GNSS 边坡监测技术在白音华二号矿的应用

王立文

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

我国大部分露天矿山经过长期的开采后，其采场边坡及排土场边坡往往会出现稳定性问题，存在发生崩塌、滑坡等地质灾害的安全隐患，对露天矿山的可持续健康发展产生非常严重的影响。通过长时间的观测总结，地质学家发现边坡岩体在发生滑坡之前会出现明显的物理征兆，其空间形变信息会随着时间序列的变化而呈现加速趋势，同时平面形变信息及垂直形变信息会随着变形岩体所处位置的不同呈现差异性变化。通过现场勘查发现，变形岩体会表现为前缘隆起，后缘沉降及两侧错动等现象。如果通过某种监测方法能够快速捕捉到这些特征，就可以实现滑坡事故的提前监测及预警，避免或最大限度地减轻地质灾害造成的损失，保障露天矿山的生产安全[1-2]。

随着科技的不断进步，我国的边坡稳定性监测技术也呈现多样性发展，现阶段在露天矿山主要应用的有RTK、GNSS、边坡雷达、测量机器人及三维激光扫描仪等设备，其中GNSS 边坡监测技术具有测量精度高、覆盖面积广、监测周期长及适应能力强等优点，已经广泛应用于各大金属及非金属露天矿山。为此，以内蒙古锡林郭勒白音华二号露天煤矿的边坡稳定性监测系统为例，通过对GNSS 边坡监测技术的布置设计及数据分析方法进行探讨。

1 系统构成

1.1 基本原理

GNSS 边坡监测技术主要衍生于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System），如中国的北斗导航BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 及欧盟的GALILEO 等4 大系统[3-5]，其基本原理是通过测量内置接收机与4 颗或4 颗以上已知位置卫星的距离来确定自身的空间信息。再辅助于基准站进行相互校正，进而获得监测点的三维坐标数据，并以一定的时间间隔为取样标准，统计归集该点的三维坐标信息的，最终显示边坡的形变信息[6]。GNSS 工作原理图如图1。

图1 GNSS 工作原理图

我国大部分露天矿山在构建GNSS 边坡监测系统过程中，通常采用几个或十几个监测点组成全矿的监测网络，覆盖大部分重点或具有潜在滑坡危险的边坡区域，再通过4G/5G 无线网络将测量数据传输至云端服务器，并以WEB 或APP 的模式图像化于显示终端，供用户进行即时在线数据查询、分析及管理等工作。

1.2 设备结构

GNSS 监测主要由测量系统、通信系统、供电系统、软件系统及防雷系统等部分组成[7-8]。全系统各组成部分具体功能如下：

1）测量系统。是数据采集单元，通过高精度的接收机进行监测点数据的采集工作。

2）通信系统。是数据传输单元，通过内置物联网卡和外置天线进行数据的无线传输工作。

3）供电系统。是能量供应单元，通过太阳板给内置的硅能电池进行储能充电，并支持全系统的正常运行。

4）软件系统。是监测分析单元，通过人机交互界面可以供用户进行远程操作，包括各项监测数据的查询、分析及管理工作。

5）防雷系统。是雷电防护单元，通过加装避雷器可以有效降低雷击环境下系统线路的瞬时过载电流，保护测量设备的安全。

2 布置设计

2.1 单点测量

2.1.1 测量方式

传统的GNSS 技术受限于卫星钟差、通信延迟、接收机误差及数据处理误差等影响，单系统或多系统组合的单点定位精度只能达到米级，无法满足于边坡稳定性监测的需要。随着GNSS 边坡监测技术的日益发展，利用差分定位技术、定性定量的GNSS解算算法、“YUE”卡尔曼滤波模型及粗差数据自动剔除等方法，可以将卫星定位的精度提升到毫米级、亚毫米级。其中差分定位技术是通过建立基准站，并实时输出差分改正数据，使GNSS 边坡监测系统在精度、灵敏度之间实现定性、定量的平衡，即可保证监测的精准性，也可以保证监测数据的实时性。

目前，白音华二号露天煤矿所采用的GNSS 边坡监测系统已经可以接收BDS、GPS、GLONASS、Galileo 和QZSS 全系统、全频点的高精度定位和定向的电磁波信号，可以采集各个监测点的x、y、h（垂直位移）、xy（平面位移）及xyh（空间位移）方向的形变信息。

2.1.2 布设方式

1）基准站的位置确定原则。在构建GNSS 边坡监测系统的过程中，首先要进行现场勘查，确定基准站及各监测点的布设位置，其中基准站的位置确定原则要充分考虑到：①地质条件好，地表稳固可靠；②距离适中，便于观察及维护；③电源稳定，且具有后备应急电源。

2）监测点的数量。基准站布设后，只需根据现场边坡稳定性情况决定配置监测点的数量，每个监测点都可独立测量，并反映所处边坡岩体的形变信息，其布设位置要充分考虑到：①放置于边坡平台表面，能够反映区域边坡岩体的形变特征；②距离周围障碍物的高度小于15°，避免工程活动影响；③远离大功率无线电发射源及高压输电线，避免受到磁场干扰。

2.1.3 监测方式

GNSS 边坡监测系统的测量周期为10 min～30 d，最快也可以几分钟1 次，并可以根据用户需要进行自定义设置。系统每日24 时自动整理归集测量数据，并自动生成日报、周报及月报传输至云服务终端。

监测分析软件可以显示各个监测点的表面位移，包括位移变化趋势图、断面曲线图、速度、加速度、数据列表、报警查询、周/月报表、自定义时段对比报表及系统管理等信息。通过这些信息可以以测量数据的时间序列为基础，分析各个监测点所代表边坡岩体的变形演化规律，并清晰的显示各个监测点的位移变形曲线及矢量方向，最终通过设置报警阈值的方法进行边坡预警，为矿区作业人员及设备的安全撤离及避险提供技术依据。

2.2 多点连线

现场实践工作中，单个监测点所能监测的区域较小，仅能反应周围一定范围的形变信息，因此GNSS 边坡监测系统往往需要在被测边坡放置多台监测点才能真正反映此区域边坡岩体的形变信息。露天矿山的采场、排土场边坡是由一个个人工采掘或堆砌的台阶组成的，因此为达到更好的监测效果，其监测点需要在每一个台阶或间隔几个台阶布设1台设备，形成一条便于观察的纵向观测线，此观测线可以根据矿山现场勘察设计或边坡安全评价中的地质剖面图进行划分确定[9]。GNSS 观测线划分图如图2。

图2 GNSS 观测线划分图

2.3 区域组网

我国的露天矿山多数为凹陷露天矿，随着矿产资源的持续开发利用，其采掘深度不断增加，已经形成了大量的采场边坡和排土场边坡。这些边坡所处的地质构造、地层岩性、水文条件及边坡角度均不相同，同时变形岩体所处位置、形变程度及矢量方向也不相同，因此要将这些边坡进行统一监测客观上存在一定的困难性。通过长时间的摸索实践，在汲取先进技术经验的基础上，逐步组建起一个由多条观测线构成的密集监测网络，可以有效确定边坡岩体的变形范围及变形程度。GNSS 监测网布置图如图3。

图3 GNSS 监测网布置图

在构建GNSS 边坡监测系统之时，首先需要进行现场实地勘查，确认当前存在变形或具有潜在滑坡危险的边坡区域，再通过多条观测线进行重点跟踪监测，定期整理归集同一区域内所有监测点的数据，并将所有数据传输至云端服务器中进行解码计算，最终形成全矿的三维立体监测网。

3 数据分析

3.1 数据对比

GNSS 边坡监测系统已实现无人值守的完全自动化监测，能够对边坡的形变信息进行采集、传输、解算、分析、报表、存储、查询与发布等功能，实时掌握跟踪边坡岩体的动态变形情况。

近年来随着4G/5G 网络、云计算、物联通信等先进技术的更新迭代，为提供更好的人机交互界面，便于用户随时随地进行操作，现阶段大多数GNSS 的监测数据分析系统已不再局限于传统的PC 软件终端，通过采用B/S 架构设计，支持主流Web 浏览器登录，通过网页即可查询监测情况，包括各项监测数据的管理、分析。

GNSS 的数据分析系统可以将所有监测点的数据整理归集到1 个报表内，并按观测线、点号、位置及标高等内容进行区分标注。同一监测周期内，可以统计每个监测点的平面位移、垂直位移和空间位移等三维形变数据，并进行前期与当期的数值对比计算，反映增减、沉降情况。在实际运用中，通过云端服务器的快速解算模块，可以生成2、4、8、24 h 等时间周期的报表，使用户可以及时了解、掌握各监测点的数据变化情况。

3.2 曲线跟踪

在监测过程中，GNSS 边坡监测系统随着测量时间的累积推移，每个监测点都会构建出1 条时间序列的数据曲线，包含x、y、H（垂直位移）、xy（平面位移）及xyH（空间位移）矢量方向上的变形量[10]，可以完全反映其所代表边坡岩体的三维形变情况，通过跟踪这条曲线的圆滑度可以分析判断边坡的变形趋势及规律如图4。

图4 GNSS 监测曲线跟踪图

4 结语

1）GNSS 边坡监测系统以卫星定位、云计算及物联通信等核心技术为依托，可以对当前存在变形或具有潜在滑坡危险的边坡进行全方位覆盖和实时动态跟踪监测，进一步提升了白音华二号露天煤矿的边坡安全管理能力。

2）通过现场勘查及边坡安全评价设计，采用单点测量、多点连线及区域组网的布置思路，构建了GNSS 边坡监测系统对白音华二号露天煤矿采场、排土场边坡的三维立体实时在线监测网络，可以对边坡岩体进行可靠的变形监测。

3）通过监测数据对比和曲线跟踪，GNSS 边坡监测系统可以形象化的反映边坡岩体的三维形变信息，同时通过对监测曲线圆滑度的分析可以有效判断边坡岩体的矢量变形趋势，并预测未来一段时间内边坡岩体的变形规律，提高预测预报的准确率。