鐘小宇， 衣 瑛， 亢建民， 楊 雷

(1.鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司， 遼寧 鞍山 114000；2.中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院， 北京 100083)

1 前言

露天礦山開采過程中，隨著開采時長逐漸增加，導致露天采場邊坡高度增大、暴露時間增長；為減少露天礦山剝巖量，邊坡角度盡量加大，形成了大量的高陡邊坡。高陡節(jié)理破碎巖體邊坡存在巨大的安全隱患，時常導致滑坡等災害的發(fā)生，擾亂了礦山的正常生產秩序，危及露天采場人員和設備安全。因此，精準實現(xiàn)露天采場邊坡巖移與變形監(jiān)測，進而實現(xiàn)災害預警，對于減少邊坡安全事故，保障礦山正常生產，確保人員設備安全，提升露天開采效率，實現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

目前，國內外所采用的邊坡安全監(jiān)測技術和方法較多，大致可分為接觸式監(jiān)測和非接觸式監(jiān)測[1-4]。劉成[5]選取大地測量法對高速公路邊坡位移進行監(jiān)測，準確確定了高速公路邊坡的位移變化，并分析了高速公路邊坡的穩(wěn)定性，確保了高速公路邊坡的安全；司夢元、周銀等[6]針對高速公路高陡邊坡監(jiān)測難度大的問題，選取三維激光掃描技術對高速公路高陡邊坡實施監(jiān)測分析，有效解決了高速公路高陡邊坡監(jiān)測難題，并實現(xiàn)了高速公路高陡邊坡位移自動監(jiān)測和邊坡災害預警；劉善軍、吳立新等[7]改善了單一的監(jiān)測手段，提出并建立了天- 地- 空監(jiān)測系統(tǒng)，根據不同礦山的監(jiān)測需求提供相應的監(jiān)測技術方案，同時對邊坡進行有效監(jiān)測與預警，保證了露天開采的正常進行；侯訓田、萬毅宏等[8]針對高速公路邊坡災害頻發(fā)且難以預測，選取聲發(fā)射技術應用于山體滑坡災害的預測，準確監(jiān)測了高速公路邊坡巖移與變形。

隨著露天開采技術的發(fā)展和礦產資源需求的持續(xù)高漲，多數(shù)露天礦山進入深凹開采階段，露天采場滑坡災害時有發(fā)生，高陡節(jié)理破碎巖體邊坡實時監(jiān)測難度大。本文以鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場為工程背景，采用基于國產北斗的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)對露天采場邊坡變形實施自動監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據進行分析研究，進而實現(xiàn)啞巴嶺露天采場邊坡穩(wěn)定性評價，同時對其他類似條件露天采場高陡邊坡監(jiān)測與治理提供借鑒。

2 工程概況

2.1 工程背景

鞍鋼集團鞍千礦業(yè)有限責任公司(以下簡稱鞍千礦業(yè))位于遼寧省鞍山市東15 km，礦區(qū)位于丘陵山區(qū)，海拔標高100～200 m，最高海拔標高275.38 m，最低海拔標高50 m，山脊較陡，山形呈北西～南東向展布。啞巴嶺露天采場一期境界內形成的固定邊坡最高標高+168 m，最低-24 m，高192 m，目前四周邊坡均為一期境界固定邊坡?，F(xiàn)場調查結果表明，啞巴嶺采場東幫+144 m水平處于地表開裂區(qū)，該部位位于啞巴嶺排巖主干公路132～144 m水平東側；啞巴嶺東北幫96 m水平于2018年8月14日曾發(fā)生滑坡，該滑坡處位于啞巴嶺排巖主干公路96～108 m水平，滑體上為堆積土，下為泥質千枚巖及炭質千枚巖等軟巖，邊坡穩(wěn)定性較差，需要及時對邊坡穩(wěn)定性進行評估，并且建立相應的監(jiān)測系統(tǒng)以保障礦山正常生產的進行和人員設備的安全。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)設計原則

露天礦山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設計前，首先應對露天礦邊坡地表開裂、滑坡或位移等情況及相關資料進行分析研究，再根據分析研究結果或邊坡穩(wěn)定評價結果，對監(jiān)測方案進行設計[9]。露天礦山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設計應遵循以下原則：

① 采用當前先進設備，可以滿足邊坡在線監(jiān)測與近期發(fā)展的需要；

② 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺和應用系統(tǒng)都應具備很強的可靠性；

③ 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)過程中，應當充分了解不同類型邊坡的業(yè)務需求，做到功能的通用性和全面性；

④ 邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)設計和開發(fā)過程中，提供可變化的參數(shù)和二次開發(fā)的接口，提供后續(xù)監(jiān)測點和監(jiān)測項增多的接口；

⑤ 對投資較大的監(jiān)控項目，可采用系統(tǒng)整合的方法，實現(xiàn)最經濟有效的利用。

3 采場邊坡設備布置

3.1 主要監(jiān)測設備

1)表面位移監(jiān)測設備

采用MR02北斗高精度監(jiān)測型接收機，該產品是一款支持北斗、GPS、GLONASS、Galileo等的全星座全頻點接收機，創(chuàng)新的北斗高精度板卡技術，同等性能設備，功耗最低，適用于各類變形監(jiān)測場景。產品組合包括北斗高精度監(jiān)測型接收機1臺、北斗高精度測量型天線1個，具體如圖1、圖2所示。

圖1 北斗監(jiān)測接收機

圖2 北斗監(jiān)測天線示意圖

3.2 設備布置原則

露天采場邊坡監(jiān)測范圍應包括露天采場、采場周邊地表變形區(qū)域、采場周邊有河流或者溝壑的地區(qū)、邊坡評價欠穩(wěn)定地段等。根據《露天煤礦邊坡變形監(jiān)測技術規(guī)范》(GB/T 37697—2019)及《煤炭工業(yè)露天礦邊坡工程監(jiān)測規(guī)范》(GB 51214—2017)，確定設備布設原則：

① 監(jiān)測站布設主要依據現(xiàn)場勘察及以往邊坡穩(wěn)定性評價成果；

② 對采場邊幫不穩(wěn)定、有不良地質構造或對重要建(構)筑物安全有重大影響的關鍵部位布置監(jiān)測站進行連續(xù)監(jiān)測；

③ 除考慮上述因素外，選擇監(jiān)測站位置時還應考慮被監(jiān)測對象對北斗接收機衛(wèi)星信號機及無線通信的影響；

④ 邊坡監(jiān)測測線不少于3條，每條測線不少于3個監(jiān)測點；

⑤ 地表變形監(jiān)測點，宜采用有強制對中裝置的墩標，困難地段也應設立固定照準標志。

3.3 監(jiān)測站點布置

監(jiān)測現(xiàn)場勘察時發(fā)現(xiàn)，擬定的監(jiān)測地點遠離現(xiàn)網覆蓋，不利于高精度解算，故考慮在附近增設1個監(jiān)測基準站?；鶞收揪唧w位置應布設于巖體穩(wěn)定區(qū)域，且短時間內不受正常開采影響，再根據現(xiàn)場衛(wèi)星信號及無線通信信號測試情況共同確定基準站位置。

1) 基準站的選址

基準站場地應滿足以下要求：

① 距離被監(jiān)測對象不宜超過5 km；

② 基準站場地穩(wěn)固，可選擇建在穩(wěn)定的地面、建筑物上或凍土層以下0.5 m；

③ 視野盡量開闊，衛(wèi)星信號不受遮擋；

④ 保證數(shù)據傳輸網絡可用；

⑤ 基準站觀測墩應遠離震動源(如鐵路、公路等)50 m以上。

2) 基準站布置

鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場東北幫滑坡變形區(qū)域，設計選擇使用一個基準站。啞巴嶺西南幫為排巖干路，直通排土場，排土場距采場較近，故將基準站設置在啞巴嶺采場東部老觀景臺穩(wěn)定區(qū)域。

結合啞巴嶺采場曾滑坡地段的具體情況，考慮礦山二期建設，露天采場邊坡南幫在短時間內將進行擴幫，故暫且不能在啞巴嶺采場南幫設置監(jiān)測站和其他監(jiān)測儀器。本次監(jiān)測設備主要安裝在啞巴嶺采場東北幫及西幫區(qū)域，啞巴嶺采場東幫存在地表開裂區(qū)，需要著重進行監(jiān)測。監(jiān)測設備實測的數(shù)據，通過無線網絡進行自動傳輸，利用平臺軟件對數(shù)據進行處理和存儲，可以得到各監(jiān)測點的位移變化量、位移變化速率、位移加速度情況。監(jiān)測點布置如圖3所示，監(jiān)測點具體布置信息見表1。

圖3 監(jiān)測點布置衛(wèi)星圖

4 邊坡變形監(jiān)測結果分析

4.1 累計位移變化分析

監(jiān)測站按照表1所示坐標進行布置，監(jiān)測站監(jiān)測范圍于整體采場邊坡而言相當于點監(jiān)測，而邊坡的滑動失穩(wěn)時常表現(xiàn)出整體性，即滑動體的大覆蓋面積，監(jiān)測站通過點監(jiān)測的方式實現(xiàn)了大范圍潛在滑動體的實時監(jiān)控(監(jiān)測點布置于潛在滑動體的覆蓋范圍內)。

表1 監(jiān)測點具體布置信息

分別對觀察期內(截至2021年7月29日)的GNSS01、GNSS02、GNSS03、GNSS04監(jiān)測點邊坡監(jiān)測累積位移數(shù)據進行分析處理，累計位移規(guī)律如圖4所示。由圖可知，4個觀測站監(jiān)測位移皆于7月中下旬達到最大值：其中GNSS01監(jiān)測數(shù)據中在X方向(DX)最大累計位移40.36 mm、Y方向(DY)最大累計位移41.33 mm、H方向(DH)最大累計位移20.03 mm、平面(2D)最大累計位移57.64 mm；GNSS02監(jiān)測數(shù)據中在X方向累計位移34.63 mm、Y方向累計位移25.71 mm、H方向累計位移-20.91 mm、平面累計位移43.13 mm；GNSS03監(jiān)測數(shù)據中在X方向累計位移29.2 mm、Y方向累計位移18.99 mm、H方向累計位移-8.45 mm、平面累計位移34.34 mm；GNSS04監(jiān)測數(shù)據中在X方向累計位移20.84 mm、Y方向累計位移39.05 mm、H方向累計位移36.17 mm、平面累計位移48.55 mm。

圖4 邊坡監(jiān)測點累計位移變化規(guī)律

從圖4中可以看出，邊坡累積位移曲線斜率在5月中下旬逐漸增加，截至7月下旬達到最大值，5月中下旬之后礦山進入降雨事件高發(fā)期，累積降雨量不斷增加，雨水的滲透匯入地下水，對邊坡巖體中的泥質巖易產生水力作用，削弱了巖體黏聚力。其次氣候回暖時凍土的融化對邊坡的穩(wěn)定性也產生了一定的影響。劣化邊坡巖體在自重及爆破振動等因素的影響下穩(wěn)定性降低，也可能發(fā)生一定位移。

眾所周知，邊坡滑移失穩(wěn)是多因素耦合作用的結果，GNSS技術能夠對巖體邊坡的變形事件進行實時、精確、全天候監(jiān)測，監(jiān)測可精確至當天的具體時間點，圖4中各日期的位移值皆為當日各時間點的累積矢量值，精確度可達到0.1 mm，完全可以滿足對邊坡巖體變形的實時性及高精度的監(jiān)測，單日累積位移如圖5所示。

圖5 單日累積位移監(jiān)測

4.2 位移變化速率分析

分別對觀察期內(截至7月29日)各測點的邊坡監(jiān)測數(shù)據進行分析處理，邊坡巖體的位移變化速率在降雨事件高發(fā)期也產生一定的增加，監(jiān)測點位移變化速率如圖6所示。

圖6 邊坡監(jiān)測點位移變化速率

其中，GNSS01主要監(jiān)測對象為礦山道路，其他監(jiān)測站主要服務于露天境界線內的地表。從監(jiān)測數(shù)據可知，邊坡巖體在各方向的位移速率較小，且曲線斜率變化較小，在降雨條件下發(fā)生一定程度的增加，雨水過后出現(xiàn)降低的趨勢。說明邊坡巖體的自穩(wěn)性較強，在雨水，振動等因素的影響下劣化程度不高，且具有一定的自恢復能力，即巖體暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結 論

本文探究了基于北斗GNSS技術的露天采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的構建及其在鞍千礦業(yè)啞巴嶺露天采場中的應用。應用結果表明，國產的基于北斗GNSS技術的露天采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)能有效地解決人工監(jiān)測費時、費力和實時性差的不足，實現(xiàn)對露天采場邊坡的在線實時監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據的有效性與準確性較高。