＊李艷春 劉廣新 曾昱

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司 山西 036506）

引言

2023年2月內(nèi)蒙古阿拉善盟孿井灘生態(tài)移民示范區(qū)新井煤業(yè)有限公司礦區(qū)發(fā)生山體滑坡，此次坍塌事故發(fā)生在該露天煤礦西采區(qū)，為西采區(qū)北邊坡的山體整體發(fā)生塌方?，F(xiàn)場坍塌體量巨大，造成多名作業(yè)人員和車輛被掩埋。

由此可見，選取先進(jìn)、成熟的技術(shù)在線監(jiān)測露天采場邊坡，構(gòu)建礦山邊坡實(shí)時(shí)、全天候監(jiān)測體系和預(yù)警系統(tǒng)，建立一套科學(xué)防治、精準(zhǔn)施策的礦山邊坡安全體系和日常管理辦法尤為重要。通過表面位移變化形變曲線圖、加速度變化圖、速率變化曲線等指標(biāo)預(yù)測預(yù)警邊坡的滑動(dòng)方向、滑動(dòng)時(shí)間及規(guī)模，保障礦山的安全生產(chǎn)運(yùn)行。

山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司（以下簡稱“山煤露天礦”）地處于山西省忻州市河曲縣境內(nèi)，礦區(qū)面積約25km2。山煤露天礦地處黃土高原，黃土自然斜坡大部分在30°～40°，巖性為砂質(zhì)黃土，孔隙度大。坡體結(jié)構(gòu)疏松，裂隙和落水洞發(fā)育。一方面容易受到生產(chǎn)爆破震動(dòng)，另一方面雨水、冰雪融化沿黃土孔隙及落水洞下滲，增加土體重量，降低土體強(qiáng)度，軟化土質(zhì)結(jié)構(gòu)，易誘發(fā)了坡體崩塌和邊坡位移。為了保障山煤露天礦的安全生產(chǎn)作業(yè)，山煤露天礦先后實(shí)施兩期GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)全天候監(jiān)控邊坡穩(wěn)定情況。

1.GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)原理

GNSS的全稱是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System），從最早的美國GPS和俄羅斯的Glonass衛(wèi)星系統(tǒng)開始，各個(gè)國家也都開始研發(fā)自己的衛(wèi)星系統(tǒng)，在全球組網(wǎng)定位領(lǐng)域，逐步加入了中國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和歐盟Galileo衛(wèi)星系統(tǒng)，形成了全球組網(wǎng)的四大衛(wèi)星系統(tǒng)。在局部區(qū)域也形成覆蓋本土和局部地區(qū)的日本QZSS和印度NavIC衛(wèi)星系統(tǒng)。

監(jiān)測系統(tǒng)包含監(jiān)測信息數(shù)據(jù)獲取和監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布兩大系統(tǒng)。監(jiān)測信息系統(tǒng)包含現(xiàn)場GNSS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、5G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸、信息數(shù)據(jù)處理部分；監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)閾值設(shè)定，并根據(jù)位置變化、加速度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢和自動(dòng)預(yù)警。

GNSS表面位移監(jiān)測的平面和高程精度都是毫米級(jí)精度。監(jiān)測站點(diǎn)的接收機(jī)和基站的GNSS接收機(jī)共同觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過5G通訊發(fā)送數(shù)據(jù)到解算平臺(tái)，通過HCMonitor解算軟件實(shí)時(shí)解算出高精度差分?jǐn)?shù)據(jù)。通過與初始定位的坐標(biāo)信息進(jìn)行對(duì)比，求得xyz位移數(shù)據(jù)、加速度變化情況。當(dāng)位移變化量超過設(shè)定報(bào)警閾值時(shí)，展示平臺(tái)軟件通過短信和郵件等方式進(jìn)行報(bào)警信息發(fā)布。

2.GNSS監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢

目前GNSS監(jiān)測技術(shù)手段已經(jīng)成為露天礦山的主要監(jiān)測方式，并且在水利大壩、地質(zhì)災(zāi)害、交通邊坡監(jiān)測上都得到了廣泛應(yīng)用。相比較于周期性的人工傳統(tǒng)監(jiān)測方式，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)在人員安全性和數(shù)據(jù)時(shí)效性都得到進(jìn)一步提高。其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面。

(1)測站之間無需通視

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測手段一般通過全站儀進(jìn)行測量，需要在光線條件較好的白天時(shí)段監(jiān)測才能保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，在實(shí)際作業(yè)過程中，也避免不了轉(zhuǎn)點(diǎn)搬站過程。然而GNSS技術(shù)只要安置在空曠無遮擋區(qū)域就能獲取高精度的差分?jǐn)?shù)據(jù)，監(jiān)測站點(diǎn)于基準(zhǔn)站之間無需通視，對(duì)于空氣能見度沒有要求。

(2)全天候觀測

露天礦邊坡失穩(wěn)情況往往伴隨著氣候條件的變化，比如強(qiáng)降雨期間、冰雪融凍期間。在這種極端氣候條件下，在進(jìn)行人工外業(yè)監(jiān)測往往作業(yè)人員的安全性無法保障。GNSS監(jiān)測技術(shù)并不受氣象條件的約束，不論是刮風(fēng)下雨、霧霾沙塵均可以獲取高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能夠連續(xù)不間斷獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，極大減輕了監(jiān)測作業(yè)人員負(fù)擔(dān)和監(jiān)測效率。

(3)自動(dòng)化程度高

GNSS監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸、軟件平臺(tái)自動(dòng)解算、分析和發(fā)布，不需要人為干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的位移數(shù)據(jù)獲取，節(jié)省了人力資源成本和觀測時(shí)間。

(4)高精度三維定位

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測，水平位移監(jiān)測和垂直位移監(jiān)測需要分別處理，其監(jiān)測點(diǎn)位眾多、時(shí)間不統(tǒng)一增加了變形分析的難度。而GNSS接收機(jī)可以實(shí)時(shí)刷新站點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測時(shí)域和空域的嚴(yán)格統(tǒng)一，對(duì)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和變形分析具有重要作用。

(5)減少系統(tǒng)誤差的影響

變形監(jiān)測主要是基于大量的長期變形監(jiān)測資料，對(duì)其三維坐標(biāo)沒有任何要求，只需要計(jì)算出不同時(shí)期內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)間的差異，這個(gè)差異就可以稱為形變量。在觀測資料的處理和分析中，一些常見的系統(tǒng)誤差會(huì)對(duì)各時(shí)期的觀測值產(chǎn)生直接的影響，而對(duì)形變量的影響則相對(duì)較小。所以，在變形監(jiān)測過程中，通過一些方式來消除或減弱系統(tǒng)誤差，從而確保了變形監(jiān)測的準(zhǔn)確性，并降低了多種因素的影響。

(6)抗干擾性好、保密性強(qiáng)

基于GNSS的定位與監(jiān)測，本質(zhì)上屬于無源導(dǎo)航與定位的一種，即無需用戶終端發(fā)送任何信號(hào)，僅通過對(duì)GNSS的一次接收，就可以獲得相應(yīng)的定位與導(dǎo)航數(shù)據(jù)。該方案既能滿足大量用戶的需要，又具有良好的隱蔽性能。另外，由于采用了C/A碼、P碼編碼技術(shù)，因此具有良好的保密性能和抗干擾能力。

3.山煤露天礦邊坡系統(tǒng)建設(shè)

依據(jù)《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和當(dāng)前采場情況，結(jié)合采煤需求以及邊坡監(jiān)測需求，在山煤露天礦通過兩期項(xiàng)目，現(xiàn)已布置8條邊監(jiān)測線，分別為二采區(qū)南幫1條監(jiān)測線（1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)）；一號(hào)外排土場1條監(jiān)測線（3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)）；二號(hào)外排土場1條監(jiān)測線（3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)）；內(nèi)排土場東部1條監(jiān)測線（共4監(jiān)測點(diǎn)）；內(nèi)排土場北部1條監(jiān)測線（4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)）；內(nèi)排土場西部3條監(jiān)測線（每條監(jiān)測線3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，共9個(gè)監(jiān)測點(diǎn)），共計(jì)24個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。點(diǎn)位詳細(xì)分布情況見圖1。

4.多源露天礦監(jiān)測系統(tǒng)整合

山煤露天礦形變監(jiān)測系統(tǒng)目前采用的監(jiān)測方法主要有GNSS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)、深部位移監(jiān)測系統(tǒng)2種監(jiān)測方式。各監(jiān)測方式都有獨(dú)立的監(jiān)測軟件自成體系，對(duì)礦區(qū)邊坡、滑坡等變形區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。除了邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)，還有礦區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)。作業(yè)人員往往需要登錄多個(gè)系統(tǒng)界面才能獲取到礦區(qū)完整的監(jiān)測信息，對(duì)于綜合信息的及時(shí)獲取、融合數(shù)據(jù)的綜合分析以及聯(lián)動(dòng)預(yù)案的制訂都造成困擾?；诖宋覀儗NSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)與事故風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)整合到一起，通過統(tǒng)一的前端系統(tǒng)展示給用戶。同時(shí)，監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，生成需要的測點(diǎn)分布圖、位移變化趨勢圖、速度變化趨勢圖、加速度變化趨勢圖和報(bào)表，形象直觀的展示監(jiān)測數(shù)據(jù)。

GNSS接收機(jī)采集原始位置信息，通過現(xiàn)場無線通信網(wǎng)絡(luò)，按照RTCM32協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至設(shè)備監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行解算，獲取毫米級(jí)位移量，礦區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)分析從設(shè)備監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)，并按照事故風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)協(xié)議要求使用HTTP協(xié)議實(shí)時(shí)推送給礦區(qū)風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)。

傳感器描述文件（測點(diǎn)定義描述文件）：推送的傳感器的命名格式為單位編號(hào)—CDDY—時(shí)間.TXT。文件第一行：系統(tǒng)型號(hào)；系統(tǒng)名稱；生產(chǎn)廠家；文件內(nèi)容更新時(shí)間；監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)數(shù)。

表1 測點(diǎn)屬性結(jié)構(gòu)表

比如，煤礦編碼為140102B0011010000002的礦井邊坡監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)配置在2016年6月24日11點(diǎn)24分24秒發(fā)生變化，則測點(diǎn)定義文件：140102B0011010000002—CDDY—20160624112424.TXT的內(nèi)容為：CN；煤礦邊坡監(jiān)測系統(tǒng)；XXXX有限公司；2016-06-2411:24:24；1～140102B001101000000201KG10087633；1；140102B001101000000201DT0015426；測點(diǎn)1；工作幫；1；0.10；0.10；0.10；3.00；3.00；3.00；1.00；2.00；3.00；0；1；2～||。

5.結(jié)語

山煤露天礦GNSS邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)掌握了邊坡、排土場安全狀態(tài)和變化演進(jìn)，準(zhǔn)確地對(duì)不穩(wěn)定邊坡的形變趨勢，滑塌時(shí)間、范圍、危害做出預(yù)測預(yù)警。為防治滑坡及可能的滑動(dòng)和蠕動(dòng)變形提供技術(shù)依據(jù)，為科學(xué)決策提供依據(jù)。特別是與礦區(qū)事故風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)的融合，形成了綜合監(jiān)控“一張圖”，以邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場作業(yè)人員定位信息、車輛定位系統(tǒng)、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦安全生產(chǎn)的全面監(jiān)控。及時(shí)提出防控措施和實(shí)施應(yīng)急響應(yīng)，更大程度保障露天礦的安全生產(chǎn)，保護(hù)相關(guān)人員生命安全，最大限度地減少邊坡滑坡所帶來的損失，保障煤炭開采的順利進(jìn)行。