GNSS监测技术在露天矿边坡监测预警中的应用.pdf

第3 8 卷第4期2023年8 月DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.04.012任学锋，黄科伟，李营作.GNSS监测技术在露天矿边坡监测预警中的应用J.露天采矿技术,2 0 2 3,3 8(4):46-48.REN Xuefeng,HUANG Kewei,LI Yingzuo.Application of GNSS monitoring technology in monitoring and移动扫码阅读warning of open-pit mine slopesJJ.Opencast Mining Technology,2023,38(4):46-48.露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.4Aug.2023GNSS 监测技术在露天矿边坡监测预警中的应用任学锋1,黄科伟,李营作2（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0 17 0 0 0；2.北方工业大学土木工程学院，北京10 0 144)摘要：为探究智能监测云平台在露天矿边坡安全监测预警的运行可靠性，以内蒙古中部某露天矿为研究对象，运用GNSS自动变形监测技术，在排土场和采掘场边坡布设监测点和监测线进行研究分析。结果表明：在边坡受到春融和降雨影响时，位于采场与排土场边坡的监测点准确显示边坡持续变形；其次位于外排土场北侧6 号监测点，竖向位移持续变形较大，验证了监测云平台在边坡变形监测预警的可行性。关键词：GNSS；边坡监测；监测云平台；监测预警；雷达技术中图分类号：TD824.7Application of GNsS monitoring technology in monitoring and warning of open-pit mine slopes(1.Zhungeerqi Yaogouxiang Tingziyan Coal Mine Co.,Ltd.,Ordos 017000,China;2.School of Civil Engineering,Abstract:In order to explore the operation reliability of intelligent monitoring cloud platform in open-pit mine slope safetymonitoring and early warning,taking an open-pit mine in central Inner Mongolia as the research object,we use GNss automaticdeformation monitoring technology to study and analyze the monitoring lines and monitoring points in the slope of dump andexcavation site.The results show that when the slope is affected by spring melting and rainfall,the slope monitoring points locatedin the stope and the dump accurately show the continuous deformation of the slope;secondly,located in the north side of theexternal dump No.6 monitoring point,the vertical displacement continues to deform larger,which verified the feasibility ofmonitoring cloud platform in slope deformation monitoring and early warning.Key words:GNsS;slope monitoringi monitoring cloud platform;monitoring and early warning;radar technology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 1。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13-4。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15)应用合成孔径雷收稿日期：2 0 2 2-0 8-2 3责任编辑：张东旭作者简介：任学锋（19 8 7 一），男，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，本科，2 0 12 年毕业于辽宁工程技术大学，主要从事露天开采等相关工作。46文献标志码：BREN Xuefeng,HUANG Kewei,LI Yingzuo?North China University of Technology,Beijing 100144,China)文章编号：16 7 1-9 8 16(2 0 2 3)0 4-0 0 46-0 3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 5mm，垂直精度至5 8 mm；王涛等18 l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110 1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。第3 8 卷第4期2023年8 月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函需解决。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 1。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 6 3 5km,产能3 0 0 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12 9 0 m,最低点位于矿区北部的窑沟，海拔1153m，相对高差13 7 m。所在地区年总降水量2 3 8 7 3 2mm,降水多集中在7 一9 月，占年总降水量的6 0%70%，且多为雷暴雨，最大日降水量可达9 6 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2.1GNSS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3。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，3 3 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，边露天采矿技术Opencast Mining Technology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、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148 0 7 43条数据。基于采集的数据，选取北帮4个监测点半年的数据（2 0 2 2 年1月1日一2 0 2 2 年6 月3 0 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。50一偏移量一移量一偏移量-15025001-0120010010020001-0115-152501-0180F40-8001I-01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2 0 2 2年6 月2 8 日19:10 分达到最大值为-2 48.3 mm，x、Y47Vo1.38No.4Aug.202302-10(03-22日期(a)GPS06监洲点一偏移量一+借移量一偏移量02-100322口期(h）C PS 0 7 监测点一偏移量一一假移量一偏移量02-1003-22日期(）C PS 0 8 监测点一偏移量一一储移量一偏移量02-1003-22日期(d)CPS09监测点05105-105-105-1061006-1006-1006-1007-1007-1007-1007-10第3 8 卷第4期2023年8 月偏移量围绕0 刻度线波动，偏移量上下幅度在12mm以内。GPS07监测点h偏移量在0 4-13 T6:50达到最大17 0 mm;x偏移量在0 5-2 9 T14:50累计位移最大-19 6.9 mm,y偏移量在15mm以内；虽然、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 2 5 mm以内。GPS09监测点前期稳定变化，但从3 月2 4日变化开始加快，直至5月1号以后趋于稳定；x偏移量在0 6-2 7 T20:50时累计位移最大57.9 mm，y 偏移量在0 4-2 5T16:50达到波顶55.7 mm，h 偏移量在0 6-2 8 T19:50时达到顶峰-65.1mm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。2.5001-012.50/雪205001-0101-01001-0148露天采矿技术Opencast Mining Technology通过观察，GPS06监测点稳步发展，且位移速度都在11.5mm/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7.8mm/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2 9.3 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。4结语1)构建了收集-处理-预警一体化的监测预警云平台，及时掌握边坡不稳定区域监测预警信息。对于煤一偏移量-速度矿安全生产具有指导建议，特别是在人工巡查时具有指导意义,须重点排查在监测系统显示变形大、变形速率快的区域，有效的精简了人员及人工监测时效差的问题。022304-14日期(a）G Ps 0 6 监测点预警图一偏移量一连度022304-14耳期（h）G PS 0 7 监测点预警图一偏移量一速度1512022304-14日期(e）G PS O B监测点预警图一偏移量一违度50变形启动阶段022304-14口期(）G PS O 9 监测点斑等图图2 监测点预警变形图Vo1.38No.4Aug.202306-012)在天气回暖时，冻土消融对于边坡岩体产生稳定性的影响，监测出边坡位移变速速率加剧，监测系统能够及时预警。监测情况表明冻土消融，对边坡整体变形在可控范围内。3)露天矿采掘场含有软弱层，爆破作业时产生06-01的振动,致使边坡位移h偏移量持续增加；排土场排弃物较松散，监测显示位移监测、Y、h 偏移量稳步增加，监测结果表明以上因素对边坡变形在允许范围内。4)在外排土场北侧位移变形速率较大，针对该区域须加强人工巡查，特别是在春融、雨天。06-01参考文献：1韦忠跟，王立文,徐玉龙.国内某露天矿边坡雷达监测数据分析J.煤矿安全，2 0 17，48（4）：2 2 3-2 2 5.2陈兰兰，夏益强，肖海平，等.露天矿边坡稳定性监测方法研究现状及进展J.测绘通报，2 0 2 2（5）：7-13.06-013张飞，郝勇浙，刘跃忠，等.露天矿边坡位移监测方法的发展与研究J.采矿技术，2 0 2 1,2 1（1）：8 9-9 3.(下转第52 页）第3 8 卷第4期2023年8 月预警精度影响较大；真实孔径雷达在大气参数校正中,采用人工选择稳定参考区,在1个扫描周期内即可完成大气修正，修正速度快。4地基雷达对比分析1)2种地基雷达距离向分辨率由发射波束速度和脉冲宽度决定。方位向分辨率，真实孔径雷达由波束宽度和监测距离决定；合成孔径雷达仅与天线的孔径有关。2)2种地基雷达核心区别为发射波束的方式和监测区域表面反射物的数据处理方法。RAR采用笔形波束，采用单点监测，对作业环境具有高动态识别能力，2 次扫描即可获取监测区域的三维位移数据。B-SAR采用扇形波速，获取数据为二维平面信息，需要采集多组数据采用数学处理方法消除背景影响因素,数据处理周期长，二维数据投射到DTM上用于显示三维效果。3)2种雷达均可满意一般的变形监测。真实孔径雷达工作监测距离小于4km；数据获取快，大气参数修正速度较快，特别对于突发地灾灾害和地质灾害危险性大区域的监测预警。合成孔径雷达有效监测距离一般为5km,适用于远距离监测;获取数据周期长，应对突发大气时监测数据反应慢，适用于环境影响因素小,与长期监测。5结语地基雷达是露天煤矿在边坡滑坡、片帮与塌等地质灾害监测方法之一。因此，通过雷达的监测原理，分析了方位向分辨率与距离向分辨率的计算方法。2 种地基雷达由于发射波束不同，这是雷达工(上接第48 页）【4王立文，韦忠跟，张东旭.2 种边坡监测雷达在露天矿的应用分析J.露天采矿技术，2 0 2 1,3 6（3）：59-6 2.5 吕斌，于世杰，张洪宇，等.HC-GBSAR合成孔径雷达边坡监测系统在研山铁矿高陡露天边坡的应用J.现代矿业,2 0 2 1,3 7(12)：2 0 7-2 0 9.6兰舜涯.边坡雷达在露天矿山高陡边坡监测预警中的重要性J.中国金属通报，2 0 2 1，18（5）：18 8-18 9.7李玲玲，何帅，丁文.GPS在露天矿边坡监测系统中的应用J.价值工程，2 0 16,3 5（2 4）：9 8-9 9.8 王涛，刘干，李博，等.滑动式测斜仪在露天矿边坡监测中的应用J.露天采矿技术，2 0 17,3 2(1)：12-15.9丁辉.霍林河露天矿边坡监测预警和应急响应机制分52露天采矿技术Opencast Mining Technology作方式及最终成像原理上的根本区别。通过对露天矿现象使用条件分析，从雷达工作监测距离、作业环境影响、现场雷达布置应用及气象修正等四个方面，分析对比了两种雷达在露天煤矿的现场适用性，并提供了雷达选型的判断依据。参考文献：1王燕涛，邓增兵，左荣虎.边坡形变监测雷达在安家岭露天煤矿边坡安全监测中的应用J现代矿业，2020,36(1):167-171.2王立文.真实孔径边坡雷达监测在霍林河北露天煤矿的应用J.露天采矿技术,2 0 2 1,3 6（6）：44-47.3王相人.IBIS-M边坡监测预警系统在哈尔乌素露天煤矿的应用J.露天采矿技术，2 0 18,3 3（4）：7 1-7 4.4徐玉龙.真实孔径边坡雷达与合成孔径边坡雷达技术对比及应用J.现代矿业，2 0 2 1（8）：56-59.5 张志春，袁智，王彦平.地基干涉合成孔径雷达形变监测应用综述J.北京测绘，2 0 2 0,3 4(1):2 7-3 2.6张浩，杨晓琳，杨峰，等.地基真实孔径雷达精度验证方法与实验研究J.矿业科学学报,2 0 2 1,6(6)：7 2 1-729.7 李兵权，李永生，姜文亮，等.基于地基真实孔径雷达的边坡动态监测研究与应用J.武汉大学学报（信息科学版）,2 0 19,44(7)：10 9 3-10 9 8.8 平庆伟，刘洲峰，何佩琨.一种快速B-SAR真实场景原始数据模拟方法J.现代雷达，2 0 0 3，（6)：2 9-3 1.9唐维凯，王利岗，赖鹏辉，等.高寒地区露采高边坡合成孔径雷达在线监测预警研究J.中国矿业，2 0 2 2，3 1(2):99-103.10 韦忠跟.合成孔径与真实孔径边坡雷达技术对比分析J.露天采矿技术,2 0 2 1,3 6(6):58-6 1.析J.露天采矿技术，2 0 2 2,3 7(2)：9 1-9 4.10钅钟小宇，衣瑛，亢建民，等.北斗GNSS技术在露天采场边坡监测中的应用J中国矿山工程,2 0 2 2,51(1):56-60.11 张劲松，吴军，王星杰.地基合成孔径雷达在矿区边坡监测预警应用研究J.工程勘察，2 0 2 1,49（12）：59-62.12王念秦，申辉辉，鲁兴生.边坡变形监测技术发展现状及问题对策J.科学技术与工程，2 0 2 1,2 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