馬繼國

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

基于GIS的大孤山露天礦邊坡穩(wěn)定性分析研究

馬繼國?

(大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧大連 116021)

針對遼寧省鞍山市大孤山露天鐵礦北端邊坡出現(xiàn)滑動變形這一現(xiàn)象，通過詳細的地質(zhì)調(diào)查和邊坡節(jié)理裂縫的測定，利用TM30監(jiān)測露天礦邊坡的變形情況。用FLAC軟件進行數(shù)值模擬分析邊坡的穩(wěn)定性。采用時間序列分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并總結(jié)出邊坡變形的一般性規(guī)律。建立起基于GIS的大孤山露天礦變形監(jiān)測預警系統(tǒng)。

變形監(jiān)測；露天礦邊坡變形規(guī)律；WebGIS；穩(wěn)定性分析

1 引 言

大孤山鐵礦位于鋼都鞍山東南12 km的千山腳下，占地面積約10.6 km2，素有“十里鐵山”美名，同時也是亞洲最深的露天鐵礦?？茖W測算，礦山北部礦體總儲量為12 175.6萬噸，其中碳酸鐵礦儲量為9 564.7萬噸，綜合礦質(zhì)品位達到27.7%。開采深度已達到-258 m，為了保障大孤山鐵礦西端礦石井的安全穩(wěn)定運行和整個礦區(qū)生產(chǎn)，避免出現(xiàn)重大人員傷亡導致被迫停產(chǎn)的被動局面，必須對大礦西井運輸巷道的邊坡變形規(guī)律及穩(wěn)定性進行研究，采取綜合有效的措施進行預報和防治。

2 變形監(jiān)測目的

監(jiān)測工作的主要目的是針對大孤山鐵礦西北幫邊坡地質(zhì)環(huán)境和工程地質(zhì)特征，確定變形主要因素部位，突出重點建立完善的監(jiān)測剖面和長期的監(jiān)測預報系統(tǒng)，保障礦山安全生產(chǎn)。

邊幫位移監(jiān)測采用對地表埋設監(jiān)測樁觀測的方法，地表位移則采用精密TM30機器人監(jiān)測邊坡巖體的絕對位移變化情況。通過定期、長期觀測，為分析邊坡變形移動趨勢提供可靠的數(shù)據(jù)，提供超前預報保證礦山安全生產(chǎn)。具體計劃:

(1)采用GPS同測量機器人組合進行變形監(jiān)測，討論了變形監(jiān)測網(wǎng)質(zhì)量評定標準、設計要求，同時分析研究了GeoMoS和FLAC數(shù)值模擬的技術及應用。

(2)研究了變形數(shù)據(jù)分析DEM建模的基本理論與方法，運用回歸分析法、時間序列分析模型等，闡述了它們的優(yōu)缺點和適用領域，并用時間序列分析法對數(shù)據(jù)進行了分析預測，用實踐數(shù)據(jù)檢驗了擬合預報結(jié)果的準確性。

(3)利用GIS平臺開發(fā)了遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)，在Java環(huán)境下用ASP實現(xiàn)變形觀測數(shù)據(jù)庫的遠程實時操作管理，用HSkyXChart插件實現(xiàn)了監(jiān)測圖表的自動生成輸出，提供預警預報信息。

(4)結(jié)合大孤山露天鐵礦邊幫坡變形監(jiān)測項目，分析論證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性及邊坡的穩(wěn)定性。

總的來說，變形是基礎，變形分析是手段，變形預報才是目的，數(shù)據(jù)的處理過程就是進行變形分析和預報過程。隨著我國深凹露天礦開采深度的不斷增加，礦山的安全變得越來越重要，所以邊坡變形監(jiān)測變得至關重要。

3 變形監(jiān)測方法分析

變形數(shù)據(jù)獲取方法的選擇取決于變形體的特征、變形監(jiān)測的目的、變形的大小和變形速度等因素。在區(qū)域性變形監(jiān)測方面，全球定位系統(tǒng)GPS早成為主要的技術手段；在全球性變形監(jiān)測方面，大地測量方法是使用最多的技術手段；在工程和局部性變形監(jiān)測方面，主要使用地面常規(guī)的測量技術、地面攝影測量技術、特殊和專用的測量手段和以GPS為主的空間定位技術等。

而近幾年全自動跟蹤全站儀RTS(Robotic Total Observation)，也稱為測量機器人(Georobot)的使用，為工程局部變形的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集或遠程監(jiān)測提供了一種優(yōu)秀的技術手段，它可進行測區(qū)范圍內(nèi)無人值守全天候和全方位的自動監(jiān)測。而這幾年發(fā)展的數(shù)字攝影測量和實時攝影測量為地面攝影測量技術在變形監(jiān)測中深入應用開拓了非常廣泛的前景，以后會有廣泛的應用。

3.1 TM30測量機器人的應用

TM30全站儀又稱精密測量機器人，是一種高精度全站儀，也是徠卡公司在中國區(qū)新推出的一款儀器。角度測量精度:0.5″，距離測量精度:0.6 mm+1 ppm。TM30采用壓電陶瓷技術驅(qū)動使儀器轉(zhuǎn)動更迅速和噪音更低，具有自動搜索、鎖定目標、自動觀測和自動記錄等多種功能。TM30邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)主要由測量機器人、GeoMos監(jiān)測軟件、氣象傳感器、基點、參考點、目標點組成，是基于一臺測量機器人的有合作目標(照準棱鏡)的變形監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候的無人值守[1]。

3.2 遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)組成

本文通過大孤山露天鐵礦邊坡監(jiān)測項目研究遠程變形監(jiān)測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析和遠程變形預報三大部分組成。數(shù)據(jù)采集包括GPS測站和TM30測站；數(shù)據(jù)處理分析是建立在GIS基礎上包括預處理、變形分析、圖形顯示和報表的自動生成等[2]，如圖1所示。

圖1 GPS和TM30測量機器人聯(lián)合變形監(jiān)測系統(tǒng)

在此次項目研究中主要是應用GPS和TM30測量機器人進行監(jiān)測，對于其他的監(jiān)測方法只做參考輔助；利用WebGIS和Java建立起比較完善的遠程預警預報系統(tǒng)。

4 大孤山礦區(qū)監(jiān)測設計

在邊坡上按設計位置新澆筑64個鋼筋混凝土監(jiān)測樁(如圖2所示)，這樣由原來的21個監(jiān)測樁增加到85個。地表位移監(jiān)測樁縱截面為梯形，底面規(guī)格為60 cm×60 cm，頂面規(guī)格為30 cm×30 cm，頂部光面，并水平嵌入強制對中器，高度1.0 m。樁體深入地表0.8 m或到達穩(wěn)固基巖，澆筑后要求和巖土體成為一整體，在滑體變形時不能產(chǎn)生相對位移。樁體以鋼筋為骨架，采用C20混凝土澆筑。

圖2 大孤山鐵礦西北幫邊坡位移監(jiān)測示意圖

TM30用強制對中安置在經(jīng)過控制網(wǎng)平差的基準點上，通過編組在監(jiān)測樁(帶強制對中器)上安置反射棱鏡，進行分組觀測。通過定期觀測獲得監(jiān)測點的三維坐標，再與監(jiān)測點的起始坐標比較，確定變形點的絕對水平位移，同時分析滑移速度和滑移趨勢，如圖3所示。

圖3 觀測基點與監(jiān)測點現(xiàn)場儀器安置圖

測量執(zhí)行中華人民共和國標準《工程測量規(guī)范(GB50026-2007)》，滿足二等變形測量的精度要求。

每隔7天觀測1次，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變形情況和降水等特殊情況對觀測次數(shù)可適當調(diào)整，總監(jiān)測次數(shù)15次。同時要及時進行數(shù)據(jù)整理分析和預報，并立即報告給相關部門，以便能及時判斷邊坡及巷道的穩(wěn)定狀況，指導礦山采剝生產(chǎn)，達到安全生產(chǎn)的最終目的。

5 邊坡穩(wěn)定性的數(shù)值模擬

本研究就是利用FLAC(美國Itasca公司開發(fā)的有限差分程序，能夠進行土質(zhì)、巖石和其他材料的結(jié)構(gòu)受力模擬和分析)的強大處理功能[3]，對大孤山邊坡進行數(shù)值模擬建模和網(wǎng)格劃分。根據(jù)大孤山鐵礦的生產(chǎn)條件以及工程實踐，確定數(shù)值模擬方案為4個，分別模擬不同開采深度為-50 m、-150 m、-190 m和-220 m臺階。本文以-150 m為例進行說明。

5.1 數(shù)值模擬計算結(jié)果

模擬計算結(jié)果包括大孤山露天鐵礦西北幫邊坡隨著開采深度的增加各個剖面的應力場和位移場，在整體分析的基礎上，這里分5個剖面進行重點分析，Ⅰ-Ⅰ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ剖面主要是針對混合巖，Ⅱ-Ⅱ剖面主要針對紅礦，Ⅴ-Ⅴ剖面主要針對千枚巖。計算不同剖面在不同開采深度條件下的水平位移、垂直位移變化情況。本文僅以Ⅴ-Ⅴ剖面為例進行闡述說明，開挖-150m臺階Ⅴ-Ⅴ剖面的等值線模擬計算，如圖4所示。

圖4 邊坡開挖到-150 m臺階時剖面計算結(jié)果

5.2 邊坡穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

邊坡穩(wěn)定系數(shù)是指不穩(wěn)定體沿滑動面產(chǎn)生的抗滑力與滑動力之比，比值等于1處于極限穩(wěn)定，比值大于1處于穩(wěn)定狀態(tài)，比值小于1時處于失穩(wěn)狀態(tài)。

剖面穩(wěn)定性系數(shù)隨開采的變化規(guī)律，總體上看隨著開采深度的增大，邊幫整體穩(wěn)定性表現(xiàn)為下降趨勢，安全系數(shù)逐漸的遞減，紅礦最好，混合巖次之，千枚巖穩(wěn)定性最差[4]。但總體上都處于穩(wěn)定狀態(tài)，各剖面的穩(wěn)定性系數(shù)都大于1.1。圖5所示為5個剖面穩(wěn)定性系數(shù)變化規(guī)律示意圖。

通過數(shù)值分析模擬，將計算結(jié)果信息整理匯總存儲到GIS數(shù)據(jù)庫中，以便于日后遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)對其進行讀取，方便管理和應用。

圖5 5個剖面穩(wěn)定性系數(shù)隨開采的變化規(guī)律

6 時間序列回歸分析

采用時間序列分析法(ARMA)，來對大孤山變形監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行預測分析，以此來提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，及時準確地發(fā)布礦山邊坡位移預報。

時間序列分析方法所研究的是一系列隨時間變化而又相關聯(lián)的動態(tài)數(shù)據(jù)序列，通過對數(shù)據(jù)進行分析，找出反映事物隨時間的變化規(guī)律，從而對數(shù)據(jù)的變化趨勢做出正確的分析和預報。

本文列舉僅僅對大孤山露天礦9號監(jiān)測點前12期數(shù)據(jù)進行分析，后3期數(shù)據(jù)作為驗證通過這種方法得到的預報值的可靠性，如表1所示。

第9號監(jiān)測點變化量值 表1

時間序列分析的特點在于:逐次的觀測值通常是不獨立的，且分析必須考慮到觀測資料的時間順序，當逐次觀測值相關時，未來數(shù)值可以由過去觀測資料來預測，可以利用觀測數(shù)據(jù)之間的自相關性建立相應的數(shù)學模型來描述客觀現(xiàn)象的動態(tài)特征。

計算得到如圖6的預測值曲線圖。

圖6 第9號點水平位移X方向變化趨勢圖

從圖6可以看出，預報序列值與實測值變化趨勢基本一致，說明時間序列具有良好的模擬效果。

7 采用Java的WebGIS系統(tǒng)

基于WebGIS的遠程形變監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和數(shù)據(jù)分析預報模塊組成，是在計算機軟硬件支持下，綜合利用測繪、地質(zhì)和信息科學的理論知識，輸入、管理、分析和輸出變形監(jiān)測的原始資料、中間數(shù)據(jù)、最終結(jié)果，實現(xiàn)變形監(jiān)測資料的自動化日常管理，自動生成資料報表、圖形和生成監(jiān)測報告。

分為三個結(jié)構(gòu)層，即功能層、服務層和數(shù)據(jù)層組成。主要有實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、穩(wěn)定性分析、礦山圖紙數(shù)字化、預警發(fā)布和信息查詢等。結(jié)構(gòu)如圖7所示。7.1 礦區(qū)監(jiān)測點位圖的顯示

圖7 基本結(jié)構(gòu)框架示意圖

點位圖的顯示通過java.awt下Component類的CreatImage()方法來完成，加載圖像也是通過Java中的GetImage()方法完成的，它存在與兩個類中，要加載的圖形必須要有合法的地址鏈接，否則會加載不成功。

用戶端采用的是客戶端軟件與網(wǎng)絡瀏覽器相結(jié)合的模式，這樣做的好處是為用戶提供了更大的選擇方案，更好地把客戶端和瀏覽器結(jié)合在一起，方便操作。如圖8～圖10所示。

圖8 監(jiān)測系統(tǒng)主界面圖

圖9 DEM模型顯示

圖10 礦區(qū)監(jiān)測點位顯示

7.2 GIS數(shù)據(jù)管理和圖表自動生成

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理

將TM30測量機器人觀測的數(shù)據(jù)導出到電腦中，存儲在SQLServer數(shù)據(jù)庫中，通過Java程序可以隨時訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行操作，運算以及分類列表等。

ASP向用戶提供了連接任何兼容SQL的數(shù)據(jù)庫以及創(chuàng)建多項功能數(shù)據(jù)庫應用程序的能力，來方便用戶開發(fā)應用[5]。

WebGIS系統(tǒng)表單(Forms)的生成是網(wǎng)站交互常用方法，JSP使得表單的處理更加簡單，在JSP中處理表單的方法就是定義一個“bean”，而這不是完整的JavaBean，只需要是定義一個類就能完成，所定義的區(qū)域和表單的中的每一個區(qū)域都是一一對應的。例如要得到一個電子郵件地址的話，可以定義為GetMail.html，代碼如下:

＜HTML＞

＜BODY＞＜FORM METHOD=POST ACTION="SaveMail. jsp"＞

Input address?＜INPUT TYPE=TEXTMAIL="email"size =20＞＜BR＞

＜P＞＜INPUT TIPE="SUBMIT"＞

＜/FORM＞＜/BODY＞

＜/HTML＞

(2)分析預報功能

通過以上的數(shù)據(jù)處理后，進一步就是將有關的信息匯總用圖表和曲線圖的形式顯示出來，進行變形監(jiān)測預報。對于圖表的輸出用VBA編輯程序建立與Excel的接口來實現(xiàn)，下面以大孤山露天礦監(jiān)測點的移動線量趨勢圖為例，代碼如下:

strSql="select ID，Name from Pointswhere EPoch＞=‘2010-7-23 08：30'AND Epoch＜‘2010-10-31 17：30’order by ID"

RS.open"select ID from Points where EPoch＞=‘2010-7-23 08：30'AND Epoch＜‘2010-10-31 17：30’order by ID"，conn2，1，l

然后讀取所有監(jiān)測點的監(jiān)測時間列表和相應的縱向位移量值并生成縱向位移折線圖，程序如下:

str="select Epoch，NorthingDiff from Results where Point_Id ="＆RS("ID")

forI=0 to rs1.Fields.Count+3

objChart.AddValue rsl("NorthingDiff")，rsl("Epoch")，//設置圖表統(tǒng)計圖元的數(shù)值大小，標識名點稱和圖元顏色。

結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析位移量趨勢圖

圖12 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析周期位移量報表

通過在GIS平臺上利用Java的二次開發(fā)[6]，建立起結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析的變形監(jiān)測綜合信息系統(tǒng)，結(jié)合大孤山露天鐵礦變形監(jiān)測項目作為驗證系統(tǒng)的可行性與可靠性。實現(xiàn)大孤山露天礦變形監(jiān)測系統(tǒng)的報表與圖表的自動生成與輸出功能；實現(xiàn)遠程變形監(jiān)測，為礦山安全生產(chǎn)帶來便利，提高效益。

8 結(jié) 語

本文結(jié)合大孤山露天鐵礦邊坡變形監(jiān)測項目，對基于WebGIS的遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)的設計進行了研究，通過該系統(tǒng)的建立，為快速分析監(jiān)測數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和預報預警打下了堅實的基礎。該系統(tǒng)便于管理，有效地提高了礦山信息化管理水平和管理效益，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，為礦山信息化測繪發(fā)展提供了有力的技術支持。

[1] 徐佳，麻鳳海，宋偉東等.TCA2003邊坡自動監(jiān)測系統(tǒng)的研究[J].礦山測量，2005(1)：49～52.

[2] 謝謨文，江崎哲郎，周國云等.基于GIS空間數(shù)據(jù)庫的三維邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21 (10)：1494～l499.

[3] Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in3 Dimensions)Versin2.10 User’g Guide [J].USA：Itasca Consulting Group Inc，2002.

[4] 蔡博峰，劉春蘭，陳操操等.露天煤礦生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測與評價方法研究——以霍林河一號露天礦為例[J].中國礦業(yè)，2009，18(6)：61～64.

[5] 金雁中.基于WebGIS的遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)技術研究[D].太原：太原理工大學，2007.

[6] 董曉媛.基于Java/GML的WebGIS實現(xiàn)技術和應用研究[D].太原理工大學，2006.

北京市測繪設計研究院與烏魯木齊市城市勘察測繪院簽署項目合作協(xié)議

2013年6月4日，北京市規(guī)劃委召開了“北京市規(guī)劃委員會與烏魯木齊市城市規(guī)劃管理局測繪地理信息工程支援與合作啟動會”。北京市規(guī)劃委委員葉大華、委人事處處長于立新、市勘設測管辦副主任王金坡，烏魯木齊市副市長、城鄉(xiāng)規(guī)劃管理局局長樊新和、市委組織部副部長古麗其娜·沙吾爾、市委副秘書長遲義宸，北京市測繪設計研究院院長溫宗勇、副院長兼總工程師陳品祥，烏魯木齊市城市勘察測繪院院長李群林、總工程師龍海奎及雙方相關處室負責人出席會議。

會議首先介紹了北京市規(guī)劃委對口援助烏魯木齊市規(guī)劃局支援和合作工作的具體安排；雙方有關部門負責人分別介紹了烏魯木齊市發(fā)展現(xiàn)狀及該市規(guī)劃局尋求合作的需求、市規(guī)劃委援疆工作開展情況及有關工作。隨后，溫宗勇院長與烏魯木齊市城市勘察測繪院李群林院長代表各自單位簽訂了《烏魯木齊亞歐博覽會影像圖冊項目合作協(xié)議》。最后，烏魯木齊市樊新和副市長、北京市規(guī)劃委葉大華委員發(fā)表講話，充分肯定了兩市規(guī)劃部門開展的支援與合作的積極意義，就培訓相關工作分別提出了要求。

本次與烏魯木齊市規(guī)劃局的測繪地理信息工程支援與合作，將按照“首善標準、首都水平”，在測繪地理信息系統(tǒng)、技術人員培訓、選派專家指導等方面對烏市規(guī)劃局給予援助；包括七方面內(nèi)容:地理空間框架建設培訓指導、亞歐博覽會圖冊編制合作、地理國情監(jiān)測技術支持、現(xiàn)代測繪基準體系建設、激光雷達等新技術培訓、精密測量及地下管線培訓、規(guī)劃電子地圖服務平臺培訓。以期達到提高烏市測繪地理信息干部隊伍業(yè)務素質(zhì)，傳授新技術應用的經(jīng)驗，通過技術人員培訓、選派專家指導和項目合作方式，搭建交流合作平臺，建立長效機制，加強烏市城市規(guī)劃、建設與管理的測繪地理信息服務保障能力，提升測繪地理信息綜合技術水平。北京市測繪設計研究院將承擔主要培訓指導任務。(張京川)

(來源：http：//www.smibj.com)

Stability Analysis of DaGuShan Open Pit M ine Slope Based on GIS

Ma Jiguo
(Dalian Academy of Reconnaissance and Mapping Co.，Ltd.Dalian 116021，China)

This article the side slope presented the glide in view of the Liaoning Province Anshan Dagushan openair iron ore northmost part to distort this phenomenon，through the detailed geological investigation and the side slope jointing crack's determination，used the TM30monitor stripmine side slope themigration state of play，carried on the numerical simulation analysis side slopewith the FLAC software the stability，used the time series to analyze themonitor data，and summarized the side slopemigration general rule，established based on the GISDagushan stripmine distortionmonitor early warning system.

deformation monitoring；open pitmine slope deformation；WebGIS；stability analysis

1672-8262(2013)03-56-06

P208.2，TU433

A

2012—05—15

馬繼國(1979—)，男，工程師，主要從事城市測繪及數(shù)字化礦山等相關工作。