無人機技術(shù)在布沼壩露天礦邊坡管理中的應(yīng)用

劉定帥，趙兆龍

（云南小龍?zhí)兜V務(wù)局有限責任公司，云南 開遠 661699）

邊坡伴隨著露天礦山的開采而產(chǎn)生，邊坡問題是制約露天礦發(fā)展的重要因素[1]，近年在國內(nèi)外發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害治理過程中，無人機航攝技術(shù)嶄露頭角[2]。同時，為規(guī)范無人機測量技術(shù)應(yīng)用，國家測繪地理信息局等制定了一系列規(guī)范文件，對無人機影響獲取、像控測量和數(shù)據(jù)處理等做了比較具體的規(guī)定[3]，使得無人機航攝技術(shù)得到進一步應(yīng)用，解決了人工巡查存在工作量大及巡查高陡邊坡無法到達的問題。在此基礎(chǔ)上，布沼壩露天礦引進礦山可視化系統(tǒng)，采用固定翼無人機采集傾斜影像數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)和水準數(shù)據(jù)，建立礦區(qū)三維地形圖，實現(xiàn)了采場、排土場地形數(shù)據(jù)的快速查詢和更新維護，使礦山邊坡管理智能化水平得到很大提升。

1 礦山概況

布沼壩露天礦隸屬于云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局，始建于1953 年，是云南省的主要能源基地，煤炭產(chǎn)量約占全省產(chǎn)量的1/6。位于小龍?zhí)杜璧氐哪隙?，南盤江南岸。目前開采面積為6.4 km2，地表標高為1 160 m，最低開采水平為963 m。煤層為單一巨厚煤層，平均厚度約72 m，適合露天開采。布沼壩礦堅持科學(xué)發(fā)展，依靠科技進步，經(jīng)過5 次擴建，現(xiàn)已發(fā)展成為生產(chǎn)技術(shù)先進，機械化程度較高的現(xiàn)代化露天煤礦。開采工藝為間斷工藝和半連續(xù)工藝結(jié)合的綜合開采工藝。小龍?zhí)兜V務(wù)局五期擴建工程總設(shè)計生產(chǎn)能力1 490 萬t/a，主要擴建布沼壩露天礦，設(shè)計生產(chǎn)能力由480 萬t/a 擴大到1 300 萬t/a。2011 年12 月，云南省工業(yè)和信息化委員會核定能力為1 000 萬t，五期擴建工程已進入竣工驗收階段，竣工驗收完成后將具備逐年擴大產(chǎn)量的能力。

2 邊坡管理內(nèi)容

布沼壩露天礦制定了《邊坡管理實施細則》，明確了邊坡管理職責，為實現(xiàn)分級管理提出了明確的制度要求，對規(guī)范邊坡管理起到了重要的作用。邊坡管理內(nèi)容主要包括：邊坡巡查、邊坡監(jiān)測、邊坡穩(wěn)定性分析、防排水設(shè)施建設(shè)及邊坡治理等。同時為確保邊坡安全，布沼壩露天礦采取了合適的開采技術(shù)和嚴格的邊坡管理制度。

1）邊坡巡查。邊坡巡查的內(nèi)容包括：裂縫、排水溝、積水、垮塌、隱患治理情況、監(jiān)測設(shè)施運行狀況等。通過巡查及時發(fā)現(xiàn)地表變形，積水及其他影響邊坡穩(wěn)定性的因素，及時消除隱患，防止變形加劇。

2）邊坡監(jiān)測。布沼壩露天礦邊坡地表位移監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)有70 個GPS 人工監(jiān)測點、34 個GPS 自動監(jiān)測點、40 個全站儀監(jiān)測點，共計144 個邊坡地表位移監(jiān)測點。為及時進行邊坡監(jiān)測和邊坡管理，2011年投資558.11 萬元引進高大邊坡監(jiān)測網(wǎng)，建立起由地面GPS 自動監(jiān)測系統(tǒng)、固體式測斜儀自動監(jiān)測系統(tǒng)和降水量監(jiān)測系統(tǒng)3 個系統(tǒng)組成的監(jiān)測網(wǎng)。實現(xiàn)邊坡監(jiān)測數(shù)字化、自動化和精確化，有效提高了邊坡管理的水平；2015 年建設(shè)邊坡監(jiān)測預(yù)警可視系統(tǒng)，對一、二期邊坡監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)進行深度加工，使它變成直觀的、可視化的顯示，并在內(nèi)外網(wǎng)上查看應(yīng)用；隨著采場的推進，2018 年投入258 萬元開始邊坡預(yù)警網(wǎng)三期建設(shè)，進一步完善邊監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。同時投入160 萬元對一二期預(yù)警網(wǎng)維護。該監(jiān)測系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)了邊坡位移實時監(jiān)測和分級預(yù)警功能，并制定了《邊坡預(yù)警制度》。布沼壩露天礦屬于深凹型露天礦，隨著露天開采的進行，采場深度和排土場高度不斷增加，滑坡地質(zhì)災(zāi)害逐漸顯現(xiàn)，邊坡安全十分重要。為實現(xiàn)對邊坡的動態(tài)監(jiān)測，露天礦使用了連續(xù)運行參考站系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、現(xiàn)代計算機管理技術(shù)、數(shù)字通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集于一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的引入為監(jiān)測工作帶來便利的同時，工作效率和邊坡安全管理水平也得到大大提高。同時，露天礦為該系統(tǒng)的建設(shè)和維護也投入了大量的資金，至今已累計投入976.11 萬元，而且監(jiān)測點的監(jiān)測主要為點式監(jiān)測，覆蓋廣度存在盲點。通過無人機技術(shù)的引進，很好的解決了邊坡監(jiān)測的盲點問題，也使監(jiān)測成本大大降低。

3）邊坡穩(wěn)定性分析。布沼壩露天礦委托設(shè)計單位或科研所進行專門的邊坡工程、地質(zhì)勘探工程和穩(wěn)定性分析評價并認真審核，對不符合實際情況的提出意見和建議。非工作幫形成一定范圍的到界臺階后，定期進行邊坡穩(wěn)定分析和評價，對影響生產(chǎn)安全的不穩(wěn)定邊坡采取安全措施。工作幫邊坡在臨近最終設(shè)計的邊坡之前，對其進行穩(wěn)定性分析和評價。當原設(shè)計的最終邊坡達不到穩(wěn)定的安全系數(shù)時，修改設(shè)計或者采取治理措施。長遠和年度采礦工程設(shè)計，進行邊坡穩(wěn)定性驗算，達不到邊坡穩(wěn)定要求時，修改采礦設(shè)計或者制定安全措施。

4）防排水設(shè)施建設(shè)。布沼壩露天礦邊坡排水措施包括坡面排水措施、坡面以外的截水措施和坡內(nèi)深部疏干排水措施[4]。坡面防水主要是封閉坡面存在的裂縫、裂隙和落水洞等。常用的方法是沿裂縫向下挑溝，然后夯填、整平，地表截水渠則是截坡面以外的客水，在滑坡左右兩側(cè)及后緣設(shè)置地表截水渠，攔截滑坡體以外的客水，使其不會進入滑坡體內(nèi)。布沼壩露天礦在采場與排土場上部均設(shè)計構(gòu)筑防洪溝。采場建有從西幫經(jīng)北幫向東匯入南盤江、沿南幫一期境界地表向東匯入南盤江的防洪溝，坑底建有排水泵房，疏干孔排水用作生活區(qū)用水。龍橋排土場采用了分段防洪溝截洪。設(shè)置了1 525 m 水平防洪溝，在1 525 m 水平防洪溝的東北部再設(shè)置1 400 m防洪溝上段，由南向北，通過原1 400 m 防洪溝經(jīng)北幫排水溝流入南盤江；1 525 m 防洪溝和原1 325 m防洪溝下段，由北向南引出排土場流入盤山水溝，經(jīng)南洞溝流入南盤江。

3 無人機邊坡巡查特點

無人機巡查覆蓋范圍廣，巡查效率高，特別是人員車輛無法到達地點的巡查，使得巡查效率和安全性得到很大提高。露天礦利用固定翼無人機完成大范圍測量任務(wù)及巡查任務(wù)，通過無人機攝影測量技術(shù)獲取一系列的點云數(shù)據(jù)，能高效、精確代替大量人工外業(yè)工作[5]，同時利用小型旋翼無人機進行邊坡重點部位、防洪溝的巡查，特別是雨后巡查，實現(xiàn)了礦山生產(chǎn)環(huán)節(jié)的可視化和數(shù)字化。無人機的引進，使得巡查由傳統(tǒng)的點線巡查向平面覆蓋發(fā)展，巡查精度更高，巡查成本得到控制。面對邊坡巡查的重要工作任務(wù)，在數(shù)字化技術(shù)和無人機技術(shù)快速發(fā)展的今天，采用無人機巡查和數(shù)字化向結(jié)合的方式進行邊坡檢查管理的優(yōu)勢十分明顯。使用及操作也越來越便捷，在日常的邊坡管理工作中，利用無人機航拍結(jié)合智能軟件分析加控制點插入來取代傳統(tǒng)的人工巡查和簡單儀器測量[6]，讓邊坡檢查的效率和準確性不斷提高，同時成功避免了特殊地段邊坡巡查中人員的潛在危險。

無人機技術(shù)在邊坡管理方面實際應(yīng)用效果顯著，但限制因素仍然很多，主要由無人機自身性能約束、外界環(huán)境約束以及任務(wù)要求3 個方面[7]。如：航空管制、無人機飛行控制技術(shù)、GPS 定位精度和作業(yè)要求等。由于近年“黑飛”導(dǎo)致的事故日益增多，各地均出臺了不用的無人機管理辦法，對于大型固定翼無人機，作業(yè)前需進行報飛，飛行計劃的執(zhí)行具有不確定性。作業(yè)過程中，風力、通視條件等因素會對測量精度造成影響，對無人機自身飛行控制技術(shù)及氣候環(huán)境條件有一定要求[6]。

4 無人機邊坡管理應(yīng)用

2019 年，露天礦通過項目招標，引進礦山生產(chǎn)可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的固定翼無人機搭載攝像頭進行傾斜攝影測量，獲取地形影像數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)中巖體結(jié)構(gòu)面被抽象為數(shù)以百萬記的三維坐標點[8]，經(jīng)處理后上傳至可視化交互系統(tǒng)，融合生產(chǎn)設(shè)計、測量收驗方、地質(zhì)數(shù)據(jù)、邊坡監(jiān)測等模塊，使露天礦生產(chǎn)組織和地質(zhì)剖面分析更加直觀和精確，提高測量精度的同時實現(xiàn)了三維模型的大量數(shù)據(jù)的收集。最后通過對比，得出邊坡體邊坡軌跡及變形速率，為邊坡變形預(yù)測、預(yù)報提供有力數(shù)據(jù)支持。

同時，針對特殊地段低空飛行任務(wù)及減少空域管制影響，利用小型旋翼無人機進行高陡邊坡和復(fù)雜地形邊坡巡查及影響資料收集，實時傳輸圖像，提高邊坡巡查工作效率和安全性。

充分利用現(xiàn)有交互系統(tǒng)，建立露天礦“一張圖”系統(tǒng)，將地質(zhì)、測量、防排水、供電、生產(chǎn)管理等不同功能的礦圖進行統(tǒng)一處理，存儲在統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，建設(shè)基于“統(tǒng)一存儲、協(xié)同工作”模式的礦區(qū)圖件管理服務(wù)平臺。整合和建立地質(zhì)模型、邊坡監(jiān)測多模塊協(xié)同的空間數(shù)據(jù)庫，建立統(tǒng)一平臺的露天礦邊坡管理信息系統(tǒng)平臺，實時查詢坡面及鉆孔、地層信息，進一步實現(xiàn)無人機邊坡管理智能化。

5 結(jié)語

總結(jié)歸納并分析了無人機技術(shù)在露天礦巡查、監(jiān)測及礦山測量工作中的具體應(yīng)用，闡述了目前無人機技術(shù)在露天礦應(yīng)用過程中存在的主要優(yōu)點和限制因素，同時對目前布沼壩露天礦邊坡管理及基于可視化系統(tǒng)的邊坡管理工作模式、工作內(nèi)容做了簡要介紹。提出了未來無人機利用的規(guī)劃，為后續(xù)邊坡管理的科技化、信息化及礦山智能化建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。