露天矿边坡稳定性监测方法

矿产资源是人类社会发展的重要资源，在国民经济建设中起着非常重要的作用。地下开采和露天开采是矿产资源开采的两种形式，据不完全统计，我国露天开采占矿山开采总量的87.1％，其中中小型露天矿山约占 94.9％。但由于矿山边坡内外界各种因素的影响，以及企业管理和安全生产投入等方面的问题，致使边坡失稳，经常发生各类地质灾害，给人民的生命和财产安全带来重大的隐患，严重制约区域经济和社会的可持续发展。为保证矿山的安全生产和管理，准确分析其稳定性及变化趋势，实现提前预警，国内外学者采用不同的监测方法和手段，从不同的角度对边坡稳定性进行监测和分析，实现了从点到面、从坡体表面到坡体内部、从人工测量到自动化和智能化监测、从近距离监测到远程监控等方向的转变和发展。本文主要总结归纳当前监测方法研究现状。传统大地测量方法传统大地测量是一种对边坡表面变形监测点位置变化进行监测的方法，其主要采用的仪器经纬仪、水准仪和全站仪等。该方法通过对监测进行定期监测，计算出边坡表面监测点的水平和直位移，分析其稳定性和变化趋势。目前，该方的使用已相当成熟，并具有操作简单、监测精度高、成本低等优点。但在监测过程中由于需要布设大量的控制点和监测点，而且受地形和外部环境、气候等因素的影响，存在监测效率低、周期长、工作量大、劳动强度高，以及难以实现连续、实时监测等缺点，正逐渐被其他监测方法所取代。测量机器人技术测量机器人俗称自动全站仪，通过内置于全站仪中的步进马达和 CCD 阵列传感器对固定于边坡表面监测点上的棱镜进行自动搜索、识别、照准和测量，以实现对边坡监测点角度、距离、高程及三维坐标等数据的采集，具有监测效率高、测量精度高、自动化程度高和远程无接触监测等优点。自奥地利维也纳技术大学的卡门教授 1983年首次将测量机器人用于监测矿区地表移动以来，学者们相继将测量机器人技术应用于露天矿边坡监测中。笔者所在课题组针对越堡露天矿滑坡的问题，设计和开发了一套基于 TM30的远程变形监测在线分析系统，对该矿山的安全生产和管理起到了指导作用。但该方法对点间通视有一定的要求，受外界环境（如雾雨天气、矿区扬尘等） 的影响较大，测量边长一般不超过 1km，且随距离的增加，其精度逐渐降低，限制了其监测范围。全球定位系统监测技术全球卫星导航系统利用固定于边坡表面监测点的接收机连续接收空间卫星信号，获取地面监测点的三维坐标，以实现对监测点位变化趋势的分析。与传统测量相比，该方法不要求监测点间相互通视，自动化程度高，具有操作简单、远程、全天候、实时位等优点。目前，GNSS 技术广泛应用于露天矿边坡监测中，其平差后的连续监测精度可达毫米级。随着我国北斗卫星导航系统（BDS）的不断完善和发展，其应用价值也逐渐凸显，得到越来越多研究者的关注，但由于我国BDS仍处于发展阶段，存在一定的不足，其单系统定位效果不如 GPS。为此，有些矿山中采用 BDS＋GPS 相结合的监测方法，提高了定位精度和可靠性。但在连续监测中，若其配备的太阳能电池板或蓄电池发生断电， 将影响监测精度。此外， 采用GNSS 监测点分析，不易反映边坡表面的全局信息，存在一定的片面性，而加密监测点的布设，又将导致成本的增加。InSAR 技术合成孔径雷达 干 涉 测 量 （ InSAR） 技 术 是 近20 年来兴起的一种新型对地观测技术，以主动式微波遥感（SAR）和干涉测量技术为手段，依据获得的不同时期同一地区的两幅或多幅SAR 影像，对其进行干涉处理，计算出它们的相位差并形成干涉图像，再进行相位解缠，提取边坡表面任一点的位置信息和高程变化，以实现对边坡整体变形趋势的分析。该方法具有覆盖范围广、全天候、远距离、非接触、低成本、高精度等优点。时域反射技术时域反射技术由电脉冲信号发生器、传输线及信号接收器3 部分组成，是一种利用安装在钻孔中的同轴电缆局部变形而产生的反射信号，确定边坡体内部岩体发生状态变化的位置，以实现对边坡变化趋势分析的方法，主要应用于边坡变形发生之前。该方法具有检测时间短、成本低、定位准、安全性高、观测自动化、远程控制等优点。声发射（微震）监测技术声发射（微震）监测技术是依据埋设在岩（土）体中的传感器所接收到的声发射信息，建立岩（土）体边坡稳定性与声发射参数关系，确定岩（土）体的力学特性，并依据其破坏大小、集中程度和破裂密度，准确分析边坡体内部破裂区域及其变化趋势，以评定边坡的整体稳定性。该方法不受外界气候条件环境的影响，能自动、实时、连续地监测岩（土）体内部的动态变形，并实现对岩（土）体破坏失稳的提前预警。