李勇波

（大冶有色金屬有限責(zé)任公司礦業(yè)分公司，湖北 大冶 435100）

露天礦山是我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)采的重要形式之一。露天礦山相對(duì)于其他非露天礦山而言開(kāi)采難度較低，但隨著開(kāi)采深度的增加，以及排土場(chǎng)堆排土方的增加，也會(huì)導(dǎo)致安全隱患的增加。露天礦山采場(chǎng)安全隱患的程度與礦山開(kāi)采深度、土方堆排高度、邊坡較度大小呈正相關(guān)。隨著礦山開(kāi)采深度增加、土方堆排高度增加、邊坡角度增大，邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)也在不斷增加。為了有效的預(yù)防露天礦山采場(chǎng)邊坡安全，在開(kāi)采過(guò)程中需要加強(qiáng)對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)是露天礦山采場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的基礎(chǔ)。研究測(cè)量技術(shù)在露天礦山采場(chǎng)邊坡安全中的應(yīng)用與發(fā)展對(duì)露天礦場(chǎng)安全管理創(chuàng)新及提升邊坡安全管理水平有著重要的意義[1]。

1 先進(jìn)的露天礦山采場(chǎng)邊坡測(cè)量技術(shù)

1.1 無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)指利用無(wú)人機(jī)搭載數(shù)碼相機(jī)快速獲取礦區(qū)航測(cè)影像，從而獲得礦區(qū)高分辨率、高精度、直觀的實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的技術(shù)。露天礦山采場(chǎng)受機(jī)械損傷、爆破、開(kāi)采深度等影響而導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生率較高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，露天礦山采場(chǎng)邊坡存在失穩(wěn)問(wèn)題或滑坡風(fēng)險(xiǎn)的比例占礦山邊坡總量的15%～20%，部分礦山邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)高達(dá)30%。首先，人工測(cè)量礦山邊坡存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，其次人工測(cè)量耗時(shí)耗力，且測(cè)量效率偏低。無(wú)人機(jī)航測(cè)能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)露天礦區(qū)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的測(cè)量，且精度可達(dá)厘米級(jí)。應(yīng)用無(wú)人機(jī)航測(cè)露天礦山采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)于高效的獲取更加精準(zhǔn)的露天采坑邊坡數(shù)據(jù)有著重要的作用。無(wú)人機(jī)獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)后自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行與處理，同時(shí)采取加密，生成DEM，再進(jìn)行GIS數(shù)據(jù)分析，為邊坡動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供準(zhǔn)確依據(jù)，從而便于及時(shí)有效的開(kāi)展邊坡風(fēng)險(xiǎn)分析和防范[2,3]。

1.2 雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)

雷達(dá)監(jiān)測(cè)露天礦山采場(chǎng)邊坡安全利用了雷達(dá)天線發(fā)射的信號(hào)在邊坡巖體反彈后被雷達(dá)重新接收，雷達(dá)系統(tǒng)自動(dòng)記錄接收信號(hào)和反射信號(hào)的相位，再通過(guò)對(duì)比前后兩次掃描數(shù)據(jù)來(lái)分析接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)之間的相位變化，從而計(jì)算邊坡位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的分析。邊坡位移計(jì)算公式參考下式1。

SSR-XT3D真實(shí)孔徑雷達(dá)在露天礦山采場(chǎng)邊坡位移監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)性高的優(yōu)勢(shì)。該雷達(dá)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)雷達(dá)波折射率、相干性及選取的邊坡相對(duì)穩(wěn)定參考區(qū)位移等參數(shù)指標(biāo)分析采場(chǎng)邊坡的位移數(shù)據(jù)質(zhì)量，并通過(guò)位移數(shù)據(jù)質(zhì)量分析邊坡的相對(duì)穩(wěn)定性，以此對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行預(yù)警[4]。

1.3 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是一種利用高精密性掃描儀及系統(tǒng)對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，并快速建立實(shí)體三維模型，并進(jìn)行邊坡對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析處理的技術(shù)。該技術(shù)是目前非接觸式測(cè)量中速度最快、空間分辨率最高的技術(shù)。它利用率脈沖測(cè)距的原理，高速激光測(cè)量輔助下使用激光掃描儀完成對(duì)邊坡表面三維坐標(biāo)的獲取和分析。三維激光最高的測(cè)量精度可達(dá)到亞毫米級(jí)。該技術(shù)結(jié)合了三維激光掃描儀的坐標(biāo)位置與被測(cè)邊坡點(diǎn)為坐標(biāo)的實(shí)測(cè)距離，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及構(gòu)建三維模型，最后利用三維模型對(duì)點(diǎn)云曲面進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際目標(biāo)物體掃描的同時(shí)精準(zhǔn)呈現(xiàn)露天礦山采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)的目的。由于測(cè)量精準(zhǔn)性極高，便于更加精細(xì)的呈現(xiàn)邊坡失穩(wěn)的細(xì)節(jié)，為采取針對(duì)性措施預(yù)防邊坡風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生提供了更加精準(zhǔn)的參考依據(jù)（如下圖1）。

圖1 礦山三維激光掃描技術(shù)圖示

1.4 GPS定位監(jiān)測(cè)技術(shù)

GPS技術(shù)是利用空間衛(wèi)星星座發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，由地面監(jiān)控系統(tǒng)接受定位信息并完成數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給用戶接收機(jī)的定位監(jiān)測(cè)技術(shù)。GPS數(shù)據(jù)采集具有全天候的特點(diǎn)，且對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡的連續(xù)監(jiān)測(cè)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲取邊坡變形情況。雖然GPS具有動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，便于分析某一點(diǎn)位邊坡位移的情況，但單一的GPS定位監(jiān)測(cè)對(duì)于點(diǎn)位信息的獲取需要配合人工巡視，在大型露天礦區(qū)邊坡監(jiān)測(cè)中受人工巡視效率的影響導(dǎo)致時(shí)效性不佳。一般GPS技術(shù)需要配合三維激光測(cè)量?jī)x、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，構(gòu)建遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，才能更好的發(fā)揮GPS定位動(dòng)態(tài)追蹤的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，保證采場(chǎng)邊坡的安全。

2 智能技術(shù)融合多種測(cè)量技術(shù)在邊坡安全中的應(yīng)用

撫順西露天煤礦是亞洲第一大露天礦，開(kāi)采歷史長(zhǎng)達(dá)百年。截止2013年底，露天礦坑長(zhǎng)6.6km、寬2.2km、深500m。2007年后監(jiān)測(cè)到撫順西露天煤礦南邊坡有移動(dòng)變形，到2014年南邊坡頂發(fā)生長(zhǎng)3100m、寬40m、落差18m的裂縫，發(fā)生了罕見(jiàn)的特大型礦山滑坡安全事故[5,6]。

為分析本次邊坡滑坡事故原因和確定露天礦區(qū)滑坡治理方案，最終啟動(dòng)了“天、空、地”多源協(xié)同監(jiān)測(cè)方案。該方案融合天基、空基、地基在內(nèi)的衛(wèi)星In-SAR、衛(wèi)星高分遙感、無(wú)人機(jī)高分影像、GNSS站點(diǎn)、TLS、紅外熱像、測(cè)量機(jī)器人、IOT等多種測(cè)量技術(shù)，構(gòu)建起全方位、自動(dòng)化的系統(tǒng)，用于該露天礦區(qū)邊坡天、空、地三維視角的協(xié)同監(jiān)測(cè)和綜合分析。監(jiān)測(cè)分析結(jié)果如下：

（1）2007～2013年7月，南邊坡滑坡體低速滑動(dòng)＜20mm/d。

（2）2013年8月～2014年12月，南邊坡快速滑動(dòng)，最大滑動(dòng)速率為180mm/d。

（3）2014年12月后，南邊坡轉(zhuǎn)為低速位移，至2015年7月1日，滑動(dòng)位移量下降至4～6mm/d。

（4）2013年4月～2015年7月，南邊坡滑坡體的北向滑動(dòng)位移量最為54.0m。

（5）坡體被位于礦區(qū)2號(hào)斷層、5號(hào)斷層與南緣地裂縫之間?！疤?、空、地”多源協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)撫順西露天煤礦南邊坡特大型滑坡的形成與時(shí)空發(fā)育規(guī)律提供了精確、詳細(xì)、完整的數(shù)據(jù)，為滑坡可靠性治理提供了科學(xué)的參考依據(jù)。由此可見(jiàn)多種測(cè)量技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用是獲取邊坡穩(wěn)定性數(shù)據(jù)和實(shí)施邊坡可靠性治理的關(guān)鍵。

3 邊坡安全測(cè)量技術(shù)的發(fā)展歷程及未來(lái)趨勢(shì)

3.1 發(fā)展歷程

露天礦山采場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性研究是露天礦安全生產(chǎn)的主要技術(shù)之一。過(guò)去在邊坡測(cè)量中，人們主要通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)勘查和分析，分析影響因素、變形破壞方式、變形地質(zhì)體成因、力學(xué)機(jī)制、地質(zhì)演化等條件，綜合分析邊坡滑坡模式。這也是一直以來(lái)邊坡穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)。隨著測(cè)量工具、測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到邊坡安全監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定性分析中。邊坡穩(wěn)定性及安全分析的方法也從最初的工程地質(zhì)分析法向多元化發(fā)展。如極限元分析法、數(shù)值分析法、可靠性分析法等。將這些方法的原理應(yīng)用到邊坡先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀及檢測(cè)系統(tǒng)中，就構(gòu)成了邊坡安全監(jiān)測(cè)體系。目前，邊坡監(jiān)測(cè)已經(jīng)向遠(yuǎn)程在線化和智能化發(fā)展。應(yīng)用的主要儀器、方法參考如下：①坡表大地測(cè)量法，主要測(cè)量?jī)x器有經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀、全站儀等；②GPS監(jiān)測(cè)法；③位移計(jì)監(jiān)測(cè)法；④紅外遙感監(jiān)測(cè)法；⑤激光微小位移監(jiān)測(cè)法；⑥合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量法，主要測(cè)量?jī)x器技術(shù)有SARinterferometry，INSAR；⑦時(shí)間域反射測(cè)試（TDR）技術(shù)；⑧坡體內(nèi)部的鉆孔傾斜儀、錨索測(cè)力計(jì)和水壓監(jiān)測(cè)儀等；⑨聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

3.2 未來(lái)趨勢(shì)

從各類邊坡測(cè)量的方法和儀器來(lái)看，未來(lái)露天礦山采場(chǎng)邊坡安全中系統(tǒng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用需求將明顯上升。在技術(shù)選擇上，信息化、數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)引領(lǐng)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著更加廣闊的應(yīng)用前景。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以“智慧”監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)理念為核心，融合GPS監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)人航測(cè)技術(shù)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)等先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)，面向智慧礦山的建設(shè)和發(fā)展，構(gòu)建起監(jiān)測(cè)范圍更大、監(jiān)測(cè)精度更高、邊坡穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)分析更全面、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警更高效的智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新上，會(huì)融合衛(wèi)星遙感、熱像監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)協(xié)同監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星導(dǎo)航監(jiān)測(cè)等，形成對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡“天、陸、地”全方位、全天候、立體化、自動(dòng)化、智慧化監(jiān)測(cè)的趨勢(shì)，來(lái)為露天礦山采場(chǎng)安全生產(chǎn)邊坡安全管理保駕護(hù)航（如下圖2）。

圖2 礦山智慧監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖示

4 結(jié)語(yǔ)

基于露天礦山采場(chǎng)邊坡安全管理的高要求，測(cè)量技術(shù)在露天礦山采場(chǎng)邊坡安全中的應(yīng)用對(duì)應(yīng)了不同安全管理需求。不同的測(cè)量技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)上有一定的差異，也存在不同程度的局限性。現(xiàn)代露天礦山采場(chǎng)邊坡則是基于高精準(zhǔn)性監(jiān)測(cè)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和邊坡穩(wěn)定性控制的需求而設(shè)計(jì)的天、陸、地協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以保障礦山開(kāi)采過(guò)程中對(duì)邊坡安全全方位、實(shí)時(shí)性、智能化、系統(tǒng)化的監(jiān)測(cè)和邊坡安全管理。這種基于天、陸、地的協(xié)同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用智能技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多種測(cè)量技術(shù)的深度融合，使得多種測(cè)量技術(shù)的在優(yōu)勢(shì)和局限上實(shí)現(xiàn)了互補(bǔ)，有效的提升了對(duì)露天礦山采場(chǎng)邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)和預(yù)警分析的水平，提升了邊坡綜合安全管理的效率和質(zhì)量，對(duì)于預(yù)防邊坡滑坡及各類風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)展有著重要的應(yīng)用價(jià)值。