劉國(guó)元

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，上杭 364200)

GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)在紫金山金銅礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉國(guó)元

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，上杭 364200)

由于GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候運(yùn)行、自動(dòng)化程度高、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、精度高、無(wú)需通視、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。本文主要介紹了該方法在紫金山金銅礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

GPS；紫金山金銅礦；地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

紫金山金銅礦位于福建省上杭縣，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫20.0℃，年雨量1 646 mm，春夏濕潤(rùn)多雨，雨量相對(duì)集中，汛期集中在每年的4月至9月，特殊的氣候條件使得紫金山地區(qū)易遭山洪泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。紫金山金銅礦地處汀江上游邊上，毗鄰逕美行政村，下游為金山水電站，且礦區(qū)邊坡規(guī)模較大，如果發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)造成的危害也是巨大的，主要表現(xiàn)在摧毀礦山生產(chǎn)及生活設(shè)施，淤埋礦山坑道、傷害礦山人員、淤堵汀江、沖毀水電站、造成環(huán)境污染等重大事件發(fā)生。因此，必須采取一定的方法對(duì)礦區(qū)各地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警，保障礦區(qū)安全生產(chǎn)。

傳統(tǒng)邊坡和大壩變形觀測(cè)一般采用全站儀或水準(zhǔn)儀進(jìn)行水平位和垂直位移進(jìn)行觀測(cè)，該方法受天氣和通視條件限制只能觀測(cè)規(guī)模較小的邊坡和大壩。紫金山金銅礦屬于特大型低品位難處理礦，隨著采選規(guī)模的不斷擴(kuò)大，形成了一些地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，如大規(guī)模的礦碴堆場(chǎng)形成的邊坡。這些大規(guī)模的邊坡由于已經(jīng)綠化治理，不具有通視條件，不能采用傳統(tǒng)變形觀測(cè)方法來(lái)對(duì)它們進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。因此，必須采用有效的監(jiān)測(cè)方法來(lái)對(duì)這些地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)具有全天候運(yùn)行、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、精度高、無(wú)需通視、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，正好適用紫金山金銅礦地災(zāi)點(diǎn)分散、點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)。

1 GPS介紹

1.1 GPS的定義

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡(jiǎn)稱(chēng)，利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。GPS能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置，極大地提高了地球社會(huì)的信息化水平，有力地推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1.2 監(jiān)測(cè)原理

(1)們?nèi)缦聢D1所示，GPS基準(zhǔn)站設(shè)置在非形變穩(wěn)定區(qū)，GPS監(jiān)測(cè)站設(shè)置在形變監(jiān)測(cè)區(qū)(監(jiān)測(cè)斷面的布置和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目需求設(shè)置)。

(2) 利用GPS差分原理，利用2個(gè)或更多個(gè)測(cè)站之間的相對(duì)定位。如圖2所示，如果A和B兩點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)觀測(cè)了相同的一組衛(wèi)星(至少4顆)。而且A是一個(gè)已知點(diǎn)，通過(guò)某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點(diǎn)，那么B點(diǎn)的位置就可以加以確定。

(3) 通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時(shí)刻的GPS基準(zhǔn)站及GPS監(jiān)測(cè)站的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)采樣間隔可達(dá)10～20次/s)。

(4) 專(zhuān)業(yè)變形監(jiān)測(cè)軟件上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司的HCmonitor對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)解算處理，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的毫米級(jí)三維坐標(biāo)值。

(5) 通過(guò)平臺(tái)軟件對(duì)三維坐標(biāo)成果進(jìn)行圖表管理和輸出，得到用戶想要的多種表現(xiàn)形式的監(jiān)測(cè)成果。

2 基準(zhǔn)站設(shè)計(jì)與建設(shè)

GPS基準(zhǔn)站也可以稱(chēng)為GPS參考站，是整個(gè)邊坡表面位移監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)框架，一般一個(gè)GPS參考站能夠覆蓋10 km以?xún)?nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以覆蓋整個(gè)紫金山金銅礦區(qū)，因此設(shè)置一個(gè)參考站即可。為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，參考站需定時(shí)統(tǒng)一和區(qū)域內(nèi)控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)坐標(biāo)與項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)的統(tǒng)一，同時(shí)校準(zhǔn)參考點(diǎn)是否會(huì)發(fā)生位移。

GPS基準(zhǔn)站(參考站)要求建立在地基穩(wěn)定的地點(diǎn)，同時(shí)GPS參考站場(chǎng)地應(yīng)滿足以下要求：

(1) 場(chǎng)地穩(wěn)固且邊界無(wú)開(kāi)挖，年平均下沉和位移小于3 mm。

(2) 地勢(shì)較高且視野較開(kāi)闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度不宜超過(guò)15°。

(3) 遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200 m。

(4) 遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電傳送通道，其距離不得小于50 m。

(5) 當(dāng)GPS監(jiān)測(cè)站的點(diǎn)位布設(shè)較分散時(shí)，GPS基準(zhǔn)站就布設(shè)在GPS監(jiān)測(cè)站的中間，盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(6) 天線墩的高度不低于2 m。

(7) 觀測(cè)標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動(dòng)源。

(8) 參考站必須建立在凍土層以下，以減少氣候變化對(duì)參考站的影響。

GPS基準(zhǔn)站的接收機(jī)采用上海華測(cè)的N71，采用Maxwell 6技術(shù)，具有并行220通道，支持多系統(tǒng)，支持GSM、CDPD和GPRS調(diào)制方式用于eRTK和VRS，最高20Hz數(shù)據(jù)采樣的特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)站主要由避雷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，綜合以上因素聯(lián)系紫金山金銅礦實(shí)際地形特征，GPS基準(zhǔn)站布設(shè)在露采觀景臺(tái)邊上，實(shí)際建設(shè)施工效果如圖3所示。

3 監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測(cè)站位置設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)安全管理部門(mén)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)研論證后決定在礦區(qū)東南礦段B塊邊坡、小金山溝攔渣壩、金礦二選廠肚子坑邊坡、金礦二選廠3、4號(hào)環(huán)保大壩4處主要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)建立GPS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。4處主要地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)概況及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)情況如下：

(1) 東南礦段B塊邊坡危險(xiǎn)范圍從高程454到高程684水平，邊坡角在50°以上，該區(qū)段屬于松散堆渣體構(gòu)成，匯水區(qū)面積大，且邊坡下方有當(dāng)?shù)卮迕窬幼^(qū)，易產(chǎn)生滑坡和泥石流。該邊坡布設(shè)DNA A1-1、DNA A1-2、DNA A1-3三個(gè)GPS在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)地形圖如下圖4所示。

(2) 東南礦段小金山溝攔渣壩壩頂長(zhǎng)約67 m，頂壩尚未施工完畢，壩底往下至四五米寬的水溝底。整個(gè)壩體共分4級(jí)，基礎(chǔ)壩是漿砌石結(jié)構(gòu)重力壩。該壩體是民采期間由當(dāng)?shù)孛癫衫习宀捎眉兪瘔K堆積而成，沒(méi)有混凝土等凝固劑，其安全程度較差，上部陡峭山體開(kāi)采，雨季極易坍塌滑落到下面，下方為城區(qū)通往礦區(qū)公司和村民居住區(qū)，一旦產(chǎn)生滑坡或泥石流，其危害性較大。該攔碴壩布設(shè)DNK A1-1、DNK A1-2、DNK A1-3 三個(gè)GPS在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)地形圖如下圖5所示。

(3) 金礦二選廠肚子坑邊坡規(guī)模較大，在高程256水平處有礦區(qū)交通干道。整個(gè)邊坡是礦山生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)出的礦渣碾壓、人工堆積而成的。邊坡上寬下窄呈倒梯形，上邊緣呈凹進(jìn)去的弧線型，總計(jì)長(zhǎng)度1 050 m左右，下邊緣也呈凹進(jìn)去的弧線型，長(zhǎng)約150 m左右，高差在90 m左右。邊坡底部依附山體筑有土石結(jié)構(gòu)攔渣壩。該邊坡由于特殊的形狀和較大的規(guī)模，造成匯水區(qū)面積也較大，在雨季易誘發(fā)滑坡和泥石流。該邊坡布設(shè)DZK A1-1、DZK A1-2、DZK B1-1、DZK B1-2四個(gè)GPS在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)地形圖如下圖6所示。

(4) 金礦二選廠3、4號(hào)環(huán)保大壩邊坡范圍包括從高程344的平臺(tái)至下方的廢水處理系統(tǒng)，廢水處理系統(tǒng)有一座混凝土大壩。整個(gè)邊坡也是礦渣堆積形成，已綠化治理，并且比較密集。由于該邊坡上方是沉淀池，沉淀池的污水會(huì)匯集到大壩下方的污水處理池中，污水處理池將處理后的無(wú)污染的水排放到前方水庫(kù)中，再由水庫(kù)排放至汀江，所以大壩及上方松散邊坡的安全與否，直接威脅到汀江的水質(zhì)安全，同時(shí)一旦滑坡造成汀江的堵塞，其危害更大。該邊坡整個(gè)高差約100 m，坡度45°左右。該邊坡布設(shè)J3#A1-1、J3#A1-2、J3#B1-1、J4#A1-1、J4#A1-2五個(gè)GPS在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)地形圖如下圖7所示。

3.2 監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)與建設(shè)

GPS監(jiān)測(cè)站是管理人員實(shí)時(shí)掌握滑坡體形變和位移變化量的依據(jù)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀測(cè)衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(無(wú)線網(wǎng)橋或3G)實(shí)時(shí)傳輸GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)到控制中心，并結(jié)合各參考站的觀測(cè)數(shù)據(jù)與起算坐標(biāo)通過(guò)控制中心軟件準(zhǔn)實(shí)時(shí)解算處理，最終得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)。GPS接收機(jī)也是采用上海華測(cè)的N71，監(jiān)測(cè)站也是由避雷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，其實(shí)際建設(shè)施工效果如圖8所示。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

項(xiàng)目總體可分為4個(gè)系統(tǒng)，即傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心子系統(tǒng)和輔助支持子系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖9所示。

(1) 傳感器子系統(tǒng)：由布置在隱患點(diǎn)區(qū)域的GPS傳感器組成，主要作用是采集表位位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，主要傳感器采用后安裝方式。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：傳感器與控制中心通訊采用有線或無(wú)線的通訊方式，根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，本次監(jiān)測(cè)GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(3) 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機(jī)系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。

(4) 輔助支持系統(tǒng)：包括外場(chǎng)機(jī)柜、外場(chǎng)機(jī)箱、配電及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電子監(jiān)控等子系統(tǒng)。

5 成果發(fā)布平臺(tái)

5.1 簡(jiǎn)介

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后中間顯示工程總體分布圖，可以查看各測(cè)點(diǎn)的分布情況，鼠標(biāo)移到測(cè)點(diǎn)處可以顯示測(cè)點(diǎn)最近一次測(cè)量位移情況。主頁(yè)面左側(cè)是功能菜單欄，主要包括系統(tǒng)管理、工程管理、報(bào)表、視頻監(jiān)測(cè)、表面位移監(jiān)測(cè)、浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、雨量監(jiān)測(cè)、最小干灘監(jiān)測(cè)、庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、土含水率監(jiān)測(cè)、土壓力監(jiān)測(cè)及裂縫監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目為一期工程，主要對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)表面位移監(jiān)測(cè)，其他功能模塊為預(yù)留監(jiān)測(cè)參數(shù)接口，方便系統(tǒng)的擴(kuò)展，如圖10所示。

5.2 平臺(tái)功能特點(diǎn)

(1) 采用 B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶只要將電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)，就可以輸入域名登陸該系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)頁(yè)即可查詢(xún)監(jiān)測(cè)情況，也可以通過(guò)下載安裝APP手機(jī)端查看和管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖11所示。

(2) 系統(tǒng)設(shè)置了超級(jí)管理員和一般管理員，可以進(jìn)行用戶名與密碼管理、不同用戶授權(quán)管理、地圖管理、任意添加和刪除各監(jiān)測(cè)手段等功能。

(3) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理和分析能力，可以根據(jù)用戶需要的格式將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的毫米級(jí)精度三維坐標(biāo)成果導(dǎo)出來(lái)。系統(tǒng)具備圖表分析功能，可以自動(dòng)給出位移變化趨勢(shì)圖、斷面曲線圖、散點(diǎn)圖等，對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)手段的數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史回放、趨勢(shì)分析等，如圖12所示。

(4) 系統(tǒng)可任意添加人工巡檢的所有信息，對(duì)于人工巡檢、歷史數(shù)據(jù)、登陸日志等進(jìn)行有效管理。

(5) 預(yù)警發(fā)布形式靈活多樣，可根據(jù)數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)程度采用短信、網(wǎng)頁(yè)、郵件、現(xiàn)場(chǎng)聲光、大屏幕等方式和渠道進(jìn)行分級(jí)發(fā)布。

(6) 系統(tǒng)接入了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)視頻遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場(chǎng)情況。

6 運(yùn)行評(píng)價(jià)

由于GPS和參考站和監(jiān)測(cè)站都采用了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)以及自動(dòng)數(shù)據(jù)處理軟件，使得整個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立自動(dòng)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和處理，且在雨雪天氣均可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)站接收機(jī)通過(guò)靜態(tài)模式測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)可以達(dá)到毫米級(jí)精度，達(dá)到邊坡表面位監(jiān)測(cè)精度要求。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行位移變化趨勢(shì)圖、斷面曲線圖、散點(diǎn)圖進(jìn)行圖表分析：如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在GPS的測(cè)量誤差范圍內(nèi)呈離散形隨機(jī)變化，那么該監(jiān)測(cè)站附近所在的邊坡是穩(wěn)定的；如果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在GPS的測(cè)量誤差范圍內(nèi)呈線性增加或減小變化，那么該監(jiān)測(cè)站附近所在的邊坡發(fā)生了偏移，需要組織安全管理部門(mén)對(duì)該邊坡進(jìn)行安全評(píng)價(jià)以確定是否需要治理。另外，系統(tǒng)還提供了多種的預(yù)警形式，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的位移限差，監(jiān)測(cè)站所測(cè)的位移數(shù)據(jù)一旦超過(guò)這個(gè)限差，系統(tǒng)可以提供網(wǎng)頁(yè)、手機(jī)短信、辦公室現(xiàn)場(chǎng)聲光等多種預(yù)警表現(xiàn)形式。質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)一旦出現(xiàn)警報(bào)，邊坡管理人員還可以通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看邊坡現(xiàn)場(chǎng)情況以便第一時(shí)間作出應(yīng)急搶險(xiǎn)指示。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，精度高，可以有效預(yù)測(cè)大型滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，安全管理人員可以及時(shí)組織處置，將地質(zhì)災(zāi)害減小到最小程度。

7 結(jié)論

紫金山金銅礦作為國(guó)內(nèi)黃金可利用資源量最大、黃金產(chǎn)量最大、采選規(guī)模最大、入選品位最低、單位礦石成本最低、經(jīng)濟(jì)效益最好的單體礦山，其生產(chǎn)過(guò)程中的大型堆浸場(chǎng)經(jīng)綠化治理后成為不穩(wěn)定邊坡，是礦區(qū)最重要的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，采用GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)這些地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行安全管理和預(yù)警，對(duì)提升整礦本質(zhì)安全有著極其重要的保障作用，對(duì)落實(shí)國(guó)家新《環(huán)境保護(hù)法》和新《安全生產(chǎn)法》有著積極的推動(dòng)作用，對(duì)紫金山金銅礦打造信息化、智能化、自動(dòng)化的現(xiàn)代化礦山也有重要的推動(dòng)作用?？傊辖鹕浇疸~礦運(yùn)用GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警和統(tǒng)一管理，對(duì)礦區(qū)安全生產(chǎn)有著重要的意義。

[1] 馮蓉. 基于GPS與GPRS的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(D).太原：太原理工大學(xué)，2011.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF GPS REAL-TIME MONITORING TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL HAZARD MONITORING OF ZIJINSHAN GOLD/COPPER MINE

LIU Guo-yuan

(Zijin Mining Group Co.,Ltd,Shanghang Fujian 364200,China)

Is widely used in the geological hazard monitoring system, due to the characteristics of the GPS real-time monitoring technology such as all-weather operation, high-degree automation, remote monitoring, high precision, free intervisibility, and extensibility.This paper mainly introduces the design and implementation of geological hazard monitoring in Zijinshan gold/copper mine.

GPS; Zijinshan gold/copper mine; geological hazard monitoring

1006-4362(2015)04-0067-07

2015-08-09改回日期：2015-10-19

X43

A

劉國(guó)元(1984- )，男，福建省上杭人，主要從事大壩邊坡安全監(jiān)測(cè)、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作。E-mail：guoyuanliu@163.com