測量技術(shù)在露天礦山采場邊坡安全中的應(yīng)用與發(fā)展

李勇波

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司礦業(yè)分公司，湖北 大冶 435100）

露天礦山是我國礦產(chǎn)資源開采的重要形式之一。露天礦山相對于其他非露天礦山而言開采難度較低，但隨著開采深度的增加，以及排土場堆排土方的增加，也會導(dǎo)致安全隱患的增加。露天礦山采場安全隱患的程度與礦山開采深度、土方堆排高度、邊坡較度大小呈正相關(guān)。隨著礦山開采深度增加、土方堆排高度增加、邊坡角度增大，邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險也在不斷增加。為了有效的預(yù)防露天礦山采場邊坡安全，在開采過程中需要加強對邊坡的監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)警。先進的測量技術(shù)是露天礦山采場邊坡監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)警的基礎(chǔ)。研究測量技術(shù)在露天礦山采場邊坡安全中的應(yīng)用與發(fā)展對露天礦場安全管理創(chuàng)新及提升邊坡安全管理水平有著重要的意義[1]。

1 先進的露天礦山采場邊坡測量技術(shù)

1.1 無人機航測技術(shù)

無人機航測技術(shù)指利用無人機搭載數(shù)碼相機快速獲取礦區(qū)航測影像，從而獲得礦區(qū)高分辨率、高精度、直觀的實景三維模型數(shù)據(jù)的技術(shù)。露天礦山采場受機械損傷、爆破、開采深度等影響而導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計，露天礦山采場邊坡存在失穩(wěn)問題或滑坡風(fēng)險的比例占礦山邊坡總量的15%～20%，部分礦山邊坡滑坡風(fēng)險高達30%。首先，人工測量礦山邊坡存在較高的風(fēng)險，其次人工測量耗時耗力，且測量效率偏低。無人機航測能夠在較短的時間內(nèi)完成對露天礦區(qū)采場邊坡穩(wěn)定性的測量，且精度可達厘米級。應(yīng)用無人機航測露天礦山采場邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對于高效的獲取更加精準(zhǔn)的露天采坑邊坡數(shù)據(jù)有著重要的作用。無人機獲取三維點云數(shù)據(jù)后自動對數(shù)據(jù)進行與處理，同時采取加密，生成DEM，再進行GIS數(shù)據(jù)分析，為邊坡動態(tài)監(jiān)測提供準(zhǔn)確依據(jù)，從而便于及時有效的開展邊坡風(fēng)險分析和防范[2,3]。

1.2 雷達監(jiān)測技術(shù)

雷達監(jiān)測露天礦山采場邊坡安全利用了雷達天線發(fā)射的信號在邊坡巖體反彈后被雷達重新接收，雷達系統(tǒng)自動記錄接收信號和反射信號的相位，再通過對比前后兩次掃描數(shù)據(jù)來分析接收信號和發(fā)射信號之間的相位變化，從而計算邊坡位移，實現(xiàn)對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析。邊坡位移計算公式參考下式1。

SSR-XT3D真實孔徑雷達在露天礦山采場邊坡位移監(jiān)測的應(yīng)用中，具有數(shù)據(jù)監(jiān)測精準(zhǔn)性高的優(yōu)勢。該雷達在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠通過雷達波折射率、相干性及選取的邊坡相對穩(wěn)定參考區(qū)位移等參數(shù)指標(biāo)分析采場邊坡的位移數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過位移數(shù)據(jù)質(zhì)量分析邊坡的相對穩(wěn)定性，以此對邊坡結(jié)構(gòu)的安全性進行預(yù)警[4]。

1.3 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種利用高精密性掃描儀及系統(tǒng)對露天礦山采場邊坡進行三維數(shù)據(jù)采集，并快速建立實體三維模型，并進行邊坡對點云數(shù)據(jù)分析處理的技術(shù)。該技術(shù)是目前非接觸式測量中速度最快、空間分辨率最高的技術(shù)。它利用率脈沖測距的原理，高速激光測量輔助下使用激光掃描儀完成對邊坡表面三維坐標(biāo)的獲取和分析。三維激光最高的測量精度可達到亞毫米級。該技術(shù)結(jié)合了三維激光掃描儀的坐標(biāo)位置與被測邊坡點為坐標(biāo)的實測距離，通過點云數(shù)據(jù)處理及構(gòu)建三維模型，最后利用三維模型對點云曲面進行分析，實現(xiàn)對實際目標(biāo)物體掃描的同時精準(zhǔn)呈現(xiàn)露天礦山采場邊坡結(jié)構(gòu)的目的。由于測量精準(zhǔn)性極高，便于更加精細的呈現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的細節(jié)，為采取針對性措施預(yù)防邊坡風(fēng)險事故的發(fā)生提供了更加精準(zhǔn)的參考依據(jù)（如下圖1）。

圖1 礦山三維激光掃描技術(shù)圖示

1.4 GPS定位監(jiān)測技術(shù)

GPS技術(shù)是利用空間衛(wèi)星星座發(fā)射的無線電信號，由地面監(jiān)控系統(tǒng)接受定位信息并完成數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給用戶接收機的定位監(jiān)測技術(shù)。GPS數(shù)據(jù)采集具有全天候的特點，且對露天礦山采場邊坡的連續(xù)監(jiān)測能夠通過數(shù)據(jù)分析獲取邊坡變形情況。雖然GPS具有動態(tài)性監(jiān)測的特點，便于分析某一點位邊坡位移的情況，但單一的GPS定位監(jiān)測對于點位信息的獲取需要配合人工巡視，在大型露天礦區(qū)邊坡監(jiān)測中受人工巡視效率的影響導(dǎo)致時效性不佳。一般GPS技術(shù)需要配合三維激光測量儀、雷達監(jiān)測、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，構(gòu)建遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)，才能更好的發(fā)揮GPS定位動態(tài)追蹤的優(yōu)勢，實現(xiàn)對露天礦山采場邊坡穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的動態(tài)性風(fēng)險預(yù)警，保證采場邊坡的安全。

2 智能技術(shù)融合多種測量技術(shù)在邊坡安全中的應(yīng)用

撫順西露天煤礦是亞洲第一大露天礦，開采歷史長達百年。截止2013年底，露天礦坑長6.6km、寬2.2km、深500m。2007年后監(jiān)測到撫順西露天煤礦南邊坡有移動變形，到2014年南邊坡頂發(fā)生長3100m、寬40m、落差18m的裂縫，發(fā)生了罕見的特大型礦山滑坡安全事故[5,6]。

為分析本次邊坡滑坡事故原因和確定露天礦區(qū)滑坡治理方案，最終啟動了“天、空、地”多源協(xié)同監(jiān)測方案。該方案融合天基、空基、地基在內(nèi)的衛(wèi)星In-SAR、衛(wèi)星高分遙感、無人機高分影像、GNSS站點、TLS、紅外熱像、測量機器人、IOT等多種測量技術(shù)，構(gòu)建起全方位、自動化的系統(tǒng)，用于該露天礦區(qū)邊坡天、空、地三維視角的協(xié)同監(jiān)測和綜合分析。監(jiān)測分析結(jié)果如下：

（1）2007～2013年7月，南邊坡滑坡體低速滑動＜20mm/d。

（2）2013年8月～2014年12月，南邊坡快速滑動，最大滑動速率為180mm/d。

（3）2014年12月后，南邊坡轉(zhuǎn)為低速位移，至2015年7月1日，滑動位移量下降至4～6mm/d。

（4）2013年4月～2015年7月，南邊坡滑坡體的北向滑動位移量最為54.0m。

（5）坡體被位于礦區(qū)2號斷層、5號斷層與南緣地裂縫之間?！疤?、空、地”多源協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)撫順西露天煤礦南邊坡特大型滑坡的形成與時空發(fā)育規(guī)律提供了精確、詳細、完整的數(shù)據(jù)，為滑坡可靠性治理提供了科學(xué)的參考依據(jù)。由此可見多種測量技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用是獲取邊坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)和實施邊坡可靠性治理的關(guān)鍵。

3 邊坡安全測量技術(shù)的發(fā)展歷程及未來趨勢

3.1 發(fā)展歷程

露天礦山采場邊坡的穩(wěn)定性研究是露天礦安全生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。過去在邊坡測量中，人們主要通過對工程地質(zhì)勘查和分析，分析影響因素、變形破壞方式、變形地質(zhì)體成因、力學(xué)機制、地質(zhì)演化等條件，綜合分析邊坡滑坡模式。這也是一直以來邊坡穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。隨著測量工具、測量技術(shù)的發(fā)展，越來越多的遠程測量技術(shù)應(yīng)用到邊坡安全監(jiān)測及穩(wěn)定性分析中。邊坡穩(wěn)定性及安全分析的方法也從最初的工程地質(zhì)分析法向多元化發(fā)展。如極限元分析法、數(shù)值分析法、可靠性分析法等。將這些方法的原理應(yīng)用到邊坡先進的監(jiān)測儀及檢測系統(tǒng)中，就構(gòu)成了邊坡安全監(jiān)測體系。目前，邊坡監(jiān)測已經(jīng)向遠程在線化和智能化發(fā)展。應(yīng)用的主要儀器、方法參考如下：①坡表大地測量法，主要測量儀器有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測距儀、全站儀等；②GPS監(jiān)測法；③位移計監(jiān)測法；④紅外遙感監(jiān)測法；⑤激光微小位移監(jiān)測法；⑥合成孔徑雷達干涉測量法，主要測量儀器技術(shù)有SARinterferometry，INSAR；⑦時間域反射測試（TDR）技術(shù)；⑧坡體內(nèi)部的鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓監(jiān)測儀等；⑨聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)等。

3.2 未來趨勢

從各類邊坡測量的方法和儀器來看，未來露天礦山采場邊坡安全中系統(tǒng)化監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用需求將明顯上升。在技術(shù)選擇上，信息化、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)引領(lǐng)的智能監(jiān)測系統(tǒng)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。智能監(jiān)測系統(tǒng)以“智慧”監(jiān)測的設(shè)計理念為核心，融合GPS監(jiān)測技術(shù)、無人航測技術(shù)、雷達監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等先進的測量技術(shù)，面向智慧礦山的建設(shè)和發(fā)展，構(gòu)建起監(jiān)測范圍更大、監(jiān)測精度更高、邊坡穩(wěn)定性動態(tài)分析更全面、風(fēng)險預(yù)警更高效的智慧監(jiān)測系統(tǒng)。在測量技術(shù)創(chuàng)新上，會融合衛(wèi)星遙感、熱像監(jiān)測、無人機協(xié)同監(jiān)測、衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測等，形成對露天礦山采場邊坡“天、陸、地”全方位、全天候、立體化、自動化、智慧化監(jiān)測的趨勢，來為露天礦山采場安全生產(chǎn)邊坡安全管理保駕護航（如下圖2）。

圖2 礦山智慧監(jiān)測系統(tǒng)圖示

4 結(jié)語

基于露天礦山采場邊坡安全管理的高要求，測量技術(shù)在露天礦山采場邊坡安全中的應(yīng)用對應(yīng)了不同安全管理需求。不同的測量技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢上有一定的差異，也存在不同程度的局限性?，F(xiàn)代露天礦山采場邊坡則是基于高精準(zhǔn)性監(jiān)測、風(fēng)險預(yù)警和邊坡穩(wěn)定性控制的需求而設(shè)計的天、陸、地協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)，用以保障礦山開采過程中對邊坡安全全方位、實時性、智能化、系統(tǒng)化的監(jiān)測和邊坡安全管理。這種基于天、陸、地的協(xié)同監(jiān)測系統(tǒng)利用智能技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算等技術(shù)實現(xiàn)了多種測量技術(shù)的深度融合，使得多種測量技術(shù)的在優(yōu)勢和局限上實現(xiàn)了互補，有效的提升了對露天礦山采場邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)警分析的水平，提升了邊坡綜合安全管理的效率和質(zhì)量，對于預(yù)防邊坡滑坡及各類風(fēng)險事故的發(fā)展有著重要的應(yīng)用價值。