劉國元

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，上杭 364200)

GPS實時監(jiān)測技術(shù)在紫金山金銅礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的設(shè)計與實現(xiàn)

劉國元

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，上杭 364200)

由于GPS實時監(jiān)測技術(shù)具有全天候運行、自動化程度高、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、精度高、無需通視、可擴展性等特點，被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中。本文主要介紹了該方法在紫金山金銅礦地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的設(shè)計與實現(xiàn)。

GPS；紫金山金銅礦；地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測

紫金山金銅礦位于福建省上杭縣，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，年平均氣溫20.0℃，年雨量1 646 mm，春夏濕潤多雨，雨量相對集中，汛期集中在每年的4月至9月，特殊的氣候條件使得紫金山地區(qū)易遭山洪泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。紫金山金銅礦地處汀江上游邊上，毗鄰逕美行政村，下游為金山水電站，且礦區(qū)邊坡規(guī)模較大，如果發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，對人身和財產(chǎn)造成的危害也是巨大的，主要表現(xiàn)在摧毀礦山生產(chǎn)及生活設(shè)施，淤埋礦山坑道、傷害礦山人員、淤堵汀江、沖毀水電站、造成環(huán)境污染等重大事件發(fā)生。因此，必須采取一定的方法對礦區(qū)各地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行安全監(jiān)測和預(yù)警，保障礦區(qū)安全生產(chǎn)。

傳統(tǒng)邊坡和大壩變形觀測一般采用全站儀或水準(zhǔn)儀進(jìn)行水平位和垂直位移進(jìn)行觀測，該方法受天氣和通視條件限制只能觀測規(guī)模較小的邊坡和大壩。紫金山金銅礦屬于特大型低品位難處理礦，隨著采選規(guī)模的不斷擴大，形成了一些地質(zhì)災(zāi)害隱患點，如大規(guī)模的礦碴堆場形成的邊坡。這些大規(guī)模的邊坡由于已經(jīng)綠化治理，不具有通視條件，不能采用傳統(tǒng)變形觀測方法來對它們進(jìn)行安全監(jiān)測。因此，必須采用有效的監(jiān)測方法來對這些地質(zhì)災(zāi)害點進(jìn)行實時監(jiān)測，而GPS監(jiān)測技術(shù)具有全天候運行、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、精度高、無需通視、可擴展性等特點，正好適用紫金山金銅礦地災(zāi)點分散、點多面廣的特點。

1 GPS介紹

1.1 GPS的定義

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統(tǒng))的簡稱，利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)。GPS能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置，極大地提高了地球社會的信息化水平，有力地推動了數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展。

1.2 監(jiān)測原理

(1)們?nèi)缦聢D1所示，GPS基準(zhǔn)站設(shè)置在非形變穩(wěn)定區(qū)，GPS監(jiān)測站設(shè)置在形變監(jiān)測區(qū)(監(jiān)測斷面的布置和監(jiān)測點的數(shù)量根據(jù)監(jiān)測項目需求設(shè)置)。

(2) 利用GPS差分原理，利用2個或更多個測站之間的相對定位。如圖2所示，如果A和B兩點在同一時間內(nèi)觀測了相同的一組衛(wèi)星(至少4顆)。而且A是一個已知點，通過某種數(shù)據(jù)鏈，把原始改正信息傳到B點，那么B點的位置就可以加以確定。

(3) 通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將同一時刻的GPS基準(zhǔn)站及GPS監(jiān)測站的原始觀測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心(數(shù)據(jù)采樣間隔可達(dá)10～20次/s)。

(4) 專業(yè)變形監(jiān)測軟件上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司的HCmonitor對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動解算處理，得到監(jiān)測點實時的毫米級三維坐標(biāo)值。

(5) 通過平臺軟件對三維坐標(biāo)成果進(jìn)行圖表管理和輸出，得到用戶想要的多種表現(xiàn)形式的監(jiān)測成果。

2 基準(zhǔn)站設(shè)計與建設(shè)

GPS基準(zhǔn)站也可以稱為GPS參考站，是整個邊坡表面位移監(jiān)測的基準(zhǔn)框架，一般一個GPS參考站能夠覆蓋10 km以內(nèi)的監(jiān)測點，可以覆蓋整個紫金山金銅礦區(qū)，因此設(shè)置一個參考站即可。為了保證監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，參考站需定時統(tǒng)一和區(qū)域內(nèi)控制點進(jìn)行聯(lián)測，以實現(xiàn)監(jiān)測坐標(biāo)與項目區(qū)域內(nèi)坐標(biāo)的統(tǒng)一，同時校準(zhǔn)參考點是否會發(fā)生位移。

GPS基準(zhǔn)站(參考站)要求建立在地基穩(wěn)定的地點，同時GPS參考站場地應(yīng)滿足以下要求：

(1) 場地穩(wěn)固且邊界無開挖，年平均下沉和位移小于3 mm。

(2) 地勢較高且視野較開闊，視場內(nèi)障礙物的高度不宜超過15°。

(3) 遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺、電臺、微波站等)，其距離不小于200 m。

(4) 遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50 m。

(5) 當(dāng)GPS監(jiān)測站的點位布設(shè)較分散時，GPS基準(zhǔn)站就布設(shè)在GPS監(jiān)測站的中間，盡量靠近數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

(6) 天線墩的高度不低于2 m。

(7) 觀測標(biāo)志應(yīng)遠(yuǎn)離震動源。

(8) 參考站必須建立在凍土層以下，以減少氣候變化對參考站的影響。

GPS基準(zhǔn)站的接收機采用上海華測的N71，采用Maxwell 6技術(shù)，具有并行220通道，支持多系統(tǒng)，支持GSM、CDPD和GPRS調(diào)制方式用于eRTK和VRS，最高20Hz數(shù)據(jù)采樣的特點。監(jiān)測站主要由避雷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，綜合以上因素聯(lián)系紫金山金銅礦實際地形特征，GPS基準(zhǔn)站布設(shè)在露采觀景臺邊上，實際建設(shè)施工效果如圖3所示。

3 監(jiān)測站設(shè)計

3.1 監(jiān)測站位置設(shè)計

經(jīng)過安全管理部門現(xiàn)場踏勘調(diào)研論證后決定在礦區(qū)東南礦段B塊邊坡、小金山溝攔渣壩、金礦二選廠肚子坑邊坡、金礦二選廠3、4號環(huán)保大壩4處主要地質(zhì)災(zāi)害隱患點建立GPS在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。4處主要地質(zhì)災(zāi)害隱患點概況及監(jiān)測點位布設(shè)情況如下：

(1) 東南礦段B塊邊坡危險范圍從高程454到高程684水平，邊坡角在50°以上，該區(qū)段屬于松散堆渣體構(gòu)成，匯水區(qū)面積大，且邊坡下方有當(dāng)?shù)卮迕窬幼^(qū)，易產(chǎn)生滑坡和泥石流。該邊坡布設(shè)DNA A1-1、DNA A1-2、DNA A1-3三個GPS在線監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測點位布設(shè)地形圖如下圖4所示。

(2) 東南礦段小金山溝攔渣壩壩頂長約67 m，頂壩尚未施工完畢，壩底往下至四五米寬的水溝底。整個壩體共分4級，基礎(chǔ)壩是漿砌石結(jié)構(gòu)重力壩。該壩體是民采期間由當(dāng)?shù)孛癫衫习宀捎眉兪瘔K堆積而成，沒有混凝土等凝固劑，其安全程度較差，上部陡峭山體開采，雨季極易坍塌滑落到下面，下方為城區(qū)通往礦區(qū)公司和村民居住區(qū)，一旦產(chǎn)生滑坡或泥石流，其危害性較大。該攔碴壩布設(shè)DNK A1-1、DNK A1-2、DNK A1-3 三個GPS在線監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測點位布設(shè)地形圖如下圖5所示。

(3) 金礦二選廠肚子坑邊坡規(guī)模較大，在高程256水平處有礦區(qū)交通干道。整個邊坡是礦山生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的礦渣碾壓、人工堆積而成的。邊坡上寬下窄呈倒梯形，上邊緣呈凹進(jìn)去的弧線型，總計長度1 050 m左右，下邊緣也呈凹進(jìn)去的弧線型，長約150 m左右，高差在90 m左右。邊坡底部依附山體筑有土石結(jié)構(gòu)攔渣壩。該邊坡由于特殊的形狀和較大的規(guī)模，造成匯水區(qū)面積也較大，在雨季易誘發(fā)滑坡和泥石流。該邊坡布設(shè)DZK A1-1、DZK A1-2、DZK B1-1、DZK B1-2四個GPS在線監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測點位布設(shè)地形圖如下圖6所示。

(4) 金礦二選廠3、4號環(huán)保大壩邊坡范圍包括從高程344的平臺至下方的廢水處理系統(tǒng)，廢水處理系統(tǒng)有一座混凝土大壩。整個邊坡也是礦渣堆積形成，已綠化治理，并且比較密集。由于該邊坡上方是沉淀池，沉淀池的污水會匯集到大壩下方的污水處理池中，污水處理池將處理后的無污染的水排放到前方水庫中，再由水庫排放至汀江，所以大壩及上方松散邊坡的安全與否，直接威脅到汀江的水質(zhì)安全，同時一旦滑坡造成汀江的堵塞，其危害更大。該邊坡整個高差約100 m，坡度45°左右。該邊坡布設(shè)J3#A1-1、J3#A1-2、J3#B1-1、J4#A1-1、J4#A1-2五個GPS在線監(jiān)測點，現(xiàn)場監(jiān)測點位布設(shè)地形圖如下圖7所示。

3.2 監(jiān)測站設(shè)計與建設(shè)

GPS監(jiān)測站是管理人員實時掌握滑坡體形變和位移變化量的依據(jù)，各監(jiān)測點長期連續(xù)跟蹤觀測衛(wèi)星信號，通過數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)(無線網(wǎng)橋或3G)實時傳輸GPS觀測數(shù)據(jù)到控制中心，并結(jié)合各參考站的觀測數(shù)據(jù)與起算坐標(biāo)通過控制中心軟件準(zhǔn)實時解算處理，最終得到各監(jiān)測點的高精度三維坐標(biāo)。GPS接收機也是采用上海華測的N71，監(jiān)測站也是由避雷系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)組成，其實際建設(shè)施工效果如圖8所示。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計

項目總體可分為4個系統(tǒng)，即傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、監(jiān)控中心子系統(tǒng)和輔助支持子系統(tǒng)，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖9所示。

(1) 傳感器子系統(tǒng)：由布置在隱患點區(qū)域的GPS傳感器組成，主要作用是采集表位位移監(jiān)測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，主要傳感器采用后安裝方式。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：傳感器與控制中心通訊采用有線或無線的通訊方式，根據(jù)項目現(xiàn)場的實際情況，本次監(jiān)測GPS監(jiān)測點采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(3) 數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。

(4) 輔助支持系統(tǒng)：包括外場機柜、外場機箱、配電及UPS、防雷和遠(yuǎn)程電子監(jiān)控等子系統(tǒng)。

5 成果發(fā)布平臺

5.1 簡介

用戶進(jìn)入系統(tǒng)后中間顯示工程總體分布圖，可以查看各測點的分布情況，鼠標(biāo)移到測點處可以顯示測點最近一次測量位移情況。主頁面左側(cè)是功能菜單欄，主要包括系統(tǒng)管理、工程管理、報表、視頻監(jiān)測、表面位移監(jiān)測、浸潤線監(jiān)測、內(nèi)部位移監(jiān)測、雨量監(jiān)測、最小干灘監(jiān)測、庫水位監(jiān)測、滲流監(jiān)測、土含水率監(jiān)測、土壓力監(jiān)測及裂縫監(jiān)測。本項目為一期工程，主要對地質(zhì)災(zāi)害隱患點表面位移監(jiān)測，其他功能模塊為預(yù)留監(jiān)測參數(shù)接口，方便系統(tǒng)的擴展，如圖10所示。

5.2 平臺功能特點

(1) 采用 B/S架構(gòu)設(shè)計，用戶只要將電腦連接到互聯(lián)網(wǎng)，就可以輸入域名登陸該系統(tǒng)，通過網(wǎng)頁即可查詢監(jiān)測情況，也可以通過下載安裝APP手機端查看和管理監(jiān)測系統(tǒng)，如圖11所示。

(2) 系統(tǒng)設(shè)置了超級管理員和一般管理員，可以進(jìn)行用戶名與密碼管理、不同用戶授權(quán)管理、地圖管理、任意添加和刪除各監(jiān)測手段等功能。

(3) 監(jiān)測系統(tǒng)有強大的數(shù)據(jù)管理和分析能力，可以根據(jù)用戶需要的格式將每個監(jiān)測點的毫米級精度三維坐標(biāo)成果導(dǎo)出來。系統(tǒng)具備圖表分析功能，可以自動給出位移變化趨勢圖、斷面曲線圖、散點圖等，對各個監(jiān)測手段的數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史回放、趨勢分析等，如圖12所示。

(4) 系統(tǒng)可任意添加人工巡檢的所有信息，對于人工巡檢、歷史數(shù)據(jù)、登陸日志等進(jìn)行有效管理。

(5) 預(yù)警發(fā)布形式靈活多樣，可根據(jù)數(shù)據(jù)的危險程度采用短信、網(wǎng)頁、郵件、現(xiàn)場聲光、大屏幕等方式和渠道進(jìn)行分級發(fā)布。

(6) 系統(tǒng)接入了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用戶可以通過視頻遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場情況。

6 運行評價

由于GPS和參考站和監(jiān)測站都采用了太陽能供電系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)以及自動數(shù)據(jù)處理軟件，使得整個系統(tǒng)可以獨立自動完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和處理，且在雨雪天氣均可以實現(xiàn)全天候?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測站接收機通過靜態(tài)模式測量所得到的數(shù)據(jù)可以達(dá)到毫米級精度，達(dá)到邊坡表面位監(jiān)測精度要求。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行位移變化趨勢圖、斷面曲線圖、散點圖進(jìn)行圖表分析：如果監(jiān)測數(shù)據(jù)在GPS的測量誤差范圍內(nèi)呈離散形隨機變化，那么該監(jiān)測站附近所在的邊坡是穩(wěn)定的；如果監(jiān)測數(shù)據(jù)在GPS的測量誤差范圍內(nèi)呈線性增加或減小變化，那么該監(jiān)測站附近所在的邊坡發(fā)生了偏移，需要組織安全管理部門對該邊坡進(jìn)行安全評價以確定是否需要治理。另外，系統(tǒng)還提供了多種的預(yù)警形式，通過預(yù)先設(shè)定的位移限差，監(jiān)測站所測的位移數(shù)據(jù)一旦超過這個限差，系統(tǒng)可以提供網(wǎng)頁、手機短信、辦公室現(xiàn)場聲光等多種預(yù)警表現(xiàn)形式。質(zhì)災(zāi)害隱患點一旦出現(xiàn)警報，邊坡管理人員還可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看邊坡現(xiàn)場情況以便第一時間作出應(yīng)急搶險指示。經(jīng)過一段時間的運行，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度高，可以有效預(yù)測大型滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，安全管理人員可以及時組織處置，將地質(zhì)災(zāi)害減小到最小程度。

7 結(jié)論

紫金山金銅礦作為國內(nèi)黃金可利用資源量最大、黃金產(chǎn)量最大、采選規(guī)模最大、入選品位最低、單位礦石成本最低、經(jīng)濟效益最好的單體礦山，其生產(chǎn)過程中的大型堆浸場經(jīng)綠化治理后成為不穩(wěn)定邊坡，是礦區(qū)最重要的地質(zhì)災(zāi)害隱患點，采用GPS實時監(jiān)測技術(shù)對這些地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行安全管理和預(yù)警，對提升整礦本質(zhì)安全有著極其重要的保障作用，對落實國家新《環(huán)境保護(hù)法》和新《安全生產(chǎn)法》有著積極的推動作用，對紫金山金銅礦打造信息化、智能化、自動化的現(xiàn)代化礦山也有重要的推動作用?？傊?，紫金山金銅礦運用GPS實時監(jiān)測技術(shù)對礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警和統(tǒng)一管理，對礦區(qū)安全生產(chǎn)有著重要的意義。

[1] 馮蓉. 基于GPS與GPRS的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(D).太原：太原理工大學(xué)，2011.

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF GPS REAL-TIME MONITORING TECHNOLOGY IN GEOLOGICAL HAZARD MONITORING OF ZIJINSHAN GOLD/COPPER MINE

LIU Guo-yuan

(Zijin Mining Group Co.,Ltd,Shanghang Fujian 364200,China)

Is widely used in the geological hazard monitoring system, due to the characteristics of the GPS real-time monitoring technology such as all-weather operation, high-degree automation, remote monitoring, high precision, free intervisibility, and extensibility.This paper mainly introduces the design and implementation of geological hazard monitoring in Zijinshan gold/copper mine.

GPS; Zijinshan gold/copper mine; geological hazard monitoring

1006-4362(2015)04-0067-07

2015-08-09改回日期：2015-10-19

X43

A

劉國元(1984- )，男，福建省上杭人，主要從事大壩邊坡安全監(jiān)測、礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作。E-mail：guoyuanliu@163.com