露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

李姝娟

摘 要：邊坡監(jiān)測是露天煤礦重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，本文通過對現(xiàn)有露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)的總結(jié)，現(xiàn)有邊坡監(jiān)測技術(shù)主要有GPS邊坡監(jiān)測技術(shù)、雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)以及三維激光掃描技術(shù)，對比各種邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，為各種監(jiān)測技術(shù)在露天煤礦的應(yīng)用提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：露天煤礦；邊坡監(jiān)測；GPS技術(shù)；雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)；三維激光掃描技術(shù)

目前我國露天煤礦分布并不多，以內(nèi)蒙地區(qū)居多，山西平朔和同煤地區(qū)、陜北地區(qū)有少量分布。露天開采后形成的邊坡角較大，有的邊坡高度可達(dá)數(shù)百米，在強(qiáng)降雨等活動下，容易出現(xiàn)崩塌、滑坡和泥石流的地質(zhì)災(zāi)害，從而造成設(shè)備損壞以及危及現(xiàn)場工作人員的生命安全，因而邊坡穩(wěn)定性是露天開采領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)問題，對邊坡位移進(jìn)行科學(xué)精確的監(jiān)測顯得很重要。邊坡變形監(jiān)測的目的是確定滑體的周界，定期測量滑動量、主滑動線的方向和速度。其意義在于提供邊坡的穩(wěn)定狀況、位移和變形的規(guī)律等，為滑坡預(yù)報提供依據(jù)，從而保證礦山生產(chǎn)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的開采。目前，國內(nèi)外常用的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備主要有：GPS監(jiān)測儀、全站式分析儀、水準(zhǔn)儀、水壓監(jiān)測儀、紅外線遙感儀器等。

一、國外露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)

整體而言，國外露天煤礦較我國居多，主要分布在澳大利亞、加拿大等國家，目前國外露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用較多的有GPS監(jiān)測系統(tǒng)、CSIRO監(jiān)測系統(tǒng)及近幾年發(fā)展起來的微震技術(shù)。澳大利亞研制的CSIRO邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，服務(wù)壽命較短為5年，儀器設(shè)備簡單，可安裝在鉆孔深150m以上，可以監(jiān)測邊坡巖體內(nèi)部的移動，主要依靠的是傳感器。加拿大很多露天礦采用GPS邊坡監(jiān)測技術(shù)，僅幾年逐步引入TDR監(jiān)測系統(tǒng)，由電脈沖信號發(fā)生器、傳輸線（同軸電纜）、信號接收器三部分組成。

二、國內(nèi)露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)

根據(jù)調(diào)查總結(jié)，國內(nèi)邊坡監(jiān)測技術(shù)主要包括GPS監(jiān)測技術(shù)、邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)、傳感器系統(tǒng)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng)等。

1、GPS監(jiān)測技術(shù)

GPS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)有4部分，分別是監(jiān)測區(qū)觀測點(diǎn)、調(diào)度中心、客戶端以及報警系統(tǒng)，分別對GNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解算、存儲、分析和發(fā)送，客戶端可實(shí)時查看邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有全天候、高精度、自動化、高效益、觀測時間短等優(yōu)點(diǎn)，在露天煤礦邊坡變形監(jiān)測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。但GPS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)也有很多缺點(diǎn)，比如：GPS自動監(jiān)測設(shè)備防水防潮設(shè)施不完善，硬件更新周期短；防寒保暖設(shè)施不完善，冬季維護(hù)工作量很大；數(shù)據(jù)跳變較大且時間較長，容易引發(fā)錯誤判斷；解算軟件易崩潰，從而影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性和時效性；監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較大，需要人工糾錯，或者延長數(shù)據(jù)采集時間，以保證數(shù)據(jù)的精確度。山西平朔安家?guī)X露天煤礦以及神華集團(tuán)下屬多處露天煤礦均采用該監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）CORS 監(jiān)測技術(shù)

連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)（CORS）是測繪的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也是信息社會、知識經(jīng)濟(jì)時代必備的基礎(chǔ)設(shè)施。它可應(yīng)用于城市規(guī)劃、交通、地震、氣象等多個領(lǐng)域和行業(yè)。系統(tǒng)目前使用GPS，以后可能綜合應(yīng)用GPS、GLONASS.GLOLILEO 和北斗系統(tǒng)。CORS應(yīng)用廣泛，由若干個連續(xù)運(yùn)行的GPS基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)處理控制中心數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)播系統(tǒng)和移動站組成。該系統(tǒng)具有工作效率高、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，將 CORS 系統(tǒng)應(yīng)用于露天煤礦的邊坡監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了一種迅速精準(zhǔn)的邊坡監(jiān)測方法，為邊坡預(yù)防提供可靠的原型數(shù)據(jù)。

（2）GNSS 監(jiān)測系統(tǒng)

GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)包含了美國的 GPS、俄羅斯的 GLONASS、中國的 Compass、歐盟的 Galileo 系統(tǒng)。采用成熟的 INTERNET 技術(shù)、高精度衛(wèi)星導(dǎo)航準(zhǔn)動態(tài)算法等技術(shù)，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是位置布設(shè)靈便，便于全天候?qū)崟r在線監(jiān)測，測取待測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動化處理，目前以國內(nèi)設(shè)備為主，價格較低。缺點(diǎn)是只能監(jiān)測淺表層位移，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)增加費(fèi)用也增加，監(jiān)測點(diǎn)數(shù)不宜布設(shè)過多，對陡峭、會有滾石損壞設(shè)備或滑坡埋葬監(jiān)測點(diǎn)的坡體，不宜布設(shè)等。目前應(yīng)用較多的是神寶露天煤礦、大南湖二礦、黑山露天煤礦、扎尼河露天煤礦、準(zhǔn)東露天煤礦等。應(yīng)用較多的系統(tǒng)類型有廣州中海達(dá)定位技術(shù)有限公司的 GNSS 高精度形變監(jiān)測系統(tǒng)，MK300型 GNSS 全自動監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，華測GNSS 邊坡位移監(jiān)控系統(tǒng)等。

2、邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)

邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)是目前邊坡位移監(jiān)測中最先進(jìn)的技術(shù)，其原理是向測量巖體某處發(fā)射電磁波，通過測量前后兩次返回電磁波相位差的變化，來確定巖體位移量。邊坡雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合了干涉測量技術(shù)、步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)，具有距離向分辨率和角度向分辨率，將待監(jiān)測區(qū)域分割成很多的單元，采集每一個單元的位移信息，再將所有的信息結(jié)合起來，這樣就得到了待測體表面的信息數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：數(shù)據(jù)為無線傳輸，可實(shí)時在線監(jiān)測，可采集的數(shù)據(jù)量較大，監(jiān)測距離遠(yuǎn)；缺點(diǎn)是需要結(jié)合人工處理和分析，引起誤差；布設(shè)監(jiān)測設(shè)備成本較高，設(shè)備以進(jìn)口為主，價格昂貴，實(shí)際應(yīng)用不多。2009 年，我國黑岱溝露天煤礦從澳大利亞引進(jìn)國內(nèi)第 1 臺邊坡穩(wěn)定性雷達(dá)，其全稱是 Ground Probe T-Series Slope Stability Radar，簡稱 SSR。鄂爾多斯哈爾烏素露天煤礦引入IBIS-M邊坡雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對采場邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，該系統(tǒng)由意大利IDS公司聯(lián)合佛羅倫薩大學(xué)共同研發(fā)而成，融合了差分相位干涉測量技術(shù)、SFCW技術(shù)、SAR技術(shù)和永久散射體等技術(shù)，可應(yīng)用于大型的露天生產(chǎn)礦。神華集團(tuán)勝利露天煤礦、寶清露天煤礦均引入了該系統(tǒng)。

3、三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)又名實(shí)景復(fù)制技術(shù)，出現(xiàn)于上世紀(jì)90年代中期，緊跟GPS之后。利用激光測距原理，通過高速激光掃描測量的方法，大面積、高分辨率快速獲取物體表面各個點(diǎn)的坐標(biāo)、反射率、顏色等信息，從而進(jìn)一步復(fù)制出實(shí)景模型，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作提供依據(jù)。其優(yōu)點(diǎn)是：可以全天候作業(yè)；不需要特別的光線角度，可以根據(jù)距離確定數(shù)據(jù)密度，數(shù)據(jù)獲取速度快。可以對變形體進(jìn)行全方位的掃描，不需要人為尋找變形體的特征部位。但目前以國外設(shè)備為主（國產(chǎn)系統(tǒng)多數(shù)組件也是進(jìn)口），價格貴，只能監(jiān)測表面形變，不能監(jiān)測深部位移。還可用于三維建模和方量測算。數(shù)據(jù)需要人工處理，對人員素質(zhì)要求較高。目前設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、耐用性有待進(jìn)一步完善。

三、結(jié)論

綜上所述，目前國內(nèi)外露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)多以GPS監(jiān)測技術(shù)為主，其主要優(yōu)點(diǎn)是價格較低，設(shè)備安裝較容易，而近幾年也陸續(xù)有使用雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)及三維激光掃描系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)距離監(jiān)測，但價格相比GPS較貴，設(shè)備多為國外引進(jìn)設(shè)備。

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（作者單位：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司環(huán)保所）