基于GNSS監測系統的露天礦失穩邊坡臨滑預報

侯 林

(山西煤炭運銷集團貓兒溝煤業有限公司，山西省忻州市，036500)

隨著我國煤炭工業露天開采的高速發展，露天礦山逐步由淺層開采向深凹開采過渡，邊坡高度、暴露時間、地質復雜程度隨之增大，邊坡穩定問題日益凸顯，嚴重影響煤礦企業的安全生產，亦成為制約礦山經濟效益的關鍵因素之一。一般大滑坡的發生都有明顯前兆，如果能準確地對邊坡的失穩破壞進行提前預警，就可最大限度地減小災害損失，其中邊坡表面變形就是最突出、最直接、最容易捕捉到的滑坡特征，所以邊坡變形監測是進行滑坡預警的可靠辦法之一。

在此背景下，邊坡變形監測和臨滑預報技術得到快速發展。目前，露天礦山常用監測手段主要有人工GPS監測、GNSS在線監測、邊坡雷達監測和深部巖移監測等。傳統的變形監測是在監測區建立控制網，使用精密全站儀、高精度水準儀、GPS為主要手段，選擇網中高等級點建立統一基準，將這些監控網點用可靠的方法高精度地與各部位的獨立基準點聯測，形成整體的監測網絡系統。傳統監測網的精度和可靠性高，但觀測周期長，所需費用高，而且需要大量的人力物力，難以實現精準的臨滑預報。GNSS在線監測技術由于其全天候作業的特點，不但可以取代傳統的測量作業方式，實現全天候在線監測，亦可將監測數據實時傳輸到控制中心，實現數據自動化傳輸、管理和分析處理，大大減輕人工現場監測的工作量，降低了勞動強度，同時提高監測數據質量，有益于實現邊坡的臨滑預報。

1 GNSS監測系統

1.1 系統目標

(1)實現對邊坡重要運行數據的實時采集、傳輸、計算、分析，包括表面位移監測，實時掌握滑坡體整體運行的安全狀態。

(2)直觀顯示各項監測、監控信息數據的歷史變化過程及當前狀態，為邊坡監測區安全生產管理人員提供簡單、明了、直觀、有效的信息參考。

(3)一旦出現緊急異常情況(如特大暴雨、滑坡體地下水超過預警值、滑坡體支護結構變形異常、滑坡體坡頂水平和垂直位移或位移變化速率超過預警值等)，系統能及時發出預警信息(包括聲音報警、系統動畫閃爍警報、監控大屏幕警報提示、相關管理人員和主管領導手機短信/郵件分級發布等)。

(4)能實現滑坡安全監測系統的遠程登錄、遠程訪問、遠程管理、遠程控制和遠程維護。

(5)多級管理平臺工作模式，可方便實現滑坡體安全監測信息在轄區安全生產管理機構、社區安全管理部門甚至社區居民等多級管理與信息共享。

1.2 精度指標

GNSS在線監測系統滑坡體表面位移監測精度要求為水平方向±2.5 m，垂直方向±5 mm。

1.3 主要功能與特點

(1)自動化監控功能。系統能夠實現監測數據自動采集、傳輸、存儲、處理分析及綜合預警，并具備在各種氣候條件下實現實時監測的能力。

(2)遠程在線查看功能。系統支持多種方式的客戶端形式，使用運行在調度中心的監測系統，可以在局域網內使用系統，也可在Internet網絡上使用系統。系統支持同時在線的多用戶操作，針對不同使用人員提供不同的功能。監測系統結構圖見圖1。

圖1 監測系統結構圖

(3)在線分析功能。安全監測管理分析模塊具備基礎資料管理、各項監測內容實時顯示發布、圖形報表制作、數據分析、綜合預警等功能。

(4)預報警功能。通過軟件對監測參數的實時在線分析，一旦監控參數超限，系統能夠進行界面報警、短信報警、郵件報警。提醒相關人員采取措施，預防事故發生。

(5)系統應具有擴展功能。系統在硬件配置及軟件設計方面充分考慮隨著開采面積的增加需增設監測點后軟件站點的接入。

2 監測工程實例

2.1 工程實例

山西煤炭運銷集團貓兒溝露天煤礦GNSS監測系統共包含1個基站、6個監測點：內排土場監測點2個，用于監測內排土場邊坡穩定狀況；工作幫監測點4個，用于監測工作幫邊坡穩定狀況。監測點照片見圖2。其中，G01監測點用于監測工作幫北側滑體變形，G05監測點用于監測工作幫南側滑體變形，G04用于監測工作幫滑體后緣高陡黃土臺階變形，G06用于監測工作幫東南側邊坡變形。監測點布設位置影像圖見圖3。

圖2 監測點照片

2018年3月1日-3月31日，工作幫邊坡G01和G04監測點累計位移量及位移速率監測歷時曲線如圖4和圖5所示。其中X為南北方向，以北為正；Y為東西方向，以東為正；H為監測點高程變化。

2.2 邊坡變形特征

由圖4和圖5可以看出，2018年3月17日8∶00～23∶00北側滑體及其后緣黃土臺階坡均出現不同程度的滑移變形：

(1)北側滑體G01監測點北移40.9 mm，東移14 mm，下沉34.8 mm，3月18日逐漸趨穩。

(2)滑體后緣黃土臺階G04監測點北移40.2 mm，西移22.4 mm，下沉26.4 mm，3月18日逐漸趨穩。

圖3 監測點布設位置影像圖

圖4 監測點G01位移變化監測圖

圖5 監測點G04位移變化監測圖

3 臨滑預報

3.1 滑坡變形—時間曲線特征

大量的邊坡變形監測資料統計分析表明，在重力作用下，按邊坡的變形—時間歷時曲線特征，可將滑坡分為漸變型、突發型和穩定型三種類型。其中，突發型滑坡因其在失穩破壞前所經歷的變形時間較短，變形增速很快，故此類滑坡的預警難度極大。穩定型滑坡因其主要表現為極為緩慢的蠕滑變形或者趨于停止的變形特點，其最終不會進入加速變形階段并產生突發性的失穩破壞，也不會對人員的生命財產造成意想不到的威脅和損失。因此，突發型和穩定型滑坡不是預警的重點。大量滑坡監測實例表明，漸變型滑坡在實際發生的滑坡中所占比重最大，且其變形規律明顯，利用其變形特征和規律，如圖6所示，可作出較為準確的預警預報，為礦山開采設備和人員的撤離和疏散提供充分的時間。在進行變形階段預測預報的過程中，監測數據的采集間隔至關重要，決定了預測預警的可靠程度，一般來講，臨滑預報所需監測數據采集的時間間隔為10 min左右。

圖6 漸變型滑坡變形—時間曲線三階段演化圖

3.2 滑坡變形—時間曲線分析

邊坡變形演化從勻速變形階段發展到加速或變加速變形階段的一個顯著特點，就是位移—時間曲線斜率的增大。在勻速變形階段，盡管在外界因素影響下，變形速度會有所波動，但變形歷時曲線宏觀的、平均的斜率應該基本保持不變，總體上呈現為“直線”。而一旦進入加速或變加速變形階段，曲線斜率會不斷加大，變形曲線總體上呈現為一條傾斜度不斷增大的上凹“曲線”。根據這一特點，通過對變形—時間曲線進行分析，綜合判斷邊坡的變形演化階段。許多監測曲線表明，很多滑坡變形僅存在勻速變形階段，隨著邊坡治理或開采工作的調整與改變，加速階段不存在或逐步轉化為穩定邊坡。

3.3 預警階段劃分與臨滑預報

根據滑坡變形—時間曲線，邊坡的加速變形階段是進行臨滑預報關鍵階段，隨著邊坡變形速度的逐步增高，滑坡變形—時間曲線呈現出短時間內無限增大的趨勢，并根據此趨勢，預測滑坡最終發生快速滑動的時間。

根據北側滑體監測點G01和其后緣黃土臺階監測點G04的位移速度曲線，該處邊坡自3月17日8∶00開始進入加速變形階段，產生蠕變滑移，有發生快速滑坡的風險，需盡快撤出邊坡上部及坑底作業設備。隨著邊坡應力重新調整，3月18日變形趨于穩定，作業設備可在監測條件下進場繼續作業。

根據監測成果，目前工作幫邊坡總體處于極限平衡狀態，變形處于定常蠕變階段，呈間斷式滑移變形，因此，應加強邊坡監測和人工巡檢工作，控制采剝程序，確保礦山安全生產。

4 結論

(1)GNSS監測技術由于其全天候作業的特點，可實現全天候在線監測，將獲取的數據實時傳輸到控制中心，實現數據自動化傳輸、管理和分析處理，它可以實現高度自動化，大大減輕室外作業強度，同時提高監測數據質量，有助于對地質災害進行預警預報。

(2)GNSS監測系統目前已經在多個礦區進行了成功的監測、預警，在邊坡失穩破壞前2～24 h內對滑坡災害作出預測，及時、準確、無誤地將預測結果上報礦方，礦方迅速撤離作業人員及作業設備，避免發生人員傷亡及設備掩埋等事故，保證了礦山的安全生產。