露天礦邊坡位移監(jiān)測方法的發(fā)展與研究

張飛，郝勇浙，劉躍忠，王昊，田睿

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010；2.內(nèi)蒙古豐沃工程技術(shù)咨詢有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 引言

大型露天礦山在開采過程中均形成了大量臺階，致使采場作業(yè)越發(fā)危險，開采困難，事故頻發(fā)，生產(chǎn)安全受到威脅，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]，例如美國賓哈姆·康諾露天礦發(fā)生大面積滑坡，滑坡量將近1600萬t，整個采場一半以上被掩埋；加拿大約翰斯曼維爾礦受到水的侵蝕，致使2293 m3巖體滑坡[2]。由此可見，邊坡穩(wěn)定是露天礦山安全生產(chǎn)的重要保障，邊坡監(jiān)測對礦山安全生產(chǎn)起著重要作用。所謂邊坡監(jiān)測是指對邊坡的位移速度、方向等進(jìn)行監(jiān)測，以掌握邊坡的巖石運(yùn)動規(guī)律，并找出邊坡破壞的預(yù)警信號。礦山邊坡位移監(jiān)測和變形趨勢預(yù)測分析對保證露天礦安全生產(chǎn)具有重要意義。綜合分析近年來露天礦邊坡位移監(jiān)測的工程實(shí)踐，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，露天礦邊坡位移監(jiān)測技術(shù)取得了長足進(jìn)步。礦山邊坡位移監(jiān)測已從過去的簡單、常規(guī)監(jiān)測方法逐步發(fā)展為自動化、高效、高精度的實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[3]。本文主要研究不同位移監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用，通過對比分析各種位移監(jiān)測技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍及條件，為露天礦邊坡安全監(jiān)測提供參考[4]。

1 邊坡監(jiān)測的研究現(xiàn)狀

國外早在 20世紀(jì)初就開始進(jìn)行邊坡監(jiān)測的研究，而我國直到 20世紀(jì)中葉才開始對邊坡監(jiān)測進(jìn)行研究。邊坡監(jiān)測通過分析邊坡處在不同階段的變化情況，對邊坡的形變以及形變趨勢作出預(yù)測和應(yīng)對。邊坡監(jiān)測主要針對地表位移、深部位移和宏觀地質(zhì)現(xiàn)象，可分為基于點(diǎn)和面兩種。監(jiān)測方法也已從圖形卡尺不斷發(fā)展到水平儀、經(jīng)緯儀、全站儀、GPS、合成孔徑雷達(dá)和三維激光掃描等[5]。

多年來，許多學(xué)者研究和探索了不同的邊坡監(jiān)測技術(shù)，并取得了一些突破。Helmstetter等在2004年將 Slider-block friction模型用于 Vaiont和 La Clapiere邊坡監(jiān)測[6]。Calvello等在2008年分析了滑坡穩(wěn)定性和變形速率兩者的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在指數(shù)或者對數(shù)的相關(guān)性[7]。在國內(nèi)，王桂杰等在 2010年將地探技術(shù)和差分干涉技術(shù)應(yīng)用于大范圍的目標(biāo)監(jiān)測和預(yù)警，取得了不錯的結(jié)果[8]。林昊等在2014年利用單頻靜態(tài)GPS監(jiān)測滑坡變形，發(fā)現(xiàn)單頻靜態(tài)GPS可以用于垂直形變在10 cm以上的滑坡[9]。本文以近年來應(yīng)用較為廣泛的幾種邊坡監(jiān)測方法為例，對邊坡監(jiān)測方法進(jìn)行介紹，并對邊坡監(jiān)測的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析。

2 邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用

2.1 邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)

雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射電磁波并接收物體反射的電磁波，根據(jù)往返信號之間的差異檢測物體[10]。合成孔徑雷達(dá)（D-InSAR）技術(shù)的研究較為成熟，該監(jiān)測系統(tǒng)能對露天礦邊坡、排土場邊坡、山體滑坡、大型建筑物的形變進(jìn)行大范圍連續(xù)監(jiān)測，對各類災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，在安全保障、評估和緊急救援等重要項(xiàng)目得到廣泛應(yīng)用[11]。

地基InSAR形變測量如圖1所示。圖中設(shè)置固定觀測基站觀測目標(biāo)點(diǎn)P，P′為P移動了距離d后的位置。

圖1 地基InSAR形變測量示意圖[12]

地基 InSAR技術(shù)是利用衛(wèi)星對同一地區(qū)進(jìn)行兩次成像所生成的相位差，將前后兩副干涉紋圖進(jìn)行比較和計算[13]，形變前后的主副圖像相位分別為φM和φS，兩者的干涉相位為ΔφMS，則：

目前合成孔徑雷達(dá)（D-InSAR）具有精度高、監(jiān)測范圍廣、自動化程度高的技術(shù)特點(diǎn)，但合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的信號易被干擾，圖像處理較為復(fù)雜，且生產(chǎn)和維護(hù)費(fèi)用高昂，所以，如何保障信號的傳輸不受干擾和降低成本依然是將來需要研究的課題。

2.2 邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

馬蘭莊鐵礦位于河北省遷安市馬蘭莊鎮(zhèn)，年產(chǎn)量300萬t，該礦露天礦區(qū)呈橢圓狀，采場長約1100 m，寬約900 m，采場邊坡為巖質(zhì)邊坡，沒有植被覆蓋，開采深度超過200 m，邊坡角為38°～47°，隨著開采的逐漸加深，邊坡穩(wěn)定成了制約采場安全生產(chǎn)的重要原因。

根據(jù)礦山實(shí)際情況，將雷達(dá)放置在采坑?xùn)|坡和西坡地基穩(wěn)定處，以降低邊坡監(jiān)測工作受工程擾動的影響，盡可能提高監(jiān)測準(zhǔn)確性。在礦坑?xùn)|坡位置建立邊坡監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器，監(jiān)測人員通過遠(yuǎn)程操作可以對雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

由圖2～圖3可知，該礦山監(jiān)測區(qū)域邊坡最大形變速率超過-1 mm/h，且底部變形量大于上部。對邊坡變形區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場考察，發(fā)現(xiàn)該變形區(qū)頂部的邊坡巖體產(chǎn)生了明顯裂縫，并且下部變形量大于上部。監(jiān)測結(jié)果顯示與現(xiàn)場實(shí)際情況基本一致。礦山依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對變形區(qū)域?qū)嵤┱?，阻止了?zāi)害的發(fā)生[14]。根據(jù)合成孔徑雷達(dá)（D-InSAR）的實(shí)際應(yīng)用效果可以看出，該技術(shù)可以對邊坡進(jìn)行實(shí)時精準(zhǔn)監(jiān)測，可有效避免災(zāi)害的發(fā)生。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)位變形速率曲線

圖3 邊坡平均形變速率

3 GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)及實(shí)際礦山的應(yīng)用

3.1 GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）在應(yīng)用于民用領(lǐng)域后已廣泛用于導(dǎo)航、定位和其他領(lǐng)域，并且在測量方面也做出了較大貢獻(xiàn)。由于其精度高、效率高、全天候且無需透視定位，人們已經(jīng)用它代替了常規(guī)的三角形、三邊形、邊角等方法，并在理論、實(shí)踐中取得了眾多成果[15]。隨后也在邊坡變形監(jiān)測中逐步得到應(yīng)用。

GNSS自動化監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)（傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊）和軟件系統(tǒng)（數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、安全評價預(yù)警模塊）組成（如圖4所示）。GNSS監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時采集監(jiān)測點(diǎn)的信號，且經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至控制中心，通過數(shù)據(jù)處理計算每個監(jiān)控點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并與初始三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，得出監(jiān)控點(diǎn)的變化，同時安全評價預(yù)警模塊根據(jù)設(shè)定好的預(yù)警值進(jìn)行報警[16]。目前該技術(shù)只能實(shí)時進(jìn)行預(yù)警，無法更好地預(yù)測邊坡未來的位移走勢，如何通過數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測是研究的難點(diǎn)。

圖4 GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)組成

GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)具有高自動化，高精準(zhǔn)度，受氣候影響小等特點(diǎn)，且性價比極高，這也是目前礦山主要應(yīng)用的邊坡監(jiān)測手段。

3.2 GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用

伊敏露天礦在2011年使用GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)對露天礦東部邊坡9個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。通過監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)東部邊坡正發(fā)生緩慢移動。根據(jù)GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，2011—2012年，東邊坡的變形帶處于均勻緩慢的變形階段，監(jiān)測點(diǎn)6向坑下移動60 cm（見表1）。2012年10月，該區(qū)域的變形加劇，監(jiān)測點(diǎn)的位移高達(dá)6.3 cm[17]。

表1 各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過監(jiān)測系統(tǒng)，露天礦及時準(zhǔn)確地掌握了東部邊坡現(xiàn)狀，并依據(jù)所得數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采取相應(yīng)的治理措施。伊敏露天礦GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合了GPS和北斗監(jiān)測系統(tǒng)，有效提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為露天礦的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持和基礎(chǔ)，并為后續(xù)研究提供有力的支持。

4 三維激光掃描技術(shù)及實(shí)際應(yīng)用

4.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是國際領(lǐng)先的空間三維影像測量技術(shù)，它將傳統(tǒng)測量由點(diǎn)發(fā)展至面，可以進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境或空間的掃描工作，并將掃描的三維數(shù)據(jù)完整放到計算機(jī)內(nèi)[18]。三維激光掃描儀的工作原理是通過儀器記錄目標(biāo)物體反射回來的激光信息，從而建立目標(biāo)的三維模型。掃描儀通過快速旋轉(zhuǎn)的反光鏡對指定范圍進(jìn)行掃描，再利用激光脈沖往返的時間來確定目標(biāo)距離，并通過編碼器轉(zhuǎn)換獲得被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)，再根據(jù)反射折回的激光強(qiáng)度確定目標(biāo)的顏色信息[19]。其原理如圖5所示。

圖5 三維激光掃描技術(shù)原理[20]

其中被測點(diǎn)P三維坐標(biāo)計算公式為：

三維激光掃描技術(shù)在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，特別是在礦山和巖土工程領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。在礦山邊坡監(jiān)測當(dāng)中更是具有測量范圍廣、成像效果好、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，雖受到地形和環(huán)境因素的影響較大，但仍不失為一種高效、可靠的監(jiān)測手段。

4.2 三維激光掃描技術(shù)在礦山的應(yīng)用

鳳陽縣石英巖礦開采時間長，采場多，因盜采遺留下多處高陡邊坡，最高處達(dá)200余米。由于歷史遺留問題，該礦在木屐山礦區(qū)+140平臺和+155平臺有高陡邊坡區(qū)域。該區(qū)域邊坡高度為45 m，邊坡角為 70°。因不在礦權(quán)范圍內(nèi)，礦山無法進(jìn)行削坡處理，給道路運(yùn)輸及生產(chǎn)帶來很大的安全隱患。該邊坡是否穩(wěn)定關(guān)系到礦區(qū)能否安全生產(chǎn)，所以礦山在該區(qū)域設(shè)立了永久觀測點(diǎn)，用三維激光掃描技術(shù)對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。

圖6 區(qū)域位移曲線變化

由圖6可知，6月28日至6月30日，該區(qū)域平均位移為10 mm，在6月29日至30日，受到降水的影響，區(qū)域位移變化較大。在8月9日至8月12日該區(qū)域位移變化相差較大，特別是8月10日，平均位移達(dá)到20 mm[21]。礦山根據(jù)監(jiān)測和現(xiàn)場勘察得到的數(shù)據(jù)對該區(qū)域進(jìn)行治理，有效防止了安全事故。所以，三維激光掃描技術(shù)可以比較直觀地反映邊坡的位移情況，但無法預(yù)測邊坡位移的未來走勢，且受到環(huán)境影響，位移變化波動較大，如何得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)測仍是日后研究的重點(diǎn)，但在目前依然是一種有效的邊坡監(jiān)測手段。

5 聲發(fā)射技術(shù)及其在礦山的應(yīng)用

5.1 聲發(fā)射技術(shù)

聲發(fā)射（AE）是依據(jù)巖石內(nèi)部發(fā)生破壞時所產(chǎn)生的聲響來判斷巖石的破壞的表征，在巖土工程災(zāi)害預(yù)測與結(jié)構(gòu)破壞監(jiān)測中擁有巨大潛力[22]。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是在邊坡設(shè)置探頭，以此來接收巖體內(nèi)部發(fā)出的波動，通過分析研究聲音波動信息，來確定巖體的力學(xué)特性,了解其內(nèi)部缺陷[23]。聲發(fā)射監(jiān)測原理如圖7所示。

由于巖石材料本身的復(fù)雜性，大多數(shù)實(shí)際巖體的聲發(fā)射監(jiān)測預(yù)測都是基于經(jīng)驗(yàn)判斷，與其他監(jiān)測方法相比，其可靠性需要提高[22]。該方法僅能對巖體失穩(wěn)破壞起到警示作用，無法得知滑移面具體位置。

圖7 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)原理[24]

5.2 聲發(fā)射技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

日本某礦山為研究邊坡穩(wěn)定情況，使用聲發(fā)射監(jiān)測，傳感器和位移樁的布置情況如圖8所示。當(dāng)施工至某一水平時，位移樁出現(xiàn)移動，邊坡發(fā)生崩塌事故，事故后立即修筑20 m高的護(hù)堤，用聲發(fā)射和位移樁聯(lián)合監(jiān)測邊坡的穩(wěn)定性。

圖8 傳感器和位移樁的布置

監(jiān)測結(jié)果如圖9所示，由圖9可知，監(jiān)測一周后，聲發(fā)射活動呈現(xiàn)增長趨勢，位移以 2.7 mm/d速度變化，所以可能發(fā)生坍塌事故，在修筑護(hù)堤后，聲發(fā)射次數(shù)變少，說明邊坡趨于穩(wěn)定，位移速率也趨于平穩(wěn)。在11月26日持續(xù)降雨后，聲發(fā)射次數(shù)開始增加，位移明顯變化。之后，聲發(fā)射信號減弱，位移樁的移動量減少。說明聲發(fā)射活動和位移相互對應(yīng)，礦山可以依據(jù)聲發(fā)射信號和位移樁的變化來判斷邊坡的穩(wěn)定程度[25]，及時治理危險邊坡。聲發(fā)射技術(shù)與其他方法相比不僅可以從表面看出位移變化，更能觀測邊坡內(nèi)部裂隙的變化，從而對邊坡位移走勢進(jìn)行預(yù)測。

圖9 聲發(fā)射和位移監(jiān)測結(jié)果

6 結(jié)論

在國內(nèi)外礦山邊坡變形監(jiān)測技術(shù)的最新成果以及對邊坡穩(wěn)定性的深入研究中，從最原始的地表變形監(jiān)測方法到大地測量方法，一直到現(xiàn)在的GNSS、聲發(fā)射、測量機(jī)器人、三維激光掃描技術(shù)等監(jiān)測方法，邊坡監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步。通過研究，各種監(jiān)測方法的便利性和準(zhǔn)確性也在提高。但單一的監(jiān)測方法總是存在一定的缺陷性，無法準(zhǔn)確預(yù)測或全面保障邊坡的安全，所以有的礦山使用多種傳感器聯(lián)合監(jiān)測的方法來保障邊坡的安全，如大唐國際勝利煤田就使用GPS、測量機(jī)器人和雷達(dá)等多種監(jiān)測手段，不僅精準(zhǔn)度高，還能對邊坡的未來走勢進(jìn)行預(yù)測[26]。這種方法費(fèi)用較高，且數(shù)據(jù)處理繁瑣。但隨著科技進(jìn)步及5G時代的來臨，多傳感器組成的智能監(jiān)測系統(tǒng)必然是國內(nèi)外的研究趨勢，以期實(shí)現(xiàn)從監(jiān)測到數(shù)據(jù)處理再到發(fā)出預(yù)警的高度智能化。