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边坡监测技术综述边坡监测技术综述 摘 要：边坡监测是露天矿不可少的测量工作，通过阅读十四篇中文文献和两篇外文文献，本文总结了一些国内外边坡监测方法和露天矿边坡监测的特点、目的和原理。关键词：边坡监测；露天矿；监测方法；目的；原理1 边坡监测的概述地质灾害是影响和危险露天矿安全和生产其中之一，综合影响的原因，包括地质构造，岩性，水，地下环境和露天采矿，内部塌陷，爆破振动，设备动态负载和其他因素。因此，高效、准确的监测露天矿的边坡的变形是一个重要的研究课题1。1.1 露天矿边坡特点(1)边坡为岩石物质的较多，边坡幅度比较高，边坡相对较陡，安全系数比较低。(2)因为矿体常年开采，所以露天矿边坡逐渐增高，因此，就有一定的开采危险2。(3)自然风化直接影响矿体裸露地方，并经常受如爆破等因素影响。(4)如果是金属类型的矿体，因为受到浅部构造的影响，具有比较复杂的工程地质条件3。1.2 露天矿边坡监测的目的 露天矿的边坡一般是临时或半永久性的，边坡变形在露天矿开采中是普遍存在的现象，为了避免灾害，如果发现位移速度急剧增大时，应立即撤出人员，采掘、运输设备。以确保人员和财产的安全。通过监测变形的规律，可以进一步的研究边坡变形的原因，预报灾害，为以后的边坡设计积累经验。提供边坡稳定性分析的基础资料，预报滑坡。还可以依据观测资料了解和掌握滑坡的形态、规模和发展趋势，以便采取相应的处理措施，保证露天矿山生产安全、高效、经济的开采4。1.3 监测的原理边坡崩塌或滑坡，岩石群和土壤的向边坡下运动，是由于边界处的物体运动，发生剪切破坏的结果5，边坡岩体的位移，直接反映边坡岩体的移动范围、移动量的大小、移动的速度和应力场演变规律，同时也反映边坡的稳定程度。边坡受到力的作用从变形到最终破坏，通常要经历一个相当长的演化过程。边坡失稳的发展过程，往往伴随着一系列边坡地表、地下的宏观与微观变形现象。包括边坡地表的位移、地面裂缝的出现和发展、地下滑动面的形成等。根据边坡岩体的移动范围、移动量的大小、移动的速度快慢能够直观的反映边坡的发展和变形规律。由于获得的是滑体位移形变的直观信息，特别是位移形变信息往往成为预测预报的主要依据之一。在滑坡发生前，边坡岩体内应力会连续发生变化，在滑动力大于抗滑力后，边坡岩体会发生变形和滑动。从本质上讲滑坡是边坡应力平衡失衡新的平衡的过程， 通常要经历相当长的时间。边坡岩体的位移监测虽然能够直观的反映滑坡的整体趋势，但单一的只从“现象监测”很难把握精确的滑坡时间。边坡应力远程监测方法的基本原理是:首先给边坡施加一个预应力参加到边坡的应力平衡中，由于施于边坡的预应力属抗滑力，当边坡内应力产生有利于滑坡的变化时，通过观察预应力的变化，对边坡的稳定做出判断和预报。2 监测方法国内外采用的传统的监测仪器和方法有：(1)坡表大地测量（经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等）；(2)GPS监测；(3)位移计；(4)红外遥感监测法；(5)激光微小位移监测；(6) 合成孔径雷达干涉测量（ SARinterferometry，INSAR）；(7)时间域反射测试（TDR）技术；(8)坡体内部的钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压监测仪等；(9)声发射监测技术等6。下面就依次列举几种方法的具体实施方法。2.1 坡表大地测量监测露天矿边坡导线法是我们最常用的露天矿边坡检测法。在此基础上再配合水准测量法对工作点的高度进行测量。进行观测工作时要将全部观测点埋设1015天后才可以，观测时要将露天矿的基本控制网点和观测站的控制点并联进行观测，平面联测工作5秒经纬仪导线或5秒小三角进行，四等级的水准进行高层联测。并联后的观测点，即可按露天矿I级高程和露天矿I级导线测量方法和精度要求对工作点的高程和片面位子进行测定，两次测定要相互独立，如果两次测量结果的平面坐标均符合露天矿I级经纬导航仪的精度要求，则原始数据位测量值的平均值。如果想要在以后观测时能更方便一些，那么在计算各点的平面坐标时，应采用以观测线方向(以观测线两控制点方向为x轴，以据观测点较近的控制点为坐标原点的假定坐标系统)。导线法方法简单，但是它受观测条件因素的影响大，如观测者的认为误差，气象条件和观测时间不同的影响，观测仪器的本身精度，还可能与其他的工作发生冲突，不能实时监测精度低，内业繁琐7。2.2 GPS监测露天矿边坡GPS监测有下列三种方案。(1)GPS静态测量(2)GPS快速静态测量(3)GPS-RTK测量GPS静态测量精度最高，但需要时间较长，即使是快速静态测量也需要一定时间。完成任务需要的时间过长，所以一般不采用前两种方案。方案中选择用静态布网，采用RTK技术进行动态观测8。(1)根据布设的需要，依据GPS网技术要求布置边坡监测控制网。计算GPS网的相邻点弦长精度：静态布网时GPS接收机测得是大地高，为了让高程与现状更好的吻合，在进行基线解算时，应加入多的水准点。(2)GPS-RTK原理RTK测量时需要1台基准站和多台流动站，以及传输设备。基准站架在已知点，把已知数据和载波相位观测值传输到流动站，这样流动站将所采集的GPS数据和来自基准站的数据利用RTK数据处理软件进行实时相对定位，进而得到三维坐标。GPS-RTK能很快的得到符合要求的多个点的三维坐标，而且可以全天候，操作方便，点与点之间不需要通视9，但是GPS-PTK也有缺点，比如当流动站里基准站距离较远时，误差的相关性降低，所以不能很好的进行定位。再者流动站的数据依据的是基准站，要是基准站出现问题，那么流动站的测量数据可靠性差。 2.3 位移计监测露天矿边坡当被测结构物发生位移变形时将会通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆再拉动位移计的拉杆产生位移变形。位移计拉杆的位移变形传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物的变形量。2.4 近景数字摄影测量技术在矿边坡位移增量测量中的应用采用近景数字摄影测量矿边坡位移增量主要分为两个部分，一是外业测量，二是将测量结果进行软件对比分析。采用近景数字摄影测量技术进行矿边坡位移增量的外业测量时主要是进行数据的采集，而将测量结果进行软件对比分析主要是进行数据与图像的处理。近景数字摄影测量技术利用计算机视觉和数字近景摄影测量的原理，实现了全自动数字近景摄影测量，提高了矿山开采的效率。近景数字摄影测量技术在工程测量中主要是通过地面摄影和少量的外业控制点，然后经过影像匹配和空中三角测量获取所摄目标的密集点云。在获得了所摄目标的点云后即可用其生成DEM、正射影像和三维景观图，并且还能够自动生成等高线。利用近景数字摄影测量技术测量矿边坡的位移增量时，获得了边坡的点云和DEM后可以采用两种方法实现对边坡变形的测量。一种是基于点的检测，另一种是采用专用的DEM 比较模块。对于基于点的检测而言，在摄影之前，首先要在重点监护区设置好标志点，然后就可以在立体模块中通过增加同名点的方式来获取标志点的坐标。另外，不同时段摄影之前所选择的标志点时，也将会得到不同时期的变形情况。采用专用的DEM比较模块来实现边坡位移增量测量主要是将前后两次摄影所生成的DEM文件相减，从而获得前后两次边坡变形后的体积变化情况以及边坡上最大点的变形值，而且，利用DEM相减后的影像可以很直观的看到边坡的变化情况10。2.5 GB-InSAR监测露天矿边坡InSAR是SAR的一个重要应用，在近十几年中得到了迅速的发展，利用InSAR数据的相位信息提取地面的高程信息，主要应用于提取地面DEM和监测地表形变，GB-InSAR是InSAR 的一种形式11。GB-InSA技术应用于露天矿边坡监测，具有高的空间分辨率，毫米级的监测精度，高的数据采样频率，可以获得实时的边坡形变图像，与常规监测手段相比，GB-InSA技术不仅可以获得单点的形变信息，而且可以掌握不稳定区域的总体形变信息；属于非接触测量方式，可以实现对危险边坡的监测。当监测期间天气稳定，边坡植被覆盖率低，可以忽略大气和时间失相干影响，采用差分干涉可以获得很好的结果，对于多变的天气，大气影响会污染小的形变量，采用差分干涉得到的结果不可靠。2.6 露天矿边坡预应力锚索远程监测系统岩体在力的作用下产生变形，边坡内部应力状态发生变化，当下滑力达到岩体强度时，滑体会沿滑动面下滑，从而导致滑坡事故的发生，通过对锚索施加预应力来主动监测岩体的应力情况，当岩体应力发生变化时，应力传感器记录应力情况，及时掌握滑坡动态，从而对边坡进行预警和及时采取治理措施。监测系统由边坡应力监测端和计算机接收端组成。边坡应力监测端由智能应力传感器、太阳能供电系统、数据采集系统和数据发射系统组成，计算机接收端由数据接收系统、数据处理系统和监测报警系统组成，应用GPRS远距离无线传输技术对数据进行传输。边坡预应力锚索远程监测系统采用GPRS远距离无线传输技术，实现了对边坡应力数据的远程、连续、自动、实时、准确、采集存储，消除了人工现场测读数据受精度、天气、安全等因素的影响；系统采用太阳能供电，克服了远程监测需要频繁更换电池的困难，适用于中长期边坡监测12。2.7 激光微小位移监测系统测露天矿边坡该系统的测量原理是将激光光源安装于滑坡体上，在滑坡体外稳定地带放置监测系统，对准激光光束，监测系统由望远镜头和CCD 监测系统组成，CCD输出的视频信号进入计算机。计算机通过专用软件对图象进行处理，计算出其滑动的距离13。激光微小位移监测系统可以对滑坡体的水平位移、垂直位移和轴向位移实现远距离、非接触、全天候、全自动监测，为边坡监测提供了了全新的测量原理和优越的技术性能。2.8 TDR技术用于监测露天矿边坡TDR 技术用于滑坡监测时，首先将同轴测试电缆垂直埋设在滑坡体内，然后从地表电缆端向同轴电缆内发射高频脉冲测试信号，如果埋设的同轴电缆某段受到滑坡蠕动的岩石或土体的挤压，那么同轴电缆就会发生变形，变形处同轴电缆的特征阻抗会发生变化，测试脉冲信号在同轴电缆中传播，会反应电缆的阻抗特性，在电缆的阻抗特性发生变化的地方，测试信号会发生反射14。在地表用监测系统接收此反射信号，通过对反射信号的到达时间与振幅幅度的分析，即可推测滑坡体的蠕动变形位置和程度，从而达到对滑坡体监测的目的。此方法在很短的时间（几秒钟）内即可完成对全孔不间断的变形监测；与利用钻孔倾斜仪监测滑坡所用的测斜套管相比，TDR 监测所用的测试电缆成本较低；基于TDR 技术的滑坡监测能准确给出滑移面的位置，定位精度较高。单靠TDR 技术监测滑坡很难确定滑坡滑动的方向；TDR 技术监测滑坡的有效性是以其测试电缆的变形为前提，若电缆未产生变形破坏，就很难监测滑坡的位移。2.9 声发射监测露天矿边坡声发射技术是对这种工程岩体稳定性最有效的监测手段。通过声发射监测，就可以了解台阶面下伏空区顶板在露天开采环境下的稳定状况，在用安全隔离层厚度初步评价空区顶板稳定性的基础上，通过实时声发射监测，进一步确保台阶面有下伏空区危害的露天开采矿山人员和设备的安全15。2.10 光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究一种新型的光纤传感网络该网络。利用分布式光纤应变监测技术BOTDR ，将光纤光缆按一定方式布设成网络埋入边坡表面以下一定位置通过监测光纤光缆的应变变化，推算出边坡的表面变形。对室内模型进行的加载实验表明，该网络对悬挂重物而引起的表面变形很敏感，且能够精确分析发生异常的区域和应变大小，进而对表面变形状态进行三维模拟。室内实验证明光纤传感网络对网络表面变形非常敏感能够监测到极小外力，所造成的微小光纤应变，并通过变形区域的精确定位和应变位移的近似变换推算出表面各节点的位移，进而模拟出网络表面的三维变形16。3 总结露天矿比起矿井开采安全性要高一些，滑坡是主要危害。边坡稳定性是露天矿工程设计中的重要组成部分，是现代矿山经济、安全研究的热点和重点。随着露天矿山工程的发展，开采规模不断扩大、采深增大，边坡失稳问题日趋严重。露天矿边坡稳定性影响到露天矿占地的多少、内外排土方案的选择、露天矿参数的选取、合理工艺的确定等等。而露天矿边坡的失稳可影响到露天采场和排土场的正常生产、人员及设备的安全。虽然岩石边坡的稳定性研究已有较长历史，但是由于影响稳定性的因素较多，在时间、空间上有所变异，破坏模式的选取及计算方法上误差较大，应用传统方法所得到的结果与实际情况有所偏差，不尽如人意。因此，运用现代边坡监测技术、计算机数值模拟计算方法及岩石力学理论等对边坡稳定性进一步研究仍是当前发展方向17。例如智利丘基卡玛塔铜矿，它的采深已达到870米，是世界上最大的露天矿之一，它采用的边坡监测系统，就必须先进，它采用了LeikaAPA-Win边坡自动监测系统，还安设倾斜仪，压力计等进行边坡监测。体现了现代化的、高精度的边坡监测设计。我国还没有这样高深度的大型的露天矿，随着科技的发展，技术水品的提高，一些大型高深度、大跨度、高产量的露天矿就会出现，积累边坡监测经验十分重要，它可以后的大型露天矿的边坡监测设计提供数据和实例。我相信随着我们测量人员的努力，我国的边坡监测水平会达到一个新的水品。8参考文献1陶小保.露天矿边坡变形监测J.技术与市场，2011:(18)62李海蒙， 李军财.国内外矿山边坡监测技术应用的最新进展J.中国矿业，2006:(15) 43李阳，曹兰柱.平煤西露天矿边坡监测的系统应用分析J.微计算机信息，2010:(26)12-3 4杨天鸿，张锋春，于庆磊等.露天矿高陡边坡稳定性研究现状及发展趋势J.岩土力学，2011: (32)5 5陶小保.露天矿边坡变形监测J.技术与市场，2011:(18)66王树忠，于立波.GPS-RTK在霍林河露天矿边坡变形监测中的应用J.露天采矿技术，2011:(5)7罗周全，刘望平，刘晓明等.基于GPS的露天矿边坡位移自动监测技术J.中国矿业，2005:(14) 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