基于GNSS的露天采场边坡监测系统构建

2022-07-13朱成峰张玉婷

现代矿业 2022年6期

孙威朱成峰张玉婷

（河北钢铁集团矿业有限公司）

随着露天铁矿采场台阶增高，采场边坡的稳定性随之降低，边坡滑坡是露天矿安全生产的重大隐患之一，一旦发生滑坡等地质灾害，轻则摧毁设施、毁坏厂房，重则职工伤亡，使矿山停工停产，危害十分严重［1］。现阶段我国很多露天矿山已经开采多年，大多已经进入了深部开采，然而在开采过程中最常见、最突出的灾害形式就是滑坡［2-3］。因此，选取先进、成熟的技术来在线监测露天采场边坡，建立一套智能边坡安全监测系统和预警系统，不仅能够为边坡日常养护、管理和监测提供条件，同时能够预测滑坡的边界条件、规模、滑动方向、发生时间及危害程度，尽早采取措施，以避免和减轻灾害损失。

司家营北区分公司露天采场二期I采场（研山采场）随着采场台阶逐步到界，边坡发生滑坡等地质灾害的概率也随之上升。为了保障采场工作人员的生命安全，实现矿区安全高效运营，满足企业智慧矿山发展需要，亟需一套科学可靠、经济适用、自动化水平先进的监测系统，能够对高陡露天采场边坡稳定性进行监测和预警。

1 露天采场及边坡概括

1.1 露天采场基本概况

司家营铁矿隶属于河北钢铁集团，位于河北省唐山市滦县城南10 km，是冀东矿脉的一部分，矿区内矿体南北长10 km，东西长2 km，以S6勘探线为界被分为南北两区，南区长6 km，北区长4 km。司家营北区分公司露天采场以N18号勘探线为界，勘探线以北为二期I采场（研山采场），勘探线以南为一期II采场（司家营采场），目前两采场已经合并，形成统一管理，本次以研山露天采场边坡监测为研究对象。研山采场长1 650 m，宽1 600 m，周长为5.802 km，面积为2.26 km2。最高开采标高为62 m，终了境界露天底标高为-547 m，最终边坡高达609 m。截止2020年10月末，研山采场最低生产标高为-181 m，现揭露边坡局部已高达243 m。采场东帮-67 m标高以上基本靠帮，-127 m标高以上局部靠帮；采场西帮30 m标高以上基本靠帮；采场北帮-30 m标高以上基本靠帮，-97 m标高以上局部靠帮。为满足安全生产需要，对研山采场露天边坡进行稳定性研究及治理规划，2020年末结合终了境界和2020年末采场内各分区边坡的变形指数和滑坡风险等级指数，确定了终了境界采场边坡安全监测等级分为二级和三级。

1.2 露天采场边坡监测概况

当前研山采场监测方式主要以人工监测为主，并已经采用GNSS在线监测进行初步应用，具体如下：研山采场东帮-18～-42 m坡面、-42～-67 m坡面边坡治理区域现有8个锚索预应力监测点，正常时段，每月进行一次数据测量，汛期强降雨后根据实际情况加密测量频次。采场东帮主路东6 m水平现有7个人工监测点、采场北帮大小观礼台之间现有4个人工监测点、采场东帮-18 m水平现有3个人工监测点、采场东帮-42 m水平现有4个人工监测点，现有人工监测点共计18个，全部采用全站仪（或RTK）进行监测，定期对边坡的稳定性进行观测并登记台账，每周开展一次边坡位移测量。因监测工作量增大及对实时监测需要，试用GNSS在线监测设备对边坡进行监测，在采场东帮-42 m水平位置布置3个GNSS在线监测点、-67 m水平布置了2个GNSS在线监测点，采场大观礼台现有1个基准点。为验证GNSS的可靠性，增加对比数据，采场作业人员在5个GNSS监测点附近布设5个人工监测点，通过使用全站仪（或RTK）进行单点人工监测，并与在线监测系统进行数据对比。

1.3 边坡监测的要求

随着采场开采深度的不断下降，三级监测区内边坡高度将逐渐大于200 m，表面位移将逐步要求在线监测，原地表边坡监测系统的部署已无法满足有关国家与行业规范及地方监管部门对边坡监测范围、监测点数量的要求，需在原监测系统的基础上按照国家、地方有关规定重新部署露天边坡监测系统。原来地表的监测系统不能实现自动化安全监测，主要为人工监测，需要定期对边坡的稳定性进行观测并记录台账，存在获取信息周期长、数据更新慢、数据处理不及时、人工测量误差大、不能实现全天候监测、无法进行预警等问题。在充分利用现有监测设备的基础上，要求设计一套边坡安全监测方案，既能满足国家与行业规范及地方监管相关规范要求，又能满足不受恶劣天气的影响，可实现智能化、网络化和不间断的三维高精度测量，达到全天候在线监测及预警。

2 GNSS位移监测简介

全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统［4］，供应商主要有美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（GALILEO）和中国的北斗卫星导航系统（BDS）。目前GNSS系统基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，并推动了大地测量与导航定位领域的全新发展［5］。

GNSS位移监测站是野外地表自动化监测专用产品，可对地表垂直位移、水平位移等进行全天候自动化监测，适用于露天矿山边坡地址灾害监测，支持监测数据远程推送和本地存储［6］。GNSS位移监测站主要由GPS接收机、天线、无线通讯系统、太阳能供电系统、避雷系统、监测站安装立杆等设备组成。GNSS位移监测站建设方便，主要为监测墩的施工，随着矿山开采进程及时补充建设监测墩即可［7］。

3 GNSS位移监测方案设计

3.1 2020年末研山采场CNSS监测方案

采场试用5个GNSS监测点进行在线监测半年后，与使用全站仪（或RTK）进行单点人工监测结果进行数据对比分析后，GNSS监测技术具有高精度、大量程、实时监控等优势，因此研山采场靠帮区域全部采用GNSS监测系统进行监测方案。本次方案共需布设56个GNSS在线监测点，其中51个需要新购，并建设GNSS监测桩；5个利用矿山现有GNSS设备，不再新购，需新建4个监测桩，原有1个监测桩继续使用；未靠帮区域采用人工监测（全站仪）形式进行监测，共需布设19个人工监测点。2020年末研山采场各监测区表面位移监测线和监测点布置详见表1、图1。

3.2 终了境界监测方案

根据终了境界各监测区确定的安全监测等级，研山采场分为二级监测区和三级监测区。三级监测区由于监测区内边坡高度均大于200 m，监测等级更高。

终了境界监测方案为2020年末监测方案的延续，即终了境界该采场延续采用GNSS监测系统进行监测。2020年末该采场设计布设56个GNSS在线监测点，终了境界该采场共需布设315个GNSS在线监测点。2020年末至终了境界共需新增259个GNSS在线监测点，均新建GNSS监测桩。依据《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》，露天采场应每3 a进行一次采场边坡稳定性分析，重新确定各分区安全监测等级，监测等级发生变化的边坡应按照相应等级调整，补充设计后进行建设。即该采场每3 a新增一次GNSS在线监测点，每次新增约43个GNSS在线监测点。

研山采场终了境界各监测区表面位移监测线和监测点布置详见表2、图2。

4 现场应用情况

GNSS监测点采集的数据通过4G通讯方式传输到研山采场调度室服务器，该服务器搭载自动化监测软件对数据自动分析和预警。监控中心主机上安装专用软件，通过服务器即可实现实时传感器数据采集、数据查询与分析，监测数据达到报警阈值时及时预警，另外安全监测技术人员只要佩戴装有工程安全卫士APP的手机，即可随时查询上报记录，及时了解现场情况，出现异常情况时，及时探勘现场情况，制定治理方案；出现危急情况时，第一时间做出决策，指挥人员及时有序疏散，避免人员伤亡和财产损失。研山采场采用GNSS对露天采场边坡进行实时监控，满足了矿山企业智慧化和信息化硬件升级需求，通过与全站仪（或RTK）人工监测相比，GNSS不受气候的影响，可实现全天候、不间断的三维高精度测量；测站间无需保持通视，量程大，可进行大范围监测；易于实现全系统的自动化实时监控；可以实现无人值守，人工监测人数减少80%左右，成本大大缩减；可实现实时传感器数据采集、数据查询与分析，监测数据达到报警阈值时及时预警；通过电脑或者佩戴装有工程安全卫士APP的手机，即可随时查询上报记录，及时了解现场情况。