GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)在白音華二號礦的應(yīng)用

王立文

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

我國大部分露天礦山經(jīng)過長期的開采后，其采場邊坡及排土場邊坡往往會出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，存在發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患，對露天礦山的可持續(xù)健康發(fā)展產(chǎn)生非常嚴重的影響。通過長時間的觀測總結(jié)，地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)邊坡巖體在發(fā)生滑坡之前會出現(xiàn)明顯的物理征兆，其空間形變信息會隨著時間序列的變化而呈現(xiàn)加速趨勢，同時平面形變信息及垂直形變信息會隨著變形巖體所處位置的不同呈現(xiàn)差異性變化。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，變形巖體會表現(xiàn)為前緣隆起，后緣沉降及兩側(cè)錯動等現(xiàn)象。如果通過某種監(jiān)測方法能夠快速捕捉到這些特征，就可以實現(xiàn)滑坡事故的提前監(jiān)測及預(yù)警，避免或最大限度地減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，保障露天礦山的生產(chǎn)安全[1-2]。

隨著科技的不斷進步，我國的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術(shù)也呈現(xiàn)多樣性發(fā)展，現(xiàn)階段在露天礦山主要應(yīng)用的有RTK、GNSS、邊坡雷達、測量機器人及三維激光掃描儀等設(shè)備，其中GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)具有測量精度高、覆蓋面積廣、監(jiān)測周期長及適應(yīng)能力強等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大金屬及非金屬露天礦山。為此，以內(nèi)蒙古錫林郭勒白音華二號露天煤礦的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)為例，通過對GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)的布置設(shè)計及數(shù)據(jù)分析方法進行探討。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 基本原理

GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)主要衍生于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），如中國的北斗導(dǎo)航BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS 及歐盟的GALILEO 等4 大系統(tǒng)[3-5]，其基本原理是通過測量內(nèi)置接收機與4 顆或4 顆以上已知位置衛(wèi)星的距離來確定自身的空間信息。再輔助于基準(zhǔn)站進行相互校正，進而獲得監(jiān)測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并以一定的時間間隔為取樣標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計歸集該點的三維坐標(biāo)信息的，最終顯示邊坡的形變信息[6]。GNSS 工作原理圖如圖1。

圖1 GNSS 工作原理圖

我國大部分露天礦山在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)過程中，通常采用幾個或十幾個監(jiān)測點組成全礦的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，覆蓋大部分重點或具有潛在滑坡危險的邊坡區(qū)域，再通過4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，并以WEB 或APP 的模式圖像化于顯示終端，供用戶進行即時在線數(shù)據(jù)查詢、分析及管理等工作。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

GNSS 監(jiān)測主要由測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)等部分組成[7-8]。全系統(tǒng)各組成部分具體功能如下：

1）測量系統(tǒng)。是數(shù)據(jù)采集單元，通過高精度的接收機進行監(jiān)測點數(shù)據(jù)的采集工作。

2）通信系統(tǒng)。是數(shù)據(jù)傳輸單元，通過內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)卡和外置天線進行數(shù)據(jù)的無線傳輸工作。

3）供電系統(tǒng)。是能量供應(yīng)單元，通過太陽板給內(nèi)置的硅能電池進行儲能充電，并支持全系統(tǒng)的正常運行。

4）軟件系統(tǒng)。是監(jiān)測分析單元，通過人機交互界面可以供用戶進行遠程操作，包括各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析及管理工作。

5）防雷系統(tǒng)。是雷電防護單元，通過加裝避雷器可以有效降低雷擊環(huán)境下系統(tǒng)線路的瞬時過載電流，保護測量設(shè)備的安全。

2 布置設(shè)計

2.1 單點測量

2.1.1 測量方式

傳統(tǒng)的GNSS 技術(shù)受限于衛(wèi)星鐘差、通信延遲、接收機誤差及數(shù)據(jù)處理誤差等影響，單系統(tǒng)或多系統(tǒng)組合的單點定位精度只能達到米級，無法滿足于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的需要。隨著GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)的日益發(fā)展，利用差分定位技術(shù)、定性定量的GNSS解算算法、“YUE”卡爾曼濾波模型及粗差數(shù)據(jù)自動剔除等方法，可以將衛(wèi)星定位的精度提升到毫米級、亞毫米級。其中差分定位技術(shù)是通過建立基準(zhǔn)站，并實時輸出差分改正數(shù)據(jù)，使GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)在精度、靈敏度之間實現(xiàn)定性、定量的平衡，即可保證監(jiān)測的精準(zhǔn)性，也可以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性。

目前，白音華二號露天煤礦所采用的GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)可以接收BDS、GPS、GLONASS、Galileo 和QZSS 全系統(tǒng)、全頻點的高精度定位和定向的電磁波信號，可以采集各個監(jiān)測點的x、y、h（垂直位移）、xy（平面位移）及xyh（空間位移）方向的形變信息。

2.1.2 布設(shè)方式

1）基準(zhǔn)站的位置確定原則。在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的過程中，首先要進行現(xiàn)場勘查，確定基準(zhǔn)站及各監(jiān)測點的布設(shè)位置，其中基準(zhǔn)站的位置確定原則要充分考慮到：①地質(zhì)條件好，地表穩(wěn)固可靠；②距離適中，便于觀察及維護；③電源穩(wěn)定，且具有后備應(yīng)急電源。

2）監(jiān)測點的數(shù)量。基準(zhǔn)站布設(shè)后，只需根據(jù)現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性情況決定配置監(jiān)測點的數(shù)量，每個監(jiān)測點都可獨立測量，并反映所處邊坡巖體的形變信息，其布設(shè)位置要充分考慮到：①放置于邊坡平臺表面，能夠反映區(qū)域邊坡巖體的形變特征；②距離周圍障礙物的高度小于15°，避免工程活動影響；③遠離大功率無線電發(fā)射源及高壓輸電線，避免受到磁場干擾。

2.1.3 監(jiān)測方式

GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的測量周期為10 min～30 d，最快也可以幾分鐘1 次，并可以根據(jù)用戶需要進行自定義設(shè)置。系統(tǒng)每日24 時自動整理歸集測量數(shù)據(jù)，并自動生成日報、周報及月報傳輸至云服務(wù)終端。

監(jiān)測分析軟件可以顯示各個監(jiān)測點的表面位移，包括位移變化趨勢圖、斷面曲線圖、速度、加速度、數(shù)據(jù)列表、報警查詢、周/月報表、自定義時段對比報表及系統(tǒng)管理等信息。通過這些信息可以以測量數(shù)據(jù)的時間序列為基礎(chǔ)，分析各個監(jiān)測點所代表邊坡巖體的變形演化規(guī)律，并清晰的顯示各個監(jiān)測點的位移變形曲線及矢量方向，最終通過設(shè)置報警閾值的方法進行邊坡預(yù)警，為礦區(qū)作業(yè)人員及設(shè)備的安全撤離及避險提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 多點連線

現(xiàn)場實踐工作中，單個監(jiān)測點所能監(jiān)測的區(qū)域較小，僅能反應(yīng)周圍一定范圍的形變信息，因此GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)往往需要在被測邊坡放置多臺監(jiān)測點才能真正反映此區(qū)域邊坡巖體的形變信息。露天礦山的采場、排土場邊坡是由一個個人工采掘或堆砌的臺階組成的，因此為達到更好的監(jiān)測效果，其監(jiān)測點需要在每一個臺階或間隔幾個臺階布設(shè)1臺設(shè)備，形成一條便于觀察的縱向觀測線，此觀測線可以根據(jù)礦山現(xiàn)場勘察設(shè)計或邊坡安全評價中的地質(zhì)剖面圖進行劃分確定[9]。GNSS 觀測線劃分圖如圖2。

圖2 GNSS 觀測線劃分圖

2.3 區(qū)域組網(wǎng)

我國的露天礦山多數(shù)為凹陷露天礦，隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)利用，其采掘深度不斷增加，已經(jīng)形成了大量的采場邊坡和排土場邊坡。這些邊坡所處的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文條件及邊坡角度均不相同，同時變形巖體所處位置、形變程度及矢量方向也不相同，因此要將這些邊坡進行統(tǒng)一監(jiān)測客觀上存在一定的困難性。通過長時間的摸索實踐，在汲取先進技術(shù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，逐步組建起一個由多條觀測線構(gòu)成的密集監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以有效確定邊坡巖體的變形范圍及變形程度。GNSS 監(jiān)測網(wǎng)布置圖如圖3。

圖3 GNSS 監(jiān)測網(wǎng)布置圖

在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)之時，首先需要進行現(xiàn)場實地勘查，確認當(dāng)前存在變形或具有潛在滑坡危險的邊坡區(qū)域，再通過多條觀測線進行重點跟蹤監(jiān)測，定期整理歸集同一區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，并將所有數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器中進行解碼計算，最終形成全礦的三維立體監(jiān)測網(wǎng)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)對比

GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)無人值守的完全自動化監(jiān)測，能夠?qū)吰碌男巫冃畔⑦M行采集、傳輸、解算、分析、報表、存儲、查詢與發(fā)布等功能，實時掌握跟蹤邊坡巖體的動態(tài)變形情況。

近年來隨著4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、云計算、物聯(lián)通信等先進技術(shù)的更新迭代，為提供更好的人機交互界面，便于用戶隨時隨地進行操作，現(xiàn)階段大多數(shù)GNSS 的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)已不再局限于傳統(tǒng)的PC 軟件終端，通過采用B/S 架構(gòu)設(shè)計，支持主流Web 瀏覽器登錄，通過網(wǎng)頁即可查詢監(jiān)測情況，包括各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、分析。

GNSS 的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以將所有監(jiān)測點的數(shù)據(jù)整理歸集到1 個報表內(nèi)，并按觀測線、點號、位置及標(biāo)高等內(nèi)容進行區(qū)分標(biāo)注。同一監(jiān)測周期內(nèi)，可以統(tǒng)計每個監(jiān)測點的平面位移、垂直位移和空間位移等三維形變數(shù)據(jù)，并進行前期與當(dāng)期的數(shù)值對比計算，反映增減、沉降情況。在實際運用中，通過云端服務(wù)器的快速解算模塊，可以生成2、4、8、24 h 等時間周期的報表，使用戶可以及時了解、掌握各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)變化情況。

3.2 曲線跟蹤

在監(jiān)測過程中，GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)隨著測量時間的累積推移，每個監(jiān)測點都會構(gòu)建出1 條時間序列的數(shù)據(jù)曲線，包含x、y、H（垂直位移）、xy（平面位移）及xyH（空間位移）矢量方向上的變形量[10]，可以完全反映其所代表邊坡巖體的三維形變情況，通過跟蹤這條曲線的圓滑度可以分析判斷邊坡的變形趨勢及規(guī)律如圖4。

圖4 GNSS 監(jiān)測曲線跟蹤圖

4 結(jié)語

1）GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)以衛(wèi)星定位、云計算及物聯(lián)通信等核心技術(shù)為依托，可以對當(dāng)前存在變形或具有潛在滑坡危險的邊坡進行全方位覆蓋和實時動態(tài)跟蹤監(jiān)測，進一步提升了白音華二號露天煤礦的邊坡安全管理能力。

2）通過現(xiàn)場勘查及邊坡安全評價設(shè)計，采用單點測量、多點連線及區(qū)域組網(wǎng)的布置思路，構(gòu)建了GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)對白音華二號露天煤礦采場、排土場邊坡的三維立體實時在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，可以對邊坡巖體進行可靠的變形監(jiān)測。

3）通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對比和曲線跟蹤，GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)可以形象化的反映邊坡巖體的三維形變信息，同時通過對監(jiān)測曲線圓滑度的分析可以有效判斷邊坡巖體的矢量變形趨勢，并預(yù)測未來一段時間內(nèi)邊坡巖體的變形規(guī)律，提高預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確率。