露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術現(xiàn)狀及進展

潘奇波

（中國神華能源股份有限公司 哈爾烏素露天煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017100）

1 引言

露天礦山在生產(chǎn)過程中，由于開采、運輸及排棄等作業(yè)，形成了大量的人工邊坡。這些邊坡在長期高強度的開采擾動以及外部環(huán)境條件等因素作用下，常常發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，甚至引起滑坡和泥石流等各種地質災害，導致大量人員傷亡和巨額的經(jīng)濟損失[1,2]。由此可見，露天礦邊坡穩(wěn)定是確保露天礦山安全生產(chǎn)的重要保障之一。邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)往往導致巖土體物理力學性能參數(shù)（如位移和壓力等）的變化，監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性能夠有效地捕捉到這些參數(shù)的變化，掌握邊坡巖土體變形破壞規(guī)律，并進行邊坡失穩(wěn)預警。因此，露天礦邊坡監(jiān)測對確保露天礦邊坡穩(wěn)定有著十分重要的意義。目前，最能直接體現(xiàn)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)的是邊坡變形特征[3]。邊坡位移監(jiān)測通過監(jiān)測邊坡巖土體的位移，獲得邊坡變形區(qū)域分布、變形類型和變形時間，建立變形演化與邊坡穩(wěn)定性間的關系，進而對露天礦山邊坡變形趨勢進行預測和失穩(wěn)預警。

本文將露天礦邊坡位移監(jiān)測分為表面位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測這兩種，通過分析近年來露天礦邊坡位移主要監(jiān)測技術的基本原理以及適用范圍，總結邊坡監(jiān)測的主要問題及未來發(fā)展方向，為露天礦邊坡安全監(jiān)測提供參考。

2 露天礦邊坡表面位移監(jiān)測

2.1 傳統(tǒng)大地測量法

傳統(tǒng)大地測量法主要是利用測量儀器（如經(jīng)緯儀、水準儀和全站儀等）對邊坡變形監(jiān)測點進行位置變化測量監(jiān)測，并通過對監(jiān)測點的定期監(jiān)測，計算獲得邊坡表面變形，并分析邊坡變形特征和評價邊坡穩(wěn)定性。由于該方法具有操作簡單和成本低等特點，因而在露天礦邊坡的監(jiān)測中得到了十分廣泛的應用。其缺點是需要布設大量的監(jiān)測點來獲取邊坡整體變形情況，效率較低且工作量大，一旦突發(fā)滑坡等地質災害將會對工作人員生命和儀器設備構成威脅，同時受地形、外部環(huán)境和氣候等因素的影響也較大，目前正在逐漸被其他監(jiān)測方法所取代。

2.2 測量機器人監(jiān)測技術

測量機器人監(jiān)測技術主要是利用智能型電子全站儀對露天礦邊坡監(jiān)測點進行自動搜索、跟蹤、辨識和測量，快速定位并獲取定點的位置及坐標信息，并根據(jù)安全閾值進行自動預警，以實現(xiàn)對邊坡變形的實時自動監(jiān)測，通常用于滑坡發(fā)生后的應急預警。該監(jiān)測技術在計算機的控制下，可實現(xiàn)對大量目標的全天無接觸自動遙測，因其具有自動化程度高、監(jiān)測效率高以及無需操作人員等優(yōu)點，可大大減少人為因素的影響，在各大露天礦中得到了廣泛運用。但由于該監(jiān)測技術對點間通視情況有一定的要求，受外界環(huán)境（如霧雨天氣、揚塵等）的影響較大，且隨距離的增加，其精度逐漸降低，且當監(jiān)測點布設數(shù)量較多時，需要的棱鏡數(shù)量較多，需要投入更多的設備，限制了其監(jiān)測范圍[4]。

2.3 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）技術是利用固定在露天礦邊坡監(jiān)測點上的信號接收器來接收衛(wèi)星信號，實時獲取監(jiān)測點的空間坐標信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)傳輸模塊傳送至控制中心，通過與初始三維坐標信息對比得出監(jiān)測點的坐標變化，同時安全評價預警模塊根據(jù)設定的預警值進行報警，以實現(xiàn)對邊坡變形的實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)大地測量法相比，GNSS 不僅能實現(xiàn)高精度監(jiān)測，而且自動化程度高，布設方便，數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動化處理，能實現(xiàn)連續(xù)實時不間斷監(jiān)測，并不受天氣和氣候的影響。目前，GNSS 技術已廣泛應用于露天礦邊坡監(jiān)測中，其監(jiān)測精度可達到毫米級，目前也是露天礦邊坡主要的監(jiān)測技術。但目前該監(jiān)測技術只能進行實時預警而無法預測邊坡的未來走勢，由于監(jiān)測點的布置分散不易獲取邊坡表面的整體變形情況，而監(jiān)測點的加密布設，也將導致人力和設備成本的增加。

2.4 攝影測量技術

攝影測量技術主要是借助專業(yè)相機或者無人機等攝影設備獲取邊坡表面影像，然后根據(jù)實時影像解譯獲取監(jiān)測區(qū)域邊坡特征點的三維坐標信息并建立三維點云模型，通過對比前后不同時期邊坡數(shù)字高程模型特征點位置的變化，分析計算邊坡整體的位移量，以此判斷邊坡的變形情況并預測邊坡整體的變化趨勢。與傳統(tǒng)點式監(jiān)測方法相比，該監(jiān)測技術具有操作靈活簡便、無接觸快速測量、可以在相對惡劣環(huán)境下作業(yè)、適用于大范圍的邊坡監(jiān)測等優(yōu)點，但是存在設備昂貴、監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)處理復雜和精確度較低等缺點。

2.5 地面三維激光掃描技術

地面三維激光掃描技術主要是利用三維激光掃描儀發(fā)出紅外激光脈沖掃描露天礦邊坡表面，快速獲取邊坡表面點的位置及坐標信息，形成對整體邊坡表面變形特征的實時監(jiān)測，同時三維激光掃描儀也可分為移動式和固定式兩種以滿足不同情況下的需求。相較于攝影測量技術，該監(jiān)測技術無需布設像控點，能夠實現(xiàn)自動、快速且連續(xù)獲取邊坡表面位置數(shù)據(jù)，并具有非接觸式測量、數(shù)字化采集、兼容性高、采樣頻率高、分辨率高、精度高、快速測量等優(yōu)點[5]。但該監(jiān)測技術得到的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的散亂性，缺乏實體特征參數(shù)，如若監(jiān)測范圍較大，將大大增加數(shù)據(jù)處理難度，且容易引起結果精度降低的弊端。而且監(jiān)測數(shù)據(jù)只能反映邊坡表面形變，要求能見度高，對邊坡反射率要求也很高，目前部分設備使用壽命有限，硬件故障率偏高。

2.6 遙感測量監(jiān)測技術

相較于傳統(tǒng)地面測量監(jiān)測技術，遙感測量監(jiān)測技術能更加準確直接地獲取地表的空間信息。合成孔徑雷達干涉技術作為遙感測量監(jiān)測中應用最廣泛的一種，其主要是基于主動式微波遙感和干涉測量技術，利用側視成像傳感器向露天礦邊坡表面發(fā)射電磁波，而后接收從邊坡表面反射的電磁波并生成標準影像。通過采集同一區(qū)域不同時期的影像，并對其進行干涉和解譯處理，獲取邊坡表面任一點位置的變化，以達到對邊坡整體變形趨勢分析的目的[6]。該監(jiān)測技術彌補了單點測量的不足，可全天候遠距離實時獲得大范圍邊坡表面變形信息，應用前景十分廣闊。但是該監(jiān)測技術受大氣延遲、處理方法和軌道誤差等因素的影響，測量監(jiān)測結果容易產(chǎn)生偏差，同時對小變形的測量監(jiān)測，其有效性受到一定的影響。

3 露天礦邊坡地下位移監(jiān)測

3.1 傳統(tǒng)地下變形測量法

傳統(tǒng)地下變形測量法主要是利用固定在露天礦邊坡深部的位移測量儀器（鉆孔測斜儀和鉆孔多點位移計等）測量邊坡內部各測點角度和位移量的變化，實現(xiàn)對邊坡內部變形的實時監(jiān)測，同時能夠判斷出滑面位置。該方法具有成本低和測量精度高等優(yōu)點，已被廣泛應用于邊坡監(jiān)測中。

3.2 聲發(fā)射（微震）監(jiān)測技術

聲發(fā)射（微震）監(jiān)測技術主要是在邊坡巖土體中埋設一定數(shù)量的聲發(fā)射探頭，采集巖土體內部發(fā)生破裂時所產(chǎn)生的應力波轉換成的聲發(fā)射信號，分析接收到的聲發(fā)射信號，在此基礎上建立邊坡穩(wěn)定性與聲發(fā)射特征參數(shù)的關系，并分析邊坡內部變形破壞區(qū)域和程度，為最終實現(xiàn)邊坡整體穩(wěn)定性評價提供重要的科學依據(jù)[7]。聲發(fā)射信號強弱與邊坡變形存在顯著的正相關性，該監(jiān)測技術不受外界氣候環(huán)境的影響，能夠較為準確地自動、實時、連續(xù)監(jiān)測邊坡變形情況，并能夠實現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的提前預警。但是該監(jiān)測技術受巖土體復雜結構特征和探頭穩(wěn)定性的影響，線路鋪設較為困難，而且容易受到其他外界干擾波源的影響，監(jiān)測效果會受到一定程度的影響，導致難以確定滑面位置，同時目前該監(jiān)測技術的監(jiān)測預警大多是基于經(jīng)驗判斷，缺乏對比分析驗證，通常情況下僅用于監(jiān)測邊坡臨滑階段的變形。

3.3 時域反射技術

時域反射技術主要是將同軸電纜安裝在預設鉆孔中并作灌漿處理，以同軸電纜為傳感器，時域反射儀對同軸電纜發(fā)射脈沖信號，通過監(jiān)測同軸電纜產(chǎn)生局部變形時產(chǎn)生的反射信號，當邊坡某處發(fā)生變形時，電纜產(chǎn)生剪切和拉伸變形，使得同軸電纜阻抗發(fā)生變化，由此可以確定邊坡體內部的變形情況，以實現(xiàn)對邊坡變形趨勢的分析[8]。該監(jiān)測技術具有監(jiān)測速度快、自動化程度高、布設成本低和監(jiān)測結果準確性好等優(yōu)點。但該監(jiān)測技術的監(jiān)測范圍較小、時效性較差，通常應用于邊坡變形前，而且與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，無法確定滑坡移動的方向，也難以準確測定其位移量，在一定程度上應用受到了限制，在實際應用中一般與其他方法聯(lián)合監(jiān)測，互相彌補不足。

3.4 分布式光纖傳感監(jiān)測技術

分布式光纖傳感監(jiān)測技術是以光時域反射技術為基礎，以光纖作為傳感器和傳輸信號介質，將分布式傳感光纖埋設于邊坡體內，實時探測埋設光纖不同位置的特征參量（相位、振幅和波長等）的變化，獲取埋設光纖整體的變化特征，并以此分析巖土體的變形特征，達到對邊坡變形區(qū)域分布特征及穩(wěn)定狀態(tài)分析的目的。目前常用的方法有布里淵光時域反射、布里淵光時域分析和光纖布拉格光柵等[9]。與傳統(tǒng)傳感器監(jiān)測技術相比，該監(jiān)測技術穩(wěn)定性和抗腐蝕性更強、傳輸距離長、耐久性和靈敏性更好。但在實際邊坡監(jiān)測中，光纖由于受外部環(huán)境影響容易發(fā)生斷裂，這將影響數(shù)據(jù)的監(jiān)測。此外，由于露天礦大多位于高寒地區(qū)，光纖容易受外部溫度變化的影響，進而影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

4 露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的主要問題

針對露天礦邊坡不同監(jiān)測技術的分析和研究，筆者認為主要存在以下3 個問題：

第一，目前露天礦邊坡監(jiān)測主要以邊坡表面變形監(jiān)測為主，缺乏對邊坡巖土體內部變形破裂特征的監(jiān)測，較難實現(xiàn)對實際邊坡變形破壞規(guī)律的掌握。目前，露天礦邊坡穩(wěn)定性分析主要以邊坡表面變形分析為主，對邊坡內部巖土體的變形破裂監(jiān)測不夠重視。這導致常常較難分析邊坡漸進破壞過程及變形破壞機理，容易造成對邊坡穩(wěn)定性分析的不及時，達不到邊坡監(jiān)測的主要目的。第二，邊坡監(jiān)測參數(shù)主要以變形為主，評價邊坡穩(wěn)定性的指標單一，具有一定的局限性。露天礦邊坡失穩(wěn)往往是多因素共同作用的結果，主要表現(xiàn)為變形、巖土體應力變化和聲發(fā)射信號異常等現(xiàn)象。而目前在露天礦邊坡監(jiān)測中，主要使用監(jiān)測點變形的量級和速率等指標來分析邊坡的變形特征。這種常規(guī)單一的參數(shù)指標容易造成邊坡穩(wěn)定性的判斷不準確和不及時。第三，缺乏多種邊坡監(jiān)測技術的數(shù)據(jù)融合和智能邊坡動態(tài)穩(wěn)定性綜合評價體系。雖然可以使用多種監(jiān)測技術協(xié)同監(jiān)測，在一定程度上解決了單一監(jiān)測方法的局限性，但是目前往往是對多種監(jiān)測方法的結果進行對比驗證分析，而不是對多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效融合，并未從根本上分析邊坡變形失穩(wěn)特征和多種監(jiān)測數(shù)據(jù)間的關聯(lián)，同時監(jiān)測數(shù)據(jù)與滑坡力學理論未建立深入聯(lián)系，沒有形成多參數(shù)的智能邊坡穩(wěn)定性綜合評價體系，導致實際的邊坡穩(wěn)定性評價仍然處于單參數(shù)或多個單參數(shù)評價分析的狀態(tài)。

5 露天礦邊坡監(jiān)測的發(fā)展趨勢

前文通過對露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測方法和主要存在問題的分析，筆者認為露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測未來發(fā)展應從以下幾個方面展開：

第一，實現(xiàn)露天礦邊坡坡體內外一體化監(jiān)測。無論是對露天礦坡體表面還是坡體內部的監(jiān)測，單一的監(jiān)測技術和手段均存在明顯不足。而采用坡體內外一體化監(jiān)測，將邊坡表面區(qū)域變形監(jiān)測與內部滑面監(jiān)測相結合，取長補短，實現(xiàn)了邊坡巖土體表面變形和內部滑動的全方位監(jiān)測，不僅可以克服單一監(jiān)測方法的局限性，還可以提高監(jiān)測精度和節(jié)約監(jiān)測成本。第二，實現(xiàn)露天礦邊坡監(jiān)測多源數(shù)據(jù)有效融合。對于不同的邊坡監(jiān)測方法，監(jiān)測數(shù)據(jù)的形式和類型均有所不同，如表面位移監(jiān)測有點數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)等，地下位移監(jiān)測有微震數(shù)據(jù)和位移數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)間均存在內在聯(lián)系，彼此之間相互影響、相互關聯(lián)，同時均能夠在一定程度上反映出邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，建立坡體內外位移數(shù)據(jù)、微震與位移數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，實現(xiàn)露天礦邊坡監(jiān)測多元數(shù)據(jù)有效融合，能夠深入掌握邊坡穩(wěn)定性的變化機理，提高監(jiān)測有效性。第三，建立智能邊坡動態(tài)穩(wěn)定性綜合評價體系。從邊坡監(jiān)測角度來說，利用力學理論將不同監(jiān)測方法得到的監(jiān)測數(shù)據(jù)相互關聯(lián)，揭示露天礦邊坡巖土體變形破壞規(guī)律，為邊坡穩(wěn)定性動態(tài)評價提供了判別指標，同時將大量邊坡工程實踐案例綜合利用，建立邊坡災害大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對隱患點智能識別、風險評估以及失穩(wěn)預警。

6 結語

第一，目前露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術形式多樣，本文從表面位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測兩個方面對露天礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術進行了綜合分析，對實際邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術的選用提供了參考。第二，現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術各有特點和適用范圍，采用單一的監(jiān)測手段難以有效地反映邊坡表面變形趨勢以及內部滑動狀態(tài)，應采用坡體內外一體化監(jiān)測技術實現(xiàn)對露天礦邊坡穩(wěn)定性的高效和準確監(jiān)測。第三，露天礦邊坡處于一個復雜的環(huán)境中，其穩(wěn)定性發(fā)生著動態(tài)變化。通過將多元數(shù)據(jù)進行有效融合和建立智能評價體系能夠實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的動態(tài)評價，對保障露天礦山安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實意義。