露天煤矿边坡监测技术应用现状
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摘 要：边坡监测是露天煤矿重点关注内容，本文通过对现有露天煤矿边坡监测技术的总结，现有边坡监测技术主要有GPS边坡监测技术、雷达监测技术以及三维激光扫描技术，对比各种边坡监测系统的优缺点，为各种监测技术在露天煤矿的应用提供一定的参考意义。
关键词：露天煤矿；边坡监测；GPS技术；雷达监测技术；三维激光扫描技术
目前我国露天煤矿分布并不多，以内蒙地区居多，山西平朔和同煤地区、陕北地区有少量分布。露天开采后形成的边坡角较大，有的边坡高度可达数百米，在强降雨等活动下，容易出现崩塌、滑坡和泥石流的地质灾害，从而造成设备损坏以及危及现场工作人员的生命安全，因而边坡稳定性是露天开采领域关注的重点问题，对边坡位移进行科学精确的监测显得很重要。边坡变形监测的目的是确定滑体的周界，定期测量滑动量、主滑动线的方向和速度。其意义在于提供边坡的稳定状况、位移和变形的规律等，为滑坡预报提供依据，从而保证矿山生产安全、高效、经济的开采。目前，国内外常用的边坡稳定性监测设备主要有：GPS监测仪、全站式分析仪、水准仪、水压监测仪、红外线遥感仪器等。
一、国外露天煤矿边坡监测技术
整体而言，国外露天煤矿较我国居多，主要分布在澳大利亚、加拿大等国家，目前国外露天煤矿边坡监测技术应用较多的有GPS监测系统、CSIRO监测系统及近几年发展起来的微震技术。澳大利亚研制的CSIRO边坡监测系统，服务寿命较短为5年，仪器设备简单，可安装在钻孔深150m以上，可以监测边坡岩体内部的移动，主要依靠的是传感器。加拿大很多露天矿采用GPS边坡监测技术，仅几年逐步引入TDR监测系统，由电脉冲信号发生器、传输线（同轴电缆）、信号接收器三部分组成。
二、国内露天煤矿边坡监测技术
根据调查总结，国内边坡监测技术主要包括GPS监测技术、边坡雷达监测技术、传感器系统传感器监测系统、三维激光扫描系统等。
1、GPS监测技术
GPS边坡监测系统有4部分，分别是监测区观测点、调度中心、客户端以及报警系统，分别对GNSS数据进行采集、解算、存储、分析和发送，客户端可实时查看边坡位移监测数据。该技术具有全天候、高精度、自动化、高效益、观测时间短等优点，在露天煤矿边坡变形监测方面具有广泛的应用前景。但GPS边坡监测系统也有很多缺点，比如：GPS自动监测设备防水防潮设施不完善，硬件更新周期短；防寒保暖设施不完善，冬季维护工作量很大；数据跳变较大且时间较长，容易引发错误判断；解算软件易崩溃，从而影响数据的连续性和时效性；监测数据变化较大，需要人工纠错，或者延长数据采集时间，以保证数据的精确度。山西平朔安家岭露天煤矿以及神华集团下属多处露天煤矿均采用该监测系统。
（1）CORS 监测技术
连续运行卫星定位导航服务系统（CORS）是测绘的基础设施建设，也是信息社会、知识经济时代必备的基础设施。它可应用于城市规划、交通、地震、气象等多个领域和行业。系统目前使用GPS，以后可能综合应用GPS、GLONASS.GLOLILEO 和北斗系统。CORS应用广泛，由若干个连续运行的GPS基准站、数据处理控制中心数据传输与发播系统和移动站组成。该系统具有工作效率高、测量精度高等优点，将 CORS 系统应用于露天煤矿的边坡监测，实现了一种迅速精准的边坡监测方法，为边坡预防提供可靠的原型数据。
（2）GNSS 监测系统
GNSS 边坡监测系统包含了美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS、中国的 Compass、欧盟的 Galileo 系统。采用成熟的 INTERNET 技术、高精度卫星导航准动态算法等技术，该系统的优点是位置布设灵便，便于全天候实时在线监测，测取待测点的数据，数据实现自动化处理，目前以国内设备为主，价格较低。缺点是只能监测浅表层位移，监测点数增加费用也增加，监测点数不宜布设过多，对陡峭、会有滚石损坏设备或滑坡埋葬监测点的坡体，不宜布设等。目前应用较多的是神宝露天煤矿、大南湖二矿、黑山露天煤矿、扎尼河露天煤矿、准东露天煤矿等。应用较多的系统类型有广州中海达定位技术有限公司的 GNSS 高精度形变监测系统，MK300型 GNSS 全自动监测预警系统，华测GNSS 边坡位移监控系统等。
2、边坡雷达监测技术
边坡雷达监测技术是目前边坡位移监测中最先进的技术，其原理是向测量岩体某处发射电磁波，通过测量前后两次返回电磁波相位差的变化，来确定岩体位移量。边坡雷达系统结合了干涉测量技术、步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术，具有距离向分辨率和角度向分辨率，将待监测区域分割成很多的单元，采集每一个单元的位移信息，再将所有的信息结合起来，这样就得到了待测体表面的信息数据。该系统的优点是：数据为无线传输，可实时在线监测，可采集的数据量较大，监测距离远；缺点是需要结合人工处理和分析，引起误差；布设监测设备成本较高，设备以进口为主，价格昂贵，实际应用不多。2009 年，我国黑岱沟露天煤矿从澳大利亚引进国内第 1 台边坡稳定性雷达，其全称是 Ground Probe T-Series Slope Stability Radar，简称 SSR。鄂尔多斯哈尔乌素露天煤矿引入IBIS-M边坡雷达监测预警系统对采场边坡进行稳定性分析，该系统由意大利IDS公司联合佛罗伦萨大学共同研发而成，融合了差分相位干涉测量技术、SFCW技术、SAR技术和永久散射体等技术，可应用于大型的露天生产矿。神华集团胜利露天煤矿、宝清露天煤矿均引入了该系统。
3、三维激光扫描系统
三维激光扫描技术又名实景复制技术，出现于上世纪90年代中期，紧跟GPS之后。利用激光测距原理，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率快速获取物体表面各个点的坐标、反射率、颜色等信息，从而进一步复制出实景模型，为后续数据分析工作提供依据。其优点是：可以全天候作业；不需要特别的光线角度，可以根据距离确定数据密度，数据获取速度快。可以对变形体进行全方位的扫描，不需要人为寻找变形体的特征部位。但目前以国外设备为主（国产系统多数组件也是进口），价格贵，只能监测表面形变，不能監测深部位移。还可用于三维建模和方量测算。数据需要人工处理，对人员素质要求较高。目前设备的可靠性、稳定性、耐用性有待进一步完善。
三、结论
综上所述，目前国内外露天煤矿边坡监测技术多以GPS监测技术为主，其主要优点是价格较低，设备安装较容易，而近几年也陆续有使用雷达监测技术及三维激光扫描系统，实现实时监测、远距离监测，但价格相比GPS较贵，设备多为国外引进设备。
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（作者单位：中煤科工集团西安研究院有限公司环保所）
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