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        GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)在白音華二號(hào)礦的應(yīng)用

        2022-10-04 06:34:54王立文
        露天采礦技術(shù) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:觀測線露天礦監(jiān)測點(diǎn)

        王立文

        (1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 撫順 113122)

        我國大部分露天礦山經(jīng)過長期的開采后,其采場邊坡及排土場邊坡往往會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定性問題,存在發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的安全隱患,對(duì)露天礦山的可持續(xù)健康發(fā)展產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。通過長時(shí)間的觀測總結(jié),地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)邊坡巖體在發(fā)生滑坡之前會(huì)出現(xiàn)明顯的物理征兆,其空間形變信息會(huì)隨著時(shí)間序列的變化而呈現(xiàn)加速趨勢,同時(shí)平面形變信息及垂直形變信息會(huì)隨著變形巖體所處位置的不同呈現(xiàn)差異性變化。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),變形巖體會(huì)表現(xiàn)為前緣隆起,后緣沉降及兩側(cè)錯(cuò)動(dòng)等現(xiàn)象。如果通過某種監(jiān)測方法能夠快速捕捉到這些特征,就可以實(shí)現(xiàn)滑坡事故的提前監(jiān)測及預(yù)警,避免或最大限度地減輕地質(zhì)災(zāi)害造成的損失,保障露天礦山的生產(chǎn)安全[1-2]。

        隨著科技的不斷進(jìn)步,我國的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測技術(shù)也呈現(xiàn)多樣性發(fā)展,現(xiàn)階段在露天礦山主要應(yīng)用的有RTK、GNSS、邊坡雷達(dá)、測量機(jī)器人及三維激光掃描儀等設(shè)備,其中GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)具有測量精度高、覆蓋面積廣、監(jiān)測周期長及適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各大金屬及非金屬露天礦山。為此,以內(nèi)蒙古錫林郭勒白音華二號(hào)露天煤礦的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)為例,通過對(duì)GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)的布置設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行探討。

        1 系統(tǒng)構(gòu)成

        1.1 基本原理

        GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)主要衍生于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System),如中國的北斗導(dǎo)航BDS、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS 及歐盟的GALILEO 等4 大系統(tǒng)[3-5],其基本原理是通過測量內(nèi)置接收機(jī)與4 顆或4 顆以上已知位置衛(wèi)星的距離來確定自身的空間信息。再輔助于基準(zhǔn)站進(jìn)行相互校正,進(jìn)而獲得監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),并以一定的時(shí)間間隔為取樣標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)計(jì)歸集該點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息的,最終顯示邊坡的形變信息[6]。GNSS 工作原理圖如圖1。

        圖1 GNSS 工作原理圖

        我國大部分露天礦山在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)過程中,通常采用幾個(gè)或十幾個(gè)監(jiān)測點(diǎn)組成全礦的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),覆蓋大部分重點(diǎn)或具有潛在滑坡危險(xiǎn)的邊坡區(qū)域,再通過4G/5G 無線網(wǎng)絡(luò)將測量數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器,并以WEB 或APP 的模式圖像化于顯示終端,供用戶進(jìn)行即時(shí)在線數(shù)據(jù)查詢、分析及管理等工作。

        1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

        GNSS 監(jiān)測主要由測量系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及防雷系統(tǒng)等部分組成[7-8]。全系統(tǒng)各組成部分具體功能如下:

        1)測量系統(tǒng)。是數(shù)據(jù)采集單元,通過高精度的接收機(jī)進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集工作。

        2)通信系統(tǒng)。是數(shù)據(jù)傳輸單元,通過內(nèi)置物聯(lián)網(wǎng)卡和外置天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸工作。

        3)供電系統(tǒng)。是能量供應(yīng)單元,通過太陽板給內(nèi)置的硅能電池進(jìn)行儲(chǔ)能充電,并支持全系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

        4)軟件系統(tǒng)。是監(jiān)測分析單元,通過人機(jī)交互界面可以供用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,包括各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析及管理工作。

        5)防雷系統(tǒng)。是雷電防護(hù)單元,通過加裝避雷器可以有效降低雷擊環(huán)境下系統(tǒng)線路的瞬時(shí)過載電流,保護(hù)測量設(shè)備的安全。

        2 布置設(shè)計(jì)

        2.1 單點(diǎn)測量

        2.1.1 測量方式

        傳統(tǒng)的GNSS 技術(shù)受限于衛(wèi)星鐘差、通信延遲、接收機(jī)誤差及數(shù)據(jù)處理誤差等影響,單系統(tǒng)或多系統(tǒng)組合的單點(diǎn)定位精度只能達(dá)到米級(jí),無法滿足于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的需要。隨著GNSS 邊坡監(jiān)測技術(shù)的日益發(fā)展,利用差分定位技術(shù)、定性定量的GNSS解算算法、“YUE”卡爾曼濾波模型及粗差數(shù)據(jù)自動(dòng)剔除等方法,可以將衛(wèi)星定位的精度提升到毫米級(jí)、亞毫米級(jí)。其中差分定位技術(shù)是通過建立基準(zhǔn)站,并實(shí)時(shí)輸出差分改正數(shù)據(jù),使GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)在精度、靈敏度之間實(shí)現(xiàn)定性、定量的平衡,即可保證監(jiān)測的精準(zhǔn)性,也可以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

        目前,白音華二號(hào)露天煤礦所采用的GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)可以接收BDS、GPS、GLONASS、Galileo 和QZSS 全系統(tǒng)、全頻點(diǎn)的高精度定位和定向的電磁波信號(hào),可以采集各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的x、y、h(垂直位移)、xy(平面位移)及xyh(空間位移)方向的形變信息。

        2.1.2 布設(shè)方式

        1)基準(zhǔn)站的位置確定原則。在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的過程中,首先要進(jìn)行現(xiàn)場勘查,確定基準(zhǔn)站及各監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)位置,其中基準(zhǔn)站的位置確定原則要充分考慮到:①地質(zhì)條件好,地表穩(wěn)固可靠;②距離適中,便于觀察及維護(hù);③電源穩(wěn)定,且具有后備應(yīng)急電源。

        2)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量?;鶞?zhǔn)站布設(shè)后,只需根據(jù)現(xiàn)場邊坡穩(wěn)定性情況決定配置監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量,每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都可獨(dú)立測量,并反映所處邊坡巖體的形變信息,其布設(shè)位置要充分考慮到:①放置于邊坡平臺(tái)表面,能夠反映區(qū)域邊坡巖體的形變特征;②距離周圍障礙物的高度小于15°,避免工程活動(dòng)影響;③遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源及高壓輸電線,避免受到磁場干擾。

        2.1.3 監(jiān)測方式

        GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的測量周期為10 min~30 d,最快也可以幾分鐘1 次,并可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行自定義設(shè)置。系統(tǒng)每日24 時(shí)自動(dòng)整理歸集測量數(shù)據(jù),并自動(dòng)生成日報(bào)、周報(bào)及月報(bào)傳輸至云服務(wù)終端。

        監(jiān)測分析軟件可以顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的表面位移,包括位移變化趨勢圖、斷面曲線圖、速度、加速度、數(shù)據(jù)列表、報(bào)警查詢、周/月報(bào)表、自定義時(shí)段對(duì)比報(bào)表及系統(tǒng)管理等信息。通過這些信息可以以測量數(shù)據(jù)的時(shí)間序列為基礎(chǔ),分析各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所代表邊坡巖體的變形演化規(guī)律,并清晰的顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的位移變形曲線及矢量方向,最終通過設(shè)置報(bào)警閾值的方法進(jìn)行邊坡預(yù)警,為礦區(qū)作業(yè)人員及設(shè)備的安全撤離及避險(xiǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

        2.2 多點(diǎn)連線

        現(xiàn)場實(shí)踐工作中,單個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所能監(jiān)測的區(qū)域較小,僅能反應(yīng)周圍一定范圍的形變信息,因此GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)往往需要在被測邊坡放置多臺(tái)監(jiān)測點(diǎn)才能真正反映此區(qū)域邊坡巖體的形變信息。露天礦山的采場、排土場邊坡是由一個(gè)個(gè)人工采掘或堆砌的臺(tái)階組成的,因此為達(dá)到更好的監(jiān)測效果,其監(jiān)測點(diǎn)需要在每一個(gè)臺(tái)階或間隔幾個(gè)臺(tái)階布設(shè)1臺(tái)設(shè)備,形成一條便于觀察的縱向觀測線,此觀測線可以根據(jù)礦山現(xiàn)場勘察設(shè)計(jì)或邊坡安全評(píng)價(jià)中的地質(zhì)剖面圖進(jìn)行劃分確定[9]。GNSS 觀測線劃分圖如圖2。

        圖2 GNSS 觀測線劃分圖

        2.3 區(qū)域組網(wǎng)

        我國的露天礦山多數(shù)為凹陷露天礦,隨著礦產(chǎn)資源的持續(xù)開發(fā)利用,其采掘深度不斷增加,已經(jīng)形成了大量的采場邊坡和排土場邊坡。這些邊坡所處的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文條件及邊坡角度均不相同,同時(shí)變形巖體所處位置、形變程度及矢量方向也不相同,因此要將這些邊坡進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測客觀上存在一定的困難性。通過長時(shí)間的摸索實(shí)踐,在汲取先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,逐步組建起一個(gè)由多條觀測線構(gòu)成的密集監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),可以有效確定邊坡巖體的變形范圍及變形程度。GNSS 監(jiān)測網(wǎng)布置圖如圖3。

        圖3 GNSS 監(jiān)測網(wǎng)布置圖

        在構(gòu)建GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)之時(shí),首先需要進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地勘查,確認(rèn)當(dāng)前存在變形或具有潛在滑坡危險(xiǎn)的邊坡區(qū)域,再通過多條觀測線進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤監(jiān)測,定期整理歸集同一區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù),并將所有數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器中進(jìn)行解碼計(jì)算,最終形成全礦的三維立體監(jiān)測網(wǎng)。

        3 數(shù)據(jù)分析

        3.1 數(shù)據(jù)對(duì)比

        GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)無人值守的完全自動(dòng)化監(jiān)測,能夠?qū)吰碌男巫冃畔⑦M(jìn)行采集、傳輸、解算、分析、報(bào)表、存儲(chǔ)、查詢與發(fā)布等功能,實(shí)時(shí)掌握跟蹤邊坡巖體的動(dòng)態(tài)變形情況。

        近年來隨著4G/5G 網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、物聯(lián)通信等先進(jìn)技術(shù)的更新迭代,為提供更好的人機(jī)交互界面,便于用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行操作,現(xiàn)階段大多數(shù)GNSS 的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)已不再局限于傳統(tǒng)的PC 軟件終端,通過采用B/S 架構(gòu)設(shè)計(jì),支持主流Web 瀏覽器登錄,通過網(wǎng)頁即可查詢監(jiān)測情況,包括各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、分析。

        GNSS 的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以將所有監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)整理歸集到1 個(gè)報(bào)表內(nèi),并按觀測線、點(diǎn)號(hào)、位置及標(biāo)高等內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分標(biāo)注。同一監(jiān)測周期內(nèi),可以統(tǒng)計(jì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的平面位移、垂直位移和空間位移等三維形變數(shù)據(jù),并進(jìn)行前期與當(dāng)期的數(shù)值對(duì)比計(jì)算,反映增減、沉降情況。在實(shí)際運(yùn)用中,通過云端服務(wù)器的快速解算模塊,可以生成2、4、8、24 h 等時(shí)間周期的報(bào)表,使用戶可以及時(shí)了解、掌握各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況。

        3.2 曲線跟蹤

        在監(jiān)測過程中,GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)隨著測量時(shí)間的累積推移,每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都會(huì)構(gòu)建出1 條時(shí)間序列的數(shù)據(jù)曲線,包含x、y、H(垂直位移)、xy(平面位移)及xyH(空間位移)矢量方向上的變形量[10],可以完全反映其所代表邊坡巖體的三維形變情況,通過跟蹤這條曲線的圓滑度可以分析判斷邊坡的變形趨勢及規(guī)律如圖4。

        圖4 GNSS 監(jiān)測曲線跟蹤圖

        4 結(jié)語

        1)GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)以衛(wèi)星定位、云計(jì)算及物聯(lián)通信等核心技術(shù)為依托,可以對(duì)當(dāng)前存在變形或具有潛在滑坡危險(xiǎn)的邊坡進(jìn)行全方位覆蓋和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測,進(jìn)一步提升了白音華二號(hào)露天煤礦的邊坡安全管理能力。

        2)通過現(xiàn)場勘查及邊坡安全評(píng)價(jià)設(shè)計(jì),采用單點(diǎn)測量、多點(diǎn)連線及區(qū)域組網(wǎng)的布置思路,構(gòu)建了GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)白音華二號(hào)露天煤礦采場、排土場邊坡的三維立體實(shí)時(shí)在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),可以對(duì)邊坡巖體進(jìn)行可靠的變形監(jiān)測。

        3)通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比和曲線跟蹤,GNSS 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)可以形象化的反映邊坡巖體的三維形變信息,同時(shí)通過對(duì)監(jiān)測曲線圓滑度的分析可以有效判斷邊坡巖體的矢量變形趨勢,并預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)邊坡巖體的變形規(guī)律,提高預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。

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