GNSS边坡监测与事故风险分析平台融合应用

＊李艳春 刘广新 曾昱

（山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司 山西 036506）

引言

2023年2月内蒙古阿拉善盟孪井滩生态移民示范区新井煤业有限公司矿区发生山体滑坡，此次坍塌事故发生在该露天煤矿西采区，为西采区北边坡的山体整体发生塌方。现场坍塌体量巨大，造成多名作业人员和车辆被掩埋。

由此可见，选取先进、成熟的技术在线监测露天采场边坡，构建矿山边坡实时、全天候监测体系和预警系统，建立一套科学防治、精准施策的矿山边坡安全体系和日常管理办法尤为重要。通过表面位移变化形变曲线图、加速度变化图、速率变化曲线等指标预测预警边坡的滑动方向、滑动时间及规模，保障矿山的安全生产运行。

山西煤炭进出口集团河曲旧县露天煤业有限公司（以下简称“山煤露天矿”）地处于山西省忻州市河曲县境内，矿区面积约25km2。山煤露天矿地处黄土高原，黄土自然斜坡大部分在30°～40°，岩性为砂质黄土，孔隙度大。坡体结构疏松，裂隙和落水洞发育。一方面容易受到生产爆破震动，另一方面雨水、冰雪融化沿黄土孔隙及落水洞下渗，增加土体重量，降低土体强度，软化土质结构，易诱发了坡体崩塌和边坡位移。为了保障山煤露天矿的安全生产作业，山煤露天矿先后实施两期GNSS边坡监测系统，实时全天候监控边坡稳定情况。

1.GNSS边坡监测系统原理

GNSS的全称是全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），从最早的美国GPS和俄罗斯的Glonass卫星系统开始，各个国家也都开始研发自己的卫星系统，在全球组网定位领域，逐步加入了中国北斗卫星系统和欧盟Galileo卫星系统，形成了全球组网的四大卫星系统。在局部区域也形成覆盖本土和局部地区的日本QZSS和印度NavIC卫星系统。

监测系统包含监测信息数据获取和监测数据发布两大系统。监测信息系统包含现场GNSS卫星数据获取、5G网络信息传输、信息数据处理部分；监测数据发布系统实现监测数据阈值设定，并根据位置变化、加速度等信息进行数据查询和自动预警。

GNSS表面位移监测的平面和高程精度都是毫米级精度。监测站点的接收机和基站的GNSS接收机共同观测卫星数据，并通过5G通讯发送数据到解算平台，通过HCMonitor解算软件实时解算出高精度差分数据。通过与初始定位的坐标信息进行对比，求得xyz位移数据、加速度变化情况。当位移变化量超过设定报警阈值时，展示平台软件通过短信和邮件等方式进行报警信息发布。

2.GNSS监测系统优势

目前GNSS监测技术手段已经成为露天矿山的主要监测方式，并且在水利大坝、地质灾害、交通边坡监测上都得到了广泛应用。相比较于周期性的人工传统监测方式，GNSS监测系统在人员安全性和数据时效性都得到进一步提高。其主要优势体现在下面几个方面。

(1)测站之间无需通视

传统的人工监测手段一般通过全站仪进行测量，需要在光线条件较好的白天时段监测才能保证监测数据的精准，在实际作业过程中，也避免不了转点搬站过程。然而GNSS技术只要安置在空旷无遮挡区域就能获取高精度的差分数据，监测站点于基准站之间无需通视，对于空气能见度没有要求。

(2)全天候观测

露天矿边坡失稳情况往往伴随着气候条件的变化，比如强降雨期间、冰雪融冻期间。在这种极端气候条件下，在进行人工外业监测往往作业人员的安全性无法保障。GNSS监测技术并不受气象条件的约束，不论是刮风下雨、雾霾沙尘均可以获取高精度卫星数据，能够连续不间断获取监测数据，极大减轻了监测作业人员负担和监测效率。

(3)自动化程度高

GNSS监测能够实现自动化卫星数据获取、数据传输、软件平台自动解算、分析和发布，不需要人为干预即可实现实时的位移数据获取，节省了人力资源成本和观测时间。

(4)高精度三维定位

传统的变形监测，水平位移监测和垂直位移监测需要分别处理，其监测点位众多、时间不统一增加了变形分析的难度。而GNSS接收机可以实时刷新站点的高精度三维坐标，实现了监测时域和空域的严格统一，对进一步的数据处理和变形分析具有重要作用。

(5)减少系统误差的影响

变形监测主要是基于大量的长期变形监测资料，对其三维坐标没有任何要求，只需要计算出不同时期内各点坐标间的差异，这个差异就可以称为形变量。在观测资料的处理和分析中，一些常见的系统误差会对各时期的观测值产生直接的影响，而对形变量的影响则相对较小。所以，在变形监测过程中，通过一些方式来消除或减弱系统误差，从而确保了变形监测的准确性，并降低了多种因素的影响。

(6)抗干扰性好、保密性强

基于GNSS的定位与监测，本质上属于无源导航与定位的一种，即无需用户终端发送任何信号，仅通过对GNSS的一次接收，就可以获得相应的定位与导航数据。该方案既能满足大量用户的需要，又具有良好的隐蔽性能。另外，由于采用了C/A码、P码编码技术，因此具有良好的保密性能和抗干扰能力。

3.山煤露天矿边坡系统建设

依据《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》和当前采场情况，结合采煤需求以及边坡监测需求，在山煤露天矿通过两期项目，现已布置8条边监测线，分别为二采区南帮1条监测线（1个监测点）；一号外排土场1条监测线（3个监测点）；二号外排土场1条监测线（3个监测点）；内排土场东部1条监测线（共4监测点）；内排土场北部1条监测线（4个监测点）；内排土场西部3条监测线（每条监测线3个监测点，共9个监测点），共计24个监测点。点位详细分布情况见图1。

4.多源露天矿监测系统整合

山煤露天矿形变监测系统目前采用的监测方法主要有GNSS自动化监测系统、深部位移监测系统2种监测方式。各监测方式都有独立的监测软件自成体系，对矿区边坡、滑坡等变形区域进行监测。除了边坡安全监测系统平台，还有矿区事故风险分析平台。作业人员往往需要登录多个系统界面才能获取到矿区完整的监测信息，对于综合信息的及时获取、融合数据的综合分析以及联动预案的制订都造成困扰。基于此我们将GNSS边坡监测系统与事故风险分析平台整合到一起，通过统一的前端系统展示给用户。同时，监测数据进行整合后，生成需要的测点分布图、位移变化趋势图、速度变化趋势图、加速度变化趋势图和报表，形象直观的展示监测数据。

GNSS接收机采集原始位置信息，通过现场无线通信网络，按照RTCM32协议转发数据至设备监测物联网平台进行解算，获取毫米级位移量，矿区事故风险分析从设备监测物联网平台获取数据，并按照事故风险分析平台协议要求使用HTTP协议实时推送给矿区风险分析平台。

传感器描述文件（测点定义描述文件）：推送的传感器的命名格式为单位编号—CDDY—时间.TXT。文件第一行：系统型号；系统名称；生产厂家；文件内容更新时间；监测点点数。

表1 测点属性结构表

比如，煤矿编码为140102B0011010000002的矿井边坡监测系统测点配置在2016年6月24日11点24分24秒发生变化，则测点定义文件：140102B0011010000002—CDDY—20160624112424.TXT的内容为：CN；煤矿边坡监测系统；XXXX有限公司；2016-06-2411:24:24；1～140102B001101000000201KG10087633；1；140102B001101000000201DT0015426；测点1；工作帮；1；0.10；0.10；0.10；3.00；3.00；3.00；1.00；2.00；3.00；0；1；2～||。

5.结语

山煤露天矿GNSS边坡监测系统的应用，实现掌握了边坡、排土场安全状态和变化演进，准确地对不稳定边坡的形变趋势，滑塌时间、范围、危害做出预测预警。为防治滑坡及可能的滑动和蠕动变形提供技术依据，为科学决策提供依据。特别是与矿区事故风险分析平台的融合，形成了综合监控“一张图”，以边坡稳定性监测为重点，实现与现场作业人员定位信息、车辆定位系统、设备信息等数据的关联分析，实现对露天矿安全生产的全面监控。及时提出防控措施和实施应急响应，更大程度保障露天矿的安全生产，保护相关人员生命安全，最大限度地减少边坡滑坡所带来的损失，保障煤炭开采的顺利进行。