任學(xué)鋒，黃科偉，李營(yíng)作

（1.準(zhǔn)格爾旗窯溝鄉(xiāng)廳子堰煤礦有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

隨著礦山采掘深度的加深，露天采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性問題日益顯現(xiàn)，邊坡安全受著采礦、降雨、爆破等活動(dòng)變形影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜化、頻繁化的特點(diǎn)[1-2]。隨著科技發(fā)展，露天礦監(jiān)測(cè)技術(shù)由原先常規(guī)簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)，向著智能化、精度化、自動(dòng)化邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)發(fā)展[3-4]。

邊坡監(jiān)測(cè)是對(duì)邊坡變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)、破壞進(jìn)行預(yù)警，主要由點(diǎn)、面以及單元來監(jiān)測(cè)表面土體位移，深部位移和宏觀位移。呂斌等[5]應(yīng)用合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)降雨前后邊坡穩(wěn)定性；蘭舜涯[6]將邊坡雷達(dá)應(yīng)用于四川某鐵礦高陡邊坡變形提前預(yù)警；李玲玲等[7]應(yīng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GPS 解算邊坡位移數(shù)據(jù)，水平精度至3～5 mm，垂直精度至5～8 mm；王濤等[8]在礦山邊坡中應(yīng)用滑動(dòng)式測(cè)斜儀明確了潛在的滑動(dòng)弱面，為邊坡治理提供科學(xué)依據(jù)；丁輝[9]在霍林河露天礦構(gòu)建綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警，有效預(yù)防滑坡災(zāi)害；鐘小宇等[10]在啞巴嶺露天采場(chǎng)應(yīng)用GNSS 技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)邊坡變形及時(shí)預(yù)警。

如何根據(jù)邊坡情況選取合適的監(jiān)測(cè)方法，構(gòu)建滑坡應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，獲取邊坡變形數(shù)據(jù)，為邊坡變形進(jìn)行預(yù)測(cè)亟需解決。D-InSAR 系統(tǒng)精度高、監(jiān)測(cè)范圍廣，但監(jiān)測(cè)信號(hào)容易被干擾，維護(hù)成本高，圖像處理較復(fù)雜；三維激光掃描技術(shù)能直觀反映邊坡位移情況，但受環(huán)境影響大，位移變化波動(dòng)大；GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有相比其他實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)別的精度，能夠?qū)τ诜秶鷥?nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)于抗干擾能力強(qiáng)，故可以反映邊坡時(shí)空變化規(guī)律，為滑坡等災(zāi)害提前預(yù)警[11-12]?；诖?，將GNSS 邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于露天礦邊坡監(jiān)測(cè)中，為邊坡穩(wěn)定性，煤炭安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 工程概況

露天礦煤田位于準(zhǔn)格爾煤田窯溝露天精查區(qū)北部，礦田面積4.0 635 km2，產(chǎn)能300 萬t/a。礦田地貌呈樹枝狀沖溝狀，支離破碎、溝谷縱橫、溝深且陡，地表為固結(jié)黃土與風(fēng)積砂。礦區(qū)地形南高北低，東西兩側(cè)高，中間低。最高點(diǎn)位于礦區(qū)南部的南梁附近，海拔1 290 m，最低點(diǎn)位于礦區(qū)北部的窯溝，海拔1 153 m，相對(duì)高差137 m。所在地區(qū)年總降水量238～732 mm，降水多集中在7—9 月，占年總降水量的60%～70%，且多為雷暴雨，最大日降水量可達(dá)96 mm。

工程地質(zhì)邊坡巖層可劃分為軟弱巖組、松散巖組2 類；含煤地層多以碎屑巖為主，局部夾碳酸鹽巖。

2 邊坡監(jiān)測(cè)

2.1 GNSS 監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)（傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊）和軟件（數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理與控制模塊、安全評(píng)價(jià)預(yù)警模塊）組成。

GNSS 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集邊坡數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過傳輸模塊傳送至控制中心，通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并與初始三維坐標(biāo)進(jìn)行比較，得出監(jiān)控點(diǎn)的變化，由此得出邊坡變形量、變形速率，變形加速度等。當(dāng)監(jiān)測(cè)出邊坡變形量達(dá)到設(shè)置的預(yù)警值時(shí)，發(fā)出預(yù)警，以便工作人員提前做出預(yù)防措施[13]。

2.2 邊坡監(jiān)測(cè)方案

隨著煤礦剝采的進(jìn)行，邊坡形態(tài)動(dòng)態(tài)演化，臨空面的的增加，致使邊坡變形加劇，特別是軟弱巖層和松散巖層。故在排土場(chǎng)和采掘場(chǎng)共布設(shè)11 條監(jiān)測(cè)線，33 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布在北部排土場(chǎng)，采場(chǎng)南部工作幫、排土場(chǎng)東幫及采場(chǎng)東幫大致5 個(gè)范圍，邊坡的沉降和位移變形監(jiān)測(cè)選用R/HYB2000 型便攜式邊坡雷達(dá)和RTK 型GPS 系統(tǒng)。邊坡變形數(shù)據(jù)由監(jiān)測(cè)點(diǎn)利用監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)測(cè)采集，通過GNSS 監(jiān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)傳輸、處理和儲(chǔ)存，便得到了各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的x、y、z 的偏移量、位移變化速率等。

3 邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

滑動(dòng)失穩(wěn)時(shí)常表現(xiàn)為邊坡的整體失穩(wěn)，即滑動(dòng)體大面積坍塌，通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置使?jié)撛诘幕瑒?dòng)體完全覆蓋，能對(duì)大范圍潛在滑動(dòng)體實(shí)時(shí)監(jiān)控。對(duì)露天礦采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，共收集1 480 743條數(shù)據(jù)?；诓杉臄?shù)據(jù)，選取北幫4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)半年的數(shù)據(jù)（2022 年1 月1 日—2022 年6 月30 日），進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

3.1 位移監(jiān)測(cè)分析

邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化規(guī)律如圖1。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化規(guī)律

邊坡變形位移變化雖偶有波動(dòng)但總體上趨于穩(wěn)定。GPS06 監(jiān)測(cè)點(diǎn)h 偏移量一直穩(wěn)步增加，在2022年6 月28 日19:10 分達(dá)到最大值為-248.3 mm，x、y偏移量圍繞0 刻度線波動(dòng)，偏移量上下幅度在±12 mm 以內(nèi)。GPS07 監(jiān)測(cè)點(diǎn)h 偏移量在04-13T 6:50 達(dá)到最大170 mm；x 偏移量在05-29T14:50 累計(jì)位移最大-196.9 mm，y 偏移量在±15 mm 以內(nèi)；雖然x、h 偏移量累計(jì)變化量大，大體上先增加后慢慢減小之后，開始反向偏移。GPS08 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，雖有來回波動(dòng)，但總體偏移量小，在25 mm 以內(nèi)。GPS09 監(jiān)測(cè)點(diǎn)前期穩(wěn)定變化，但從3 月24 日變化開始加快，直至5 月1號(hào)以后趨于穩(wěn)定；x 偏移量在06-27T 20:50 時(shí)累計(jì)位移最大57.9 mm，y 偏移量在04-25T 16:50 達(dá)到波頂55.7 mm，h 偏移量在06-28T 19:50 時(shí)達(dá)到頂峰-65.1 mm 后開始回移（正負(fù)號(hào)表示變形方向）。

3.2 預(yù)警分析

在邊坡滑坡災(zāi)害發(fā)生時(shí)，會(huì)有1 個(gè)短暫的預(yù)發(fā)時(shí)段，為及時(shí)監(jiān)測(cè)出邊坡變形的實(shí)時(shí)變化，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)設(shè)置為每隔10 min 收集1 次數(shù)據(jù)。露天礦所在地區(qū)解凍時(shí)間在四月初，結(jié)合圖1 的數(shù)據(jù)可知邊坡累計(jì)位移曲線變化率。監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警變形如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警變形圖

通過觀察，GPS06 監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)步發(fā)展，且位移速度都在11.5 mm/s 以下，處于變形啟動(dòng)階段。GPS07 點(diǎn)最大位移速度為15.3 mm/s，發(fā)展為初加速階段。GPS08 監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本保持穩(wěn)定，發(fā)展速度維持在7.8 mm/s 以下。GPS09 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在3 月中旬至5 月中旬變化加劇，分析得出在4 月3 日6:10 時(shí)速度達(dá)到最大29.3 mm/s，之后降低趨于穩(wěn)步發(fā)展。

由邊坡變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理分析可知：3 月底至4月中旬，邊坡變形普遍加劇；由于氣候回暖、凍土融化，體表水下滲，削弱了表層巖土的整體性，致使變形加劇。露天煤礦采掘場(chǎng)邊坡主要為軟巖，排場(chǎng)排棄物較松散；同時(shí)，采場(chǎng)作業(yè)、爆破震動(dòng)等因素影響邊坡穩(wěn)定性，巖體位移加劇。故在邊坡防治措施中，應(yīng)加強(qiáng)邊坡監(jiān)測(cè)結(jié)合人工巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并反饋特殊險(xiǎn)情，并制定應(yīng)急處理措施。

4 結(jié)語

1）構(gòu)建了收集-處理-預(yù)警一體化的監(jiān)測(cè)預(yù)警云平臺(tái)，及時(shí)掌握邊坡不穩(wěn)定區(qū)域監(jiān)測(cè)預(yù)警信息。對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)建議，特別是在人工巡查時(shí)具有指導(dǎo)意義，須重點(diǎn)排查在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示變形大、變形速率快的區(qū)域，有效的精簡(jiǎn)了人員及人工監(jiān)測(cè)時(shí)效差的問題。

2）在天氣回暖時(shí)，凍土消融對(duì)于邊坡巖體產(chǎn)生穩(wěn)定性的影響，監(jiān)測(cè)出邊坡位移變速速率加劇，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)預(yù)警。監(jiān)測(cè)情況表明凍土消融，對(duì)邊坡整體變形在可控范圍內(nèi)。

3）露天礦采掘場(chǎng)含有軟弱層，爆破作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，致使邊坡位移h 偏移量持續(xù)增加；排土場(chǎng)排棄物較松散，監(jiān)測(cè)顯示位移監(jiān)測(cè)x、y、h 偏移量穩(wěn)步增加，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明以上因素對(duì)邊坡變形在允許范圍內(nèi)。

4）在外排土場(chǎng)北側(cè)位移變形速率較大，針對(duì)該區(qū)域須加強(qiáng)人工巡查，特別是在春融、雨天。