劉 偉,吳海明,李文星,沈立華,宋伶才,孫 越

(1.中核沽源鈾業(yè)有限責任公司,河北 張家口 076561;2.核工業(yè)計算機應用研究所,北京 100090)

露天礦山排土場邊坡穩(wěn)定性是生產安全的重要影響因素。基于礦山采排規(guī)劃,借助FLAC3D數值模擬軟件,研究不同工況下排土場邊坡穩(wěn)定性,優(yōu)選了排土場設計方案及支護措施[1]。排土場邊坡受巖土體重力、降雨和工程施工等因素的影響,始終處于動態(tài)變化過程中,在施工作業(yè)過程中需要時刻掌握排土場邊坡的變化。傳統(tǒng)上利用全站儀等設備進行邊坡監(jiān)測,該方法存在受地形影響大、投入成本高和易造成人工測量誤差等問題[2]。目前,北斗高精度定位技術逐漸應用于各工程領域,在橋梁形變監(jiān)測[2]、公路邊坡監(jiān)測[3]、大壩監(jiān)測[4]、滑坡監(jiān)測[5-6]等工程中,充分證明了北斗高精度定位技術的工程可行性。

為保證露天礦山排土場的安全及穩(wěn)定運行,利用北斗高精度定位技術對排土場邊坡形變進行高精度、全天候24 h無間斷實時監(jiān)測,自動化采集邊坡形變數據、實時處理和超前預警,旨在為企業(yè)的安全管理、事故預防提供有力支撐。

1 工程概況

1.1 工程背景

某露天礦山排土場位于露天礦山西部,屬構造剝蝕的低山地貌,海拔1 500～1 600 m,屬于山谷型,山坡坡度為25～30°。溝谷橫斷面呈“V”型,植被較發(fā)育,主要為低矮灌木及草地;兩側山坡局部基巖裸露[7]。

排土場基底坡度3.3°,地處溝谷,分為廢石場和單鉬堆。廢石場位于礦山西北側,呈“葫蘆形”,占地面積約為4.8×105m2,南北長1 290 m,東西寬200～550 m;廢石堆積厚度10～30 m,最高點位于北側(標高1 594 m),最低點位于最南側(標高1 544 m),廢石場設計的最終堆置高度為58 m。

目前沒有專門的鈾礦山排土場設計規(guī)范,多參照《有色金屬礦山排土場設計標準》(GB 50421—2018)進行鈾礦山排土場設計。依據該標準第3.3.1條的規(guī)定,工程一期排土場設計總容積為854.20萬m3,排土場堆置標高約1 600 m,排土場的級別為三級[8]。

1.2 監(jiān)測設備

依據《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330—2013)的監(jiān)測要求,遵循“適用性、先進性和經濟性”的原則進行監(jiān)測設備選型[9]。選用具有便攜性好、通用性強、可靠耐用等優(yōu)勢的北斗位移監(jiān)測設備,支持全GNSS星座系統(tǒng)聯合定位、單北斗系統(tǒng)獨立定位等多種定位模式,具備毫米級感知位移細微變化的能力,豐富的數據接口和傳輸協議滿足高效遠程調試、平臺網絡接入和監(jiān)測平臺即時訪問等使用需求。

依據露天礦山邊坡區(qū)域現場環(huán)境和地質環(huán)境,在排土場標高1 590、1 586、1 580 m的平臺(簡稱1590、1586、1580平臺)邊坡布設5個位移監(jiān)測點;在無明顯衛(wèi)星信號遮擋的位置設立1個基準站,與北斗位移監(jiān)測站聯合,實現毫米級的邊坡形變監(jiān)測。

排土場布設的5個位移監(jiān)測設備長期連續(xù)跟蹤接收GNSS衛(wèi)星信號,從可見GNSS衛(wèi)星中優(yōu)先選用北斗三號衛(wèi)星播發(fā)的導航信號進行捕獲、跟蹤和定位解算。通過數據通訊網絡實時將觀測數據傳輸到控制中心,結合基準站的觀測數據和起算坐標,通過控制中心北斗高精度定位解算軟件進行實時差分處理,消除監(jiān)測站與基準站之間的公共定位誤差項,提高定位精度,最終得到各監(jiān)測點精準的三維坐標,進而計算出監(jiān)測點毫米級的位移變化量。

2 GNSS監(jiān)測數據

相關工程于2021年10月竣工并交付使用,測試和調試結果表明基準站、監(jiān)測站、控制中心及相關通信網絡設施運行良好。對2022年1月1日—2022年10月31日排土場邊坡形變自動監(jiān)測數據進行繪制,得到各監(jiān)測點形變過程(圖1)。

各位移監(jiān)測站的形變監(jiān)測結果上報頻率默認為1次/h,監(jiān)測數據為當前監(jiān)測站三維坐標與初始標定坐標之間的偏移量,即累積位移量。為適應排土場平面結構特點,便于評估形變趨勢,將原始大地坐標系下的形變量轉換為法向偏移(徑偏)、切向偏移(橫偏)和垂直方向偏移(垂偏)。

截止至2022年10月31日24時,排土場各監(jiān)測點(1580平臺東、1580平臺西、1586平臺東、1586平臺西和1590平臺中)的形變過程較為平穩(wěn),各監(jiān)測點的形變屬穩(wěn)定型,變形趨勢基本處于勻速變形狀態(tài);位移量基本按穩(wěn)定斜率的直線演化,累積位移穩(wěn)定增加,未出現急劇加速或階躍性突變情況。因排土場施工作業(yè),各監(jiān)測點的垂直方向形變呈現持續(xù)增加的特征,垂直方向的形變速度較法向、切向的形變速度快,尤其是1590平臺中部的監(jiān)測點,垂直方向的形變速度最快,累積下沉量最大。

3 監(jiān)測數據處理

原始監(jiān)測數據包括監(jiān)測點的真實位移量和測量誤差,監(jiān)測數據中蘊含了豐富的邊坡活動特征信息。為了更好地挖掘監(jiān)測數據的價值,需對原始監(jiān)測數據進行降噪、濾波處理;在此基礎上對其進行特征分析,獲取排土場邊坡的動態(tài)演化進程信息,對邊坡穩(wěn)定性進行評估。

3.1 數據降噪

位移監(jiān)測設備受儀器自身精度、施工安裝、工作環(huán)境中的溫濕度,以及操作使用等因素的影響,監(jiān)測結果為隨機噪聲和測量真值的疊加。對監(jiān)測數據進行濾波、降噪處理,可提高監(jiān)測數據的信噪比,有利于特征量(形變變化趨勢)的提取,提高形變預測的準確度。

因原始監(jiān)測數據中未包含較大的突變成分,可采用移動平均法對監(jiān)測數據進行濾波處理,降低儀器噪聲和周圍環(huán)境對監(jiān)測數據的影響,更好地反映出各監(jiān)測點的變形趨勢[10]20,移動平均法處理公式為

監(jiān)測數據中包含的噪聲以加性平穩(wěn)高斯白噪聲為主,移動平均處理后的監(jiān)測數據信噪比的改善程度與N有關[10]21。由于噪聲序列間不相關,移動平均的數據窗口長度越長,噪聲序列間相互抵消作用越明顯,越有利于信噪比的提升;但過長的移動平均數據窗口,又會弱化真實信號序列間的快速變化特征,不利于預測模型的建立。因此,綜合考慮排土場監(jiān)測數據的特點,取每日采樣頻度24為移動平均數據窗口長度,計算每天的平均形變。預處理后的各監(jiān)測點每日的徑向偏移、橫向偏移和垂直偏移見圖2。根據預處理后的結果,對各監(jiān)測點典型位移量進行統(tǒng)計,結果見表1。

表1 排土場各監(jiān)測點典型位移量統(tǒng)計Table 1 Statistics for typical displacement of each monitoring point in the waste dump

圖2 監(jiān)測數據降噪預處理Fig. 2 Monitoring data denoising preprocessing

從表1可看出,各監(jiān)測點三方向的變形值緩慢增加,月變形變化速率也存在波動。1590平臺中部監(jiān)測點的形變最顯著,8月的累積形變量達7 mm(101.13 mm-94.11 mm=7.02 mm)。

3.2 數據擬合與預測

為定量刻畫樣本數據序列的變化規(guī)律,預測參數的變化趨勢,對監(jiān)測數據序列進行數據擬合,得到可描述時間序列的解析式,利用該解析式可計算未來時刻的形變量。

數據擬合的過程就是在某種準則下利用已有數據對解析式的參數進行估計。采用最小二乘法(Least Squares Method, LSM),按照殘差平方和最小原則,求得解析函數的最佳參數,實現監(jiān)測數據的擬合處理,定量反映出樣本數據的變化規(guī)律[10]22。

在最小二乘準則下進行數據擬合,原型函數為

y=anxn+an-1xn-1+…+a1x+a0,

擬合過程就是利用一組長度大于指定階次(n)的已知數據序列對多項式的系數(a)序列進行求解:

在本工程中,已知數據序列(x)為已有的監(jiān)測數據,在設定擬合曲線階次(n)后,當各監(jiān)測數據距離擬合曲線的偏差的平方和最小時,該擬合結果為最優(yōu)結果。

根據監(jiān)測數據預處理的結果,垂直方向的形變最顯著。因此,重點對各監(jiān)測點垂直形變進行數據擬合,對其未來變化趨勢進行預測。取各監(jiān)測點垂直方向的月形變量為已知數據序列(x),擬合階次(n)設為5階,求得最小二乘準則下的最優(yōu)多項式系數(a),在該組系數模型下對未來3個月垂直方向的形變量進行推算,結果見圖3。

圖3 監(jiān)測數據擬合與預測Fig. 3 Monitoring data fitting and prediction

由圖3可知,排土場施工作業(yè)使各監(jiān)測點垂直方向位移處于持續(xù)下降狀態(tài),1580平臺東監(jiān)測點平均每月下降2.0 mm,1580平臺西監(jiān)測點平均每月下降1.8 mm,1586平臺東監(jiān)測點平均每月下降2.8 mm,1586平臺西監(jiān)測點平均每月下降2.6 mm, 1590平臺中部監(jiān)測點的下降速率最高,平均每月下降6.0 mm。

4 結論

該露天礦山排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)充分發(fā)揮了北斗高精度定位的優(yōu)勢,為管理部門提供了數據支撐。連續(xù)10個月的監(jiān)測結果表明,該露天礦排土場邊坡尚處于平穩(wěn)期,但需增強對1590平臺邊坡的監(jiān)測力度和防護措施。

通過對監(jiān)測數據降噪、最小二乘擬合等處理,以最直接的邊坡位移變化為基礎,得到各監(jiān)測點數據變化規(guī)律和趨勢,可在一定程度上表征排土場邊坡形變的演化規(guī)律。