航拍结合智能软件分析加控制点插入来取代传统的人工巡查和简单仪器测量[6]，让边坡检查的效率和准确性不断提高，同时成功避免了特殊地段边坡巡查中人员的潜在危险。

无人机技术在边坡管理方面实际应用效果显著，但限制因素仍然很多，主要由无人机自身性能约束、外界环境约束以及任务要求3 个方面[7]。如：航空管制、无人机飞行控制技术、GPS 定位精度和作业要求等。由于近年“黑飞”导致的事故日益增多，各地均出台了不用的无人机管理办法，对于大型固定翼无人机，作业前需进行报飞，飞行计划的执行具有不确定性。作业过程中，风力、通视条件等因素会对测量精度造成影响，对无人机自身飞行控制技术及气候环境条件有一定要求[6]。

4 无人机边坡管理应用

2019 年，露天矿通过项目招标，引进矿山生产可视化系统，该系统采用的固定翼无人机搭载摄像头进行倾斜摄影测量，获取地形影像数据、点云数据和高程数据，点云数据中岩体结构面被抽象为数以百万记的三维坐标点[8]，经处理后上传至可视化交互系统，融合生产设计、测量收验方、地质数据、边坡监测等模块，使露天矿生产组织和地质剖面分析更加直观和精确，提高测量精度的同时实现了三维模型的大量数据的收集。最后通过对比，得出边坡体边坡轨迹及变形速率，为边坡变形预测、预报提供有力数据支持。

同时，针对特殊地段低空飞行任务及减少空域管制影响，利用小型旋翼无人机进行高陡边坡和复杂地形边坡巡查及影响资料收集，实时传输图像，提高边坡巡查工作效率和安全性。

充分利用现有交互系统，建立露天矿“一张图”系统，将地质、测量、防排水、供电、生产管理等不同功能的矿图进行统一处理，存储在统一的空间数据库服务器中，建设基于“统一存储、协同工作”模式的矿区图件管理服务平台。整合和建立地质模型、边坡监测多模块协同的空间数据库，建立统一平台的露天矿边坡管理信息系统平台，实时查询坡面及钻孔、地层信息，进一步实现无人机边坡管理智能化。

5 结语

总结归纳并分析了无人机技术在露天矿巡查、监测及矿山测量工作中的具体应用，阐述了目前无人机技术在露天矿应用过程中存在的主要优点和限制因素，同时对目前布沼坝露天矿边坡管理及基于可视化系统的边坡管理工作模式、工作内容做了简要介绍。提出了未来无人机利用的规划，为后续边坡管理的科技化、信息化及矿山智能化建设奠定了坚实的基础。