GNSS 监测技术在露天矿边坡监测预警中的应用

时间：2024-07-28

任学锋，黄科伟，李营作

（1.准格尔旗窑沟乡厅子堰煤矿有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.北方工业大学土木工程学院，北京 100144）

随着矿山采掘深度的加深，露天采场边坡稳定性问题日益显现，边坡安全受着采矿、降雨、爆破等活动变形影响，呈现出复杂化、频繁化的特点[1-2]。随着科技发展，露天矿监测技术由原先常规简单的监测，向着智能化、精度化、自动化边坡监测预警技术发展[3-4]。

边坡监测是对边坡变化趋势进行预测、破坏进行预警，主要由点、面以及单元来监测表面土体位移，深部位移和宏观位移。吕斌等[5]应用合成孔径雷达监测技术预测降雨前后边坡稳定性；兰舜涯[6]将边坡雷达应用于四川某铁矿高陡边坡变形提前预警；李玲玲等[7]应用监测系统GPS 解算边坡位移数据，水平精度至3～5 mm，垂直精度至5～8 mm；王涛等[8]在矿山边坡中应用滑动式测斜仪明确了潜在的滑动弱面，为边坡治理提供科学依据；丁辉[9]在霍林河露天矿构建综合监测预警，有效预防滑坡灾害；钟小宇等[10]在哑巴岭露天采场应用GNSS 技术实时监测，对边坡变形及时预警。

如何根据边坡情况选取合适的监测方法，构建滑坡应急响应机制，获取边坡变形数据，为边坡变形进行预测亟需解决。D-InSAR 系统精度高、监测范围广，但监测信号容易被干扰，维护成本高，图像处理较复杂；三维激光扫描技术能直观反映边坡位移情况，但受环境影响大，位移变化波动大；GNSS 监测系统具有相比其他实现了毫米级别的精度，能够对于范围内持续监测，对于抗干扰能力强，故可以反映边坡时空变化规律，为滑坡等灾害提前预警[11-12]。基于此，将GNSS 边坡监测系统应用于露天矿边坡监测中，为边坡稳定性，煤炭安全生产提供技术支持。

1 工程概况

露天矿煤田位于准格尔煤田窑沟露天精查区北部，矿田面积4.0 635 km2，产能300 万t/a。矿田地貌呈树枝状冲沟状，支离破碎、沟谷纵横、沟深且陡，地表为固结黄土与风积砂。矿区地形南高北低，东西两侧高，中间低。最高点位于矿区南部的南梁附近，海拔1 290 m，最低点位于矿区北部的窑沟，海拔1 153 m，相对高差137 m。所在地区年总降水量238～732 mm，降水多集中在7—9 月，占年总降水量的60%～70%，且多为雷暴雨，最大日降水量可达96 mm。

工程地质边坡岩层可划分为软弱岩组、松散岩组2 类；含煤地层多以碎屑岩为主，局部夹碳酸盐岩。

2 边坡监测

2.1 GNSS 监测技术原理

GNSS 自动化监测系统主要由硬件系统（传感器、数据采集模块、数据传输模块）和软件（数据库、数据处理与控制模块、安全评价预警模块）组成。

GNSS 监测系统监测点实时采集边坡数据信号，经过传输模块传送至控制中心，通过数据处理计算每个监控点的三维坐标，并与初始三维坐标进行比较，得出监控点的变化，由此得出边坡变形量、变形速率，变形加速度等。当监测出边坡变形量达到设置的预警值时，发出预警，以便工作人员提前做出预防措施[13]。

2.2 边坡监测方案

随着煤矿剥采的进行，边坡形态动态演化，临空面的的增加，致使边坡变形加剧，特别是软弱岩层和松散岩层。故在排土场和采掘场共布设11 条监测线，33 个监测点。监测点分布在北部排土场，采场南部工作帮、排土场东帮及采场东帮大致5 个范围，边坡的沉降和位移变形监测选用R/HYB2000 型便携式边坡雷达和RTK 型GPS 系统。边坡变形数据由监测点利用监测设备实测采集，通过GNSS 监测平台自动传输、处理和储存，便得到了各个监测点的x、y、z 的偏移量、位移变化速率等。

3 边坡监测数据分析

滑动失稳时常表现为边坡的整体失稳，即滑动体大面积坍塌，通过监测点布置使潜在的滑动体完全覆盖，能对大范围潜在滑动体实时监控。对露天矿采场和排土场边坡进行数据采集，共收集1 480 743条数据。基于采集的数据，选取北帮4 个监测点半年的数据（2022 年1 月1 日—2022 年6 月30 日），进行边坡监测数据分析。

3.1 位移监测分析

边坡监测点累计位移变化规律如图1。

图1 边坡监测点累计位移变化规律

边坡变形位移变化虽偶有波动但总体上趋于稳定。GPS06 监测点h 偏移量一直稳步增加，在2022年6 月28 日19:10 分达到最大值为-248.3 mm，x、y偏移量围绕0 刻度线波动，偏移量上下幅度在±12 mm 以内。GPS07 监测点h 偏移量在04-13T 6:50 达到最大170 mm；x 偏移量在05-29T14:50 累计位移最大-196.9 mm，y 偏移量在±15 mm 以内；虽然x、h 偏移量累计变化量大，大体上先增加后慢慢减小之后，开始反向偏移。GPS08 监测点，虽有来回波动，但总体偏移量小，在25 mm 以内。GPS09 监测点前期稳定变化，但从3 月24 日变化开始加快，直至5 月1号以后趋于稳定；x 偏移量在06-27T 20:50 时累计位移最大57.9 mm，y 偏移量在04-25T 16:50 达到波顶55.7 mm，h 偏移量在06-28T 19:50 时达到顶峰-65.1 mm 后开始回移（正负号表示变形方向）。

3.2 预警分析

在边坡滑坡灾害发生时，会有1 个短暂的预发时段，为及时监测出边坡变形的实时变化，数据收集系统设置为每隔10 min 收集1 次数据。露天矿所在地区解冻时间在四月初，结合图1 的数据可知边坡累计位移曲线变化率。监测点预警变形如图2。

图2 监测点预警变形图

通过观察，GPS06 监测点稳步发展，且位移速度都在11.5 mm/s 以下，处于变形启动阶段。GPS07 点最大位移速度为15.3 mm/s，发展为初加速阶段。GPS08 监测点基本保持稳定，发展速度维持在7.8 mm/s 以下。GPS09 监测点在3 月中旬至5 月中旬变化加剧，分析得出在4 月3 日6:10 时速度达到最大29.3 mm/s，之后降低趋于稳步发展。

由边坡变形观测数据处理分析可知：3 月底至4月中旬，边坡变形普遍加剧；由于气候回暖、冻土融化，体表水下渗，削弱了表层岩土的整体性，致使变形加剧。露天煤矿采掘场边坡主要为软岩，排场排弃物较松散；同时，采场作业、爆破震动等因素影响边坡稳定性，岩体位移加剧。故在边坡防治措施中，应加强边坡监测结合人工巡查，及时发现并反馈特殊险情，并制定应急处理措施。