宋瑞君

　　內(nèi)蒙古地礦科技有限責(zé)任公司 010010

　　摘要：近年來，我國礦山邊坡變形問題不斷凸顯，成為地質(zhì)災(zāi)害防治中的重要組成部分，邊坡變形監(jiān)測技術(shù)與方法的發(fā)展已經(jīng)成為了相關(guān)研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。GNSS技術(shù)具有全天候、高分辨率、多角度、高靈敏度等優(yōu)勢，在邊坡變形監(jiān)測中具有較大的應(yīng)用價值。在邊坡變形監(jiān)測中，GNSS技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)監(jiān)測方法與技術(shù)手段，能夠獲取邊坡表面多點(diǎn)位移信息及邊坡內(nèi)部位移信息。GNSS技術(shù)能夠與多種監(jiān)測手段相結(jié)合，為邊坡變形提供實時數(shù)據(jù)支撐。本文將主要針對GNSS技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行分析與闡述，希望能夠為相關(guān)研究人員提供參考意見，推動邊坡變形監(jiān)測事業(yè)發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：GNSS技術(shù);礦山;邊坡變形;監(jiān)測

　　引言

　　隨著人類活動日益增多，地表及地下空間等資源開發(fā)強(qiáng)度加大，導(dǎo)致自然地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。地質(zhì)災(zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)，給人類生活生產(chǎn)及生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的危害。為了避免或降低地質(zhì)災(zāi)害造成的危害，監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害具有十分重要的意義。礦山邊坡是由巖體或者土體構(gòu)成的邊坡，其具有空間位置上的特殊性。因此，在對其進(jìn)行變形監(jiān)測時應(yīng)綜合考慮巖土體性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)以及坡體內(nèi)水文地質(zhì)條件等因素[1]。

　　礦山邊坡變形監(jiān)測工作是一項涉及內(nèi)容多、難度大、復(fù)雜程度高的監(jiān)測工作，同時也是一項非常重要的安全工程，其在礦山安全生產(chǎn)和地下空間開發(fā)利用等方面具有極其重要的地位，其是否穩(wěn)定將直接影響著礦山及地下空間的建設(shè)及運(yùn)營安全。而在對礦山邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測過程中，傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在著測量精度不高、使用周期長以及費(fèi)用高等缺點(diǎn)。為此，本文采用GNSS技術(shù)對礦山邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測，以探索其在礦山邊坡變形監(jiān)測中應(yīng)用的可行性和有效性。

　　1GNSS技術(shù)簡介

　　1.1GNSS概念

　　GNSS指的是全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS，它是由美國國防部研究開發(fā)的一種新型衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其具有全天候、全天時、高精度和高可靠性的特點(diǎn)，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會進(jìn)步起著重大作用[2]。GNSS系統(tǒng)具有多個星座，分布在不同地區(qū)，其運(yùn)行高度處于同步狀態(tài)，且空間距離較遠(yuǎn)。在對GNSS進(jìn)行定位過程中，GNSS主要包括三個方面：(1)空間星座系統(tǒng)：由4顆以上衛(wèi)星構(gòu)成;(2)地面控制系統(tǒng)：由5~10個基準(zhǔn)站和其他輔助站組成;(3)用戶接收機(jī)：由5~10臺接收機(jī)構(gòu)成。其中，地面控制系統(tǒng)是GNSS衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，其具有控制、協(xié)調(diào)衛(wèi)星運(yùn)行的作用。GNSS可以對各大空間坐標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的定位及導(dǎo)航;并且可以同時接收多顆衛(wèi)星信號進(jìn)行高精度測量;同時可對地面上每一臺接收機(jī)進(jìn)行有效地管理和控制[3]。

　　1.2GNSS定位技術(shù)檢測的基本原理分析

　　GNSS定位技術(shù)主要利用衛(wèi)星、空間和接收機(jī)等儀器對信息進(jìn)行采集、傳輸，并使用相應(yīng)的軟件和硬件設(shè)備將信息進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對目標(biāo)位置的確定。通過對衛(wèi)星發(fā)射信號，并接收接收機(jī)的信號，可利用相應(yīng)的儀器設(shè)備實現(xiàn)對衛(wèi)星、接收機(jī)、天線和數(shù)據(jù)鏈路等多方面內(nèi)容的分析。同時，使用GNSS定位技術(shù)可實現(xiàn)對空間和地面目標(biāo)位置信息的準(zhǔn)確采集，并在此基礎(chǔ)上使其進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)對目標(biāo)三維坐標(biāo)的確定。

　　通過利用GNSS定位技術(shù)對礦山邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測時，其基本原理是：通過對相關(guān)儀器設(shè)備安裝調(diào)試并進(jìn)行測試，了解設(shè)備工作情況及性能指標(biāo)情況等;并通過觀測站設(shè)置位置、工作人員在其中進(jìn)行測量操作等方式完成對礦山邊坡的監(jiān)測;同時，利用定位儀器和相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理，并利用相應(yīng)軟件將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、顯示及輸出;最后綜合相關(guān)信息指標(biāo)對礦山邊坡變形情況進(jìn)行分析。

　　通過利用GNSS定位技術(shù)檢測礦山邊坡變形，其關(guān)鍵在于對相關(guān)儀器設(shè)備及系統(tǒng)性能進(jìn)行了解、測試和分析。在露天礦山開采過程中，由于爆破等因素，常會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)或出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。而GNSS定位技術(shù)作為一種新型的觀測技術(shù)手段，在實際應(yīng)用過程中可通過在邊坡表面安裝測桿等方式來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。同時可以在邊坡不同部位安裝不同型號的儀器設(shè)備和儀器系統(tǒng)進(jìn)行操作檢測[4]。

　　1.3定位方法

　　目前，GNSS變形監(jiān)測技術(shù)主要包括靜態(tài)、動態(tài)等類型。而不同的定位方式其原理不同，其具體應(yīng)用也不同，其定位結(jié)果也有所區(qū)別。靜態(tài)GNSS變形監(jiān)測技術(shù)是根據(jù)控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)來確定監(jiān)測點(diǎn)位的位置，這種方法適用于比較簡單且相對穩(wěn)定的邊坡，但由于基準(zhǔn)點(diǎn)的確定受到衛(wèi)星的高度角、鐘差、電離層等因素影響，其精度和穩(wěn)定性相對較差。準(zhǔn)靜態(tài)GNSS變形監(jiān)測技術(shù)是通過測量基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)以及監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的其他監(jiān)測對象來確定監(jiān)測點(diǎn)位。這種方法可對相對于基準(zhǔn)站而言，具有定位精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。動態(tài)GNSS變形監(jiān)測技術(shù)是利用衛(wèi)星和監(jiān)測點(diǎn)之間的距離來確定監(jiān)測點(diǎn)位[5]。

　　為了確保礦山邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)精度，在礦山邊坡變形監(jiān)測中可采用全站儀結(jié)合GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)來實現(xiàn)對邊坡進(jìn)行自動化動態(tài)監(jiān)測。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)將基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)并建立坐標(biāo)系統(tǒng)，然后再利用GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)來確定監(jiān)測點(diǎn)位。在進(jìn)行GNSS定位時，需要確�；鶞�(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)位在同一高度層上，且基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)位的坐標(biāo)系應(yīng)保持一致。此外，為了避免由于基準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)位誤差導(dǎo)致的定位結(jié)果誤差增大，還需要根據(jù)實際情況進(jìn)行合理布設(shè)。根據(jù)礦山邊坡變形監(jiān)測工作實際，可通過在不同位置設(shè)置觀測點(diǎn)的方式來實現(xiàn)對邊坡變形情況的監(jiān)測[6]。

　　1.4誤差源分析

　　GNSS監(jiān)測系統(tǒng)會受到各方面因素的影響，導(dǎo)致其產(chǎn)生的誤差也較為復(fù)雜。為最大限度降低系統(tǒng)誤差的影響，對其進(jìn)行誤差源分析是非常必要的。其中，主要包括以下幾方面因素：

　　1.由于GNSS系統(tǒng)自身誤差及外界環(huán)境因素干擾所導(dǎo)致的測量誤差，包括接收機(jī)基線向量解算精度、衛(wèi)星鐘差、衛(wèi)星信號接收靈敏度和接收機(jī)天線相位中心誤差等;

　　2.GNSS接收機(jī)設(shè)備的影響因素，包括接收機(jī)天線相位中心偏差、接收機(jī)頻率偏差、系統(tǒng)誤差以及大氣折射等;

　　3.GNSS信號接收設(shè)備對監(jiān)測信號的影響，包括天線指向與地球曲率等。此外，GNSS系統(tǒng)本身存在著較大的系統(tǒng)誤差。由于GNSS技術(shù)無法進(jìn)行實時監(jiān)控，無法獲取其最終精度;同時，其信號傳輸過程中易受到環(huán)境因素干擾，如GPS衛(wèi)星軌道誤差、大氣折射等。因此，為消除其系統(tǒng)誤差帶來的影響，對其進(jìn)行實時監(jiān)測時，應(yīng)盡量采用靜態(tài)或者準(zhǔn)靜態(tài)觀測方式。與此同時，根據(jù)相關(guān)規(guī)定可知，其觀測時間應(yīng)控制在10s以內(nèi)[7]。

　　通常情況下，GNSS定位所使用的觀測時間為：在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，GNSS接收機(jī)天線指向要對準(zhǔn)衛(wèi)星星座(包括信號接收天線);對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，數(shù)據(jù)采集過程中要盡量避免使用較大的振動加速度以及較大的電流等情況;數(shù)據(jù)采集完成后需要對其進(jìn)行一定時間的存儲以備下次使用。

　　2影響礦山邊坡穩(wěn)定的因素

　　2.1地下水的影響

　　地下水不僅改變了邊坡的工程地質(zhì)條件，而且也改變了邊坡的力學(xué)性質(zhì)。邊坡地下水位高的時候，地下水將造成邊坡土體軟化、強(qiáng)度降低，同時地下水位下降還會造成邊坡坡腳的地下水位上升，使其出現(xiàn)孔隙水壓力和飽和導(dǎo)水性。而在正常的排水條件下，地下水位降低時，對邊坡穩(wěn)定沒有明顯的影響;但當(dāng)?shù)叵滤�大量滲出時，使其滲透壓力增大，將在一定程度上削弱邊坡的穩(wěn)定性。因此在邊坡坡腳有地下水時，應(yīng)特別注意排水系統(tǒng)的建立和設(shè)置;同時注意防止邊坡出現(xiàn)孔隙水壓力和飽和導(dǎo)水性。此外，地下水還會使邊坡巖土飽和后滲透系數(shù)增大，從而使巖土的滲透系數(shù)減小[8]。

　　2.2弱層的影響

　　弱層是指在工程地質(zhì)條件中不利于邊坡穩(wěn)定的軟弱結(jié)構(gòu)面，一般情況下，邊坡較陡的巖質(zhì)邊坡中發(fā)育有軟弱結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層，易形成局部垮塌、冒落或滑移等現(xiàn)象。

　　弱層的厚度與巖層的厚度相差越大，邊坡的穩(wěn)定性越差。在邊坡巖體中，不同巖性和結(jié)構(gòu)面之間的力學(xué)作用及影響不同。

　　巖石強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面間的力學(xué)作用主要由巖石中泥質(zhì)含量和軟弱夾層的存在程度決定，而水在弱層中的滲流對邊坡巖土力學(xué)參數(shù)影響較小。因此，邊坡弱層越多，穩(wěn)定性越差。

　　2.3邊坡角的影響

　　邊坡形狀和幾何特征：邊坡形狀主要包括坡角、邊坡高度以及臺階的間距。礦體產(chǎn)狀、層間距等也是影響邊坡穩(wěn)定性的因素。

　　臺階結(jié)構(gòu)：不同臺階結(jié)構(gòu)的邊坡其穩(wěn)定性也不一樣。為了保證開采的安全，需要對不同臺階采取相應(yīng)的措施。

　　巖體結(jié)構(gòu)特征：不同巖體結(jié)構(gòu)的邊坡穩(wěn)定性也不一樣，主要包括巖體裂隙分布情況、巖層產(chǎn)狀等。

　　地層產(chǎn)狀：不同地層在一定深度內(nèi)分布不均勻，從而對邊坡穩(wěn)定性有一定影響，比如：板巖在淺部容易發(fā)生變形;而花崗巖則容易發(fā)生整體滑移現(xiàn)象。因此，要根據(jù)不同巖性對邊坡穩(wěn)定進(jìn)行研究，從而保證邊坡的穩(wěn)定。

　　2.4邊坡體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造因素

　　邊坡體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造對邊坡穩(wěn)定具有重要影響，包括節(jié)理、斷層、裂隙以及軟弱夾層等。邊坡中存在的節(jié)理、裂隙越發(fā)育，對邊坡穩(wěn)定性影響越大;裂隙是影響巖體強(qiáng)度的主要因素，對邊坡的穩(wěn)定性起著決定性作用。當(dāng)裂隙發(fā)育時，其抗剪強(qiáng)度降低，容易導(dǎo)致邊坡的失穩(wěn)和破壞;巖體中存在的軟弱夾層也影響著邊坡的穩(wěn)定性。軟弱夾層對邊坡穩(wěn)定影響較大，在邊坡的開挖過程中要特別注意軟弱夾層對于邊坡穩(wěn)定性的影響。

　　3GNSS案例分析應(yīng)用

　　3.1工程概況

　　某礦山邊坡長約320m，其主要由高陡邊坡組成，其所處地形較平坦，相對高差較小。根據(jù)地質(zhì)勘測資料，該礦邊坡開挖高度在60m以上，且經(jīng)過多年的開采，邊坡巖體發(fā)生了一定的變形和破壞。

　　開采過程中，因開采深度較大，巖體風(fēng)化程度嚴(yán)重，導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性較差。在該工程中，邊坡處于坡腳位置，由于前期未對該邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評價和合理設(shè)計，致使該邊坡存在部分邊坡失穩(wěn)以及局部垮塌的情況。為避免邊坡失穩(wěn)影響到周邊的生產(chǎn)生活活動和基礎(chǔ)設(shè)施的安全穩(wěn)定，及時掌握邊坡動態(tài)變化情況及規(guī)律，對該邊坡點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

　　該邊坡設(shè)計為柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)邊坡開挖到一定高度時，將采用錨噴支護(hù)或者格賓網(wǎng)支護(hù)支護(hù)，并形成柔性擋墻防護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)邊坡設(shè)計圖中的監(jiān)測點(diǎn)位置可以看出：邊坡上的監(jiān)測點(diǎn)主要分布在邊坡中部和頂部;邊坡體的下部主要是以土石混合結(jié)構(gòu)為主。該工程采用的GNSS監(jiān)測技術(shù)可根據(jù)實際情況選擇合理的監(jiān)測方案，及時準(zhǔn)確地反映邊坡變形情況。

　　3.2監(jiān)測內(nèi)容

　　礦山邊坡變形監(jiān)測主要分為地面位移和地下變形兩種。地面位移監(jiān)測一般采用水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行，主要是測定邊坡表面的變形情況，觀測的內(nèi)容包括高程異常、相對高差、傾斜、傾角等。地下變形監(jiān)測主要是通過地面位移觀測網(wǎng)和地下變形網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而實現(xiàn)對邊坡變形趨勢進(jìn)行預(yù)測，以便采取有效措施阻止邊坡繼續(xù)向下變形。

　　目前礦山邊坡監(jiān)測中應(yīng)用較多的主要是GNSS技術(shù)，但其應(yīng)用范圍非常廣泛，特別是在公路、鐵路以及建筑等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用�；�于此，本文以某礦山邊坡為例，介紹GNSS技術(shù)在邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用。

　　3.3邊坡監(jiān)測方案設(shè)計

　　據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示，此次邊坡變形監(jiān)測范圍內(nèi)的邊坡坡高在120m到150m之間，邊坡上分布有4個監(jiān)測點(diǎn)，其坐標(biāo)為(0,-150)、(0,-150)，-150)。因監(jiān)測工作在雨季進(jìn)行，故為保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，故采用 GPS技術(shù)與 GNSS技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行邊坡監(jiān)測。GPS技術(shù)具有定位精確、連續(xù)作業(yè)、自動化程度高、時效性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)實用等特點(diǎn)。GNSS技術(shù)具有全天候、高精度的優(yōu)勢，能在各種惡劣環(huán)境下持續(xù)工作。這兩種監(jiān)測技術(shù)的結(jié)合提高了礦山邊坡變形監(jiān)測的效率與可靠性。此次邊坡變形監(jiān)測方案設(shè)計中包括以下內(nèi)容：對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行布置，選擇合適的監(jiān)測點(diǎn)位;建立監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間的聯(lián)系;確定監(jiān)測點(diǎn)的具體布置位置以及相應(yīng)的監(jiān)測精度;明確監(jiān)測點(diǎn)所處位置以及數(shù)量;確定監(jiān)測點(diǎn)編號和標(biāo)志牌的設(shè)置;記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和相關(guān)信息;進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析、整理等工作。

　　3.4監(jiān)測方法與儀器設(shè)備

　　本次監(jiān)測采用GNSS變形監(jiān)測，方法采用靜態(tài)、動態(tài)、定期監(jiān)測方法進(jìn)行。

　　3.5數(shù)據(jù)處理和精度處理

　　本文中使用的是EGM2008大地坐標(biāo)系統(tǒng)，選擇WGS-84坐標(biāo)系作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，根據(jù)測量規(guī)范要求，對于GNSS基準(zhǔn)網(wǎng)必須要求至少有兩個基準(zhǔn)點(diǎn)，如果是第一個基準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生變化，則需要在第一個基準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)測，確定無誤差后方可進(jìn)行下一步工作。該礦山邊坡變形監(jiān)測工程實施過程中，選擇了3套 GNSS監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行變形監(jiān)測，并利用 GNSS網(wǎng)平差軟件對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時對監(jiān)測點(diǎn)的坐標(biāo)精度進(jìn)行了評定。根據(jù)該礦山邊坡變形監(jiān)測工程的實際情況，以 GPS連續(xù)站網(wǎng)的高程分量作為基準(zhǔn)，將三個基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)坐標(biāo)系之間的水平距離作為觀測點(diǎn)的高程精度評定指標(biāo)。該礦山邊坡變形監(jiān)測工程的水準(zhǔn)測量精度能夠達(dá)到1mm以內(nèi)，滿足基準(zhǔn)點(diǎn)高程系統(tǒng)精度要求。

　　3.6監(jiān)測成果

　　該邊坡從施工開始，就不斷地向邊坡內(nèi)部移動，隨著時間的推移，邊坡內(nèi)部的移動距離不斷擴(kuò)大。到了2018年，邊坡內(nèi)部出現(xiàn)了較大的滑坡，在2017年施工過程中，由于邊坡巖體較軟，在邊坡上部有一個較大的空洞，下方就是礦山邊坡的運(yùn)輸?shù)缆贰?019年5月11日-5月14日，該邊坡進(jìn)行了一次強(qiáng)降雨。根據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)降雨量達(dá)到一定程度時應(yīng)進(jìn)行排水工作。降雨后的強(qiáng)降雨產(chǎn)生了大量的水土流失、地表位移等一系列現(xiàn)象。因此，根據(jù)《礦山安全規(guī)程》第217條、第218條及《露天礦山邊坡治理設(shè)計規(guī)范》(GB50025-2005)要求進(jìn)行排水工作。

　　3結(jié)束語

　　邊坡穩(wěn)定是礦山生產(chǎn)中一個重要的問題，其受影響因素多、影響復(fù)雜。根據(jù)目前我國礦山生產(chǎn)現(xiàn)狀，不可能在短期內(nèi)完全掌握所有的影響邊坡穩(wěn)定的因素，但可以對其中重要的幾個方面加以分析研究，總結(jié)經(jīng)驗，找出規(guī)律。本文主要介紹了GNSS技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用案例分析，重點(diǎn)分析GNSS技術(shù)在礦山邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用效果，并對相關(guān)問題進(jìn)行探討，提出了具體的建議。希望通過本文的研究，可以為礦山邊坡變形監(jiān)測工作提供一定的參考。礦山邊坡變形監(jiān)測是保障礦山安全生產(chǎn)和開采工作順利進(jìn)行的重要舉措，其主要是通過監(jiān)測礦山邊坡表面位移、水平位移等變化情況，以了解邊坡表層巖體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部力學(xué)結(jié)構(gòu)狀況。

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　　作者簡介：宋瑞君(1985年3月13日)男 內(nèi)蒙古土默特左旗 漢 大學(xué)本科 內(nèi)蒙古大學(xué) 技術(shù)負(fù)責(zé) 內(nèi)蒙古地礦科技有限責(zé)任公司 研究方向:測繪

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