測量技術在露天礦山采場邊坡安全中的應用與發展

李勇波

（大冶有色金屬有限責任公司礦業分公司，湖北 大冶 435100）

露天礦山是我國礦產資源開采的重要形式之一。露天礦山相對于其他非露天礦山而言開采難度較低，但隨著開采深度的增加，以及排土場堆排土方的增加，也會導致安全隱患的增加。露天礦山采場安全隱患的程度與礦山開采深度、土方堆排高度、邊坡較度大小呈正相關。隨著礦山開采深度增加、土方堆排高度增加、邊坡角度增大，邊坡失穩的風險也在不斷增加。為了有效的預防露天礦山采場邊坡安全，在開采過程中需要加強對邊坡的監測和風險預警。先進的測量技術是露天礦山采場邊坡監測和風險預警的基礎。研究測量技術在露天礦山采場邊坡安全中的應用與發展對露天礦場安全管理創新及提升邊坡安全管理水平有著重要的意義[1]。

1 先進的露天礦山采場邊坡測量技術

1.1 無人機航測技術

無人機航測技術指利用無人機搭載數碼相機快速獲取礦區航測影像，從而獲得礦區高分辨率、高精度、直觀的實景三維模型數據的技術。露天礦山采場受機械損傷、爆破、開采深度等影響而導致的邊坡失穩現象發生率較高。據不完全統計，露天礦山采場邊坡存在失穩問題或滑坡風險的比例占礦山邊坡總量的15%～20%，部分礦山邊坡滑坡風險高達30%。首先，人工測量礦山邊坡存在較高的風險，其次人工測量耗時耗力，且測量效率偏低。無人機航測能夠在較短的時間內完成對露天礦區采場邊坡穩定性的測量，且精度可達厘米級。應用無人機航測露天礦山采場邊坡結構的穩定性，對于高效的獲取更加精準的露天采坑邊坡數據有著重要的作用。無人機獲取三維點云數據后自動對數據進行與處理，同時采取加密，生成DEM，再進行GIS數據分析，為邊坡動態監測提供準確依據，從而便于及時有效的開展邊坡風險分析和防范[2,3]。

1.2 雷達監測技術

雷達監測露天礦山采場邊坡安全利用了雷達天線發射的信號在邊坡巖體反彈后被雷達重新接收，雷達系統自動記錄接收信號和反射信號的相位，再通過對比前后兩次掃描數據來分析接收信號和發射信號之間的相位變化，從而計算邊坡位移，實現對邊坡結構穩定性的分析。邊坡位移計算公式參考下式1。

SSR-XT3D真實孔徑雷達在露天礦山采場邊坡位移監測的應用中，具有數據監測精準性高的優勢。該雷達在線監測系統能夠通過雷達波折射率、相干性及選取的邊坡相對穩定參考區位移等參數指標分析采場邊坡的位移數據質量，并通過位移數據質量分析邊坡的相對穩定性，以此對邊坡結構的安全性進行預警[4]。

1.3 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是一種利用高精密性掃描儀及系統對露天礦山采場邊坡進行三維數據采集，并快速建立實體三維模型，并進行邊坡對點云數據分析處理的技術。該技術是目前非接觸式測量中速度最快、空間分辨率最高的技術。它利用率脈沖測距的原理，高速激光測量輔助下使用激光掃描儀完成對邊坡表面三維坐標的獲取和分析。三維激光最高的測量精度可達到亞毫米級。該技術結合了三維激光掃描儀的坐標位置與被測邊坡點為坐標的實測距離，通過點云數據處理及構建三維模型，最后利用三維模型對點云曲面進行分析，實現對實際目標物體掃描的同時精準呈現露天礦山采場邊坡結構的目的。由于測量精準性極高，便于更加精細的呈現邊坡失穩的細節，為采取針對性措施預防邊坡風險事故的發生提供了更加精準的參考依據（如下圖1）。

圖1 礦山三維激光掃描技術圖示

1.4 GPS定位監測技術

GPS技術是利用空間衛星星座發射的無線電信號，由地面監控系統接受定位信息并完成數據處理后發送給用戶接收機的定位監測技術。GPS數據采集具有全天候的特點，且對露天礦山采場邊坡的連續監測能夠通過數據分析獲取邊坡變形情況。雖然GPS具有動態性監測的特點，便于分析某一點位邊坡位移的情況，但單一的GPS定位監測對于點位信息的獲取需要配合人工巡視，在大型露天礦區邊坡監測中受人工巡視效率的影響導致時效性不佳。一般GPS技術需要配合三維激光測量儀、雷達監測、互聯網技術等，構建遠程在線監測系統，才能更好的發揮GPS定位動態追蹤的優勢，實現對露天礦山采場邊坡穩定性結構的動態性風險預警，保證采場邊坡的安全。

2 智能技術融合多種測量技術在邊坡安全中的應用

撫順西露天煤礦是亞洲第一大露天礦，開采歷史長達百年。截止2013年底，露天礦坑長6.6km、寬2.2km、深500m。2007年后監測到撫順西露天煤礦南邊坡有移動變形，到2014年南邊坡頂發生長3100m、寬40m、落差18m的裂縫，發生了罕見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滑坡治理方案，最終啟動了“天、空、地”多源協同監測方案。該方案融合天基、空基、地基在內的衛星In-SAR、衛星高分遙感、無人機高分影像、GNSS站點、TLS、紅外熱像、測量機器人、IOT等多種測量技術，構建起全方位、自動化的系統，用于該露天礦區邊坡天、空、地三維視角的協同監測和綜合分析。監測分析結果如下：

（1）2007～2013年7月，南邊坡滑坡體低速滑動＜20mm/d。

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

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

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

（5）坡體被位于礦區2號斷層、5號斷層與南緣地裂縫之間?！疤?、空、地”多源協同監測系統撫順西露天煤礦南邊坡特大型滑坡的形成與時空發育規律提供了精確、詳細、完整的數據，為滑坡可靠性治理提供了科學的參考依據。由此可見多種測量技術的協同應用是獲取邊坡穩定性數據和實施邊坡可靠性治理的關鍵。

3 邊坡安全測量技術的發展歷程及未來趨勢

3.1 發展歷程

露天礦山采場邊坡的穩定性研究是露天礦安全生產的主要技術之一。過去在邊坡測量中，人們主要通過對工程地質勘查和分析，分析影響因素、變形破壞方式、變形地質體成因、力學機制、地質演化等條件，綜合分析邊坡滑坡模式。這也是一直以來邊坡穩定性分析的重要依據。隨著測量工具、測量技術的發展，越來越多的遠程測量技術應用到邊坡安全監測及穩定性分析中。邊坡穩定性及安全分析的方法也從最初的工程地質分析法向多元化發展。如極限元分析法、數值分析法、可靠性分析法等。將這些方法的原理應用到邊坡先進的監測儀及檢測系統中，就構成了邊坡安全監測體系。目前，邊坡監測已經向遠程在線化和智能化發展。應用的主要儀器、方法參考如下：①坡表大地測量法，主要測量儀器有經緯儀、水準儀、測距儀、全站儀等；②GPS監測法；③位移計監測法；④紅外遙感監測法；⑤激光微小位移監測法；⑥合成孔徑雷達干涉測量法，主要測量儀器技術有SARinterferometry，INSAR；⑦時間域反射測試（TDR）技術；⑧坡體內部的鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓監測儀等；⑨聲發射監測技術等。

3.2 未來趨勢

從各類邊坡測量的方法和儀器來看，未來露天礦山采場邊坡安全中系統化監測技術的應用需求將明顯上升。在技術選擇上，信息化、數字化、物聯網、傳感網、大數據、人工智能等新一代信息技術引領的智能監測系統有著更加廣闊的應用前景。智能監測系統以“智慧”監測的設計理念為核心，融合GPS監測技術、無人航測技術、雷達監測技術、三維激光掃描技術等先進的測量技術，面向智慧礦山的建設和發展，構建起監測范圍更大、監測精度更高、邊坡穩定性動態分析更全面、風險預警更高效的智慧監測系統。在測量技術創新上，會融合衛星遙感、熱像監測、無人機協同監測、衛星導航監測等，形成對露天礦山采場邊坡“天、陸、地”全方位、全天候、立體化、自動化、智慧化監測的趨勢，來為露天礦山采場安全生產邊坡安全管理保駕護航（如下圖2）。

圖2 礦山智慧監測系統圖示

4 結語

基于露天礦山采場邊坡安全管理的高要求，測量技術在露天礦山采場邊坡安全中的應用對應了不同安全管理需求。不同的測量技術應用優勢上有一定的差異，也存在不同程度的局限性?，F代露天礦山采場邊坡則是基于高精準性監測、風險預警和邊坡穩定性控制的需求而設計的天、陸、地協同監測系統，用以保障礦山開采過程中對邊坡安全全方位、實時性、智能化、系統化的監測和邊坡安全管理。這種基于天、陸、地的協同監測系統利用智能技術、移動互聯網技術、物聯網技術、云計算等技術實現了多種測量技術的深度融合，使得多種測量技術的在優勢和局限上實現了互補，有效的提升了對露天礦山采場邊坡結構穩定性監測和預警分析的水平，提升了邊坡綜合安全管理的效率和質量，對于預防邊坡滑坡及各類風險事故的發展有著重要的應用價值。