GPSRTK在霍林河露天礦邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

1、GPS-RTK 在霍林河露天礦邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用王樹忠，于立波（內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司地勘公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200）摘要：闡述露天礦邊坡監(jiān)測的重要性，分析了邊坡移動(dòng)特點(diǎn)及相關(guān)因素，詳細(xì)介紹了 GPS-RTK 在邊坡監(jiān)測中的任務(wù)、觀測方法與作用。關(guān)健詞：露天礦邊坡監(jiān)測；GPS-RTK中圖分類號(hào)：TD 824.7+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1671 9816（2011）05 0004 03引 言外業(yè)靜態(tài)觀測的要求見表 1。1表 1 外業(yè)靜態(tài)觀測技術(shù)要求邊坡監(jiān)測是露天礦開采過程中確保安全生產(chǎn)的重要工作環(huán)節(jié)。邊坡產(chǎn)生滑移變形時(shí)，可采用多種手 段測得邊坡位移變化的大小、變化規(guī)律等

2、數(shù)據(jù)，通過 這些數(shù)據(jù)的分析、處理，可得到邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)及變 形發(fā)展趨勢，從而實(shí)現(xiàn)災(zāi)難性塌方的預(yù)警，為礦山挽 回不必要的損失。以前的邊坡監(jiān)測手段及方法，如經(jīng)緯儀、全站儀 等，在 GPS 沒有出現(xiàn)前是行之有效的。但是這些邊 坡監(jiān)測方法因受人員、天氣、地形、內(nèi)業(yè)繁瑣等因素 的影響，很難達(dá)到提前預(yù)警的目的?，F(xiàn)在隨著 GPS 技術(shù)的成熟，特別是基于載波相位觀測實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定 位 RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，因其精度高、測 量速度快、設(shè)備輕、人員少、應(yīng)用成本少等特點(diǎn)，被廣 泛的推廣應(yīng)用。GPS 技術(shù)也將成為露天礦邊坡監(jiān)測 的先進(jìn)技術(shù)手段。 項(xiàng)目技術(shù)要求衛(wèi)星截止高度角（/ ）同時(shí)觀測有

3、效衛(wèi)星數(shù)/個(gè) 有效觀測衛(wèi)星總數(shù)/個(gè) 觀測時(shí)段數(shù)/個(gè) 時(shí)段長度/min 采樣間隔/s時(shí)段中任一衛(wèi)星有效觀測時(shí)間/min15441.645103015監(jiān)測方案與儀器方案中選擇用靜態(tài)布網(wǎng)，采用 RTK 技術(shù)進(jìn)行動(dòng) 態(tài)觀測。儀器選用 Trimble 公司 R8 型 GPS，靜態(tài)與 快速靜態(tài)精度：5 mm + 0.5 10-6 m 垂直：5 mm+ 1 10-6 m。（1）靜態(tài)布置邊坡監(jiān)測控制網(wǎng)。各等級(jí) GPS 網(wǎng) 相鄰點(diǎn)弦長精度計(jì)算公式及各等級(jí) GPS 網(wǎng)的主要技術(shù)要求： = 姨a2 +（bd）22.2式中：標(biāo)準(zhǔn)差（基線向量的弦長中誤差），mm；a固定誤差，mm； b比例誤差系數(shù)，1； d相鄰點(diǎn)間的距

4、離，km。 GPS 網(wǎng)的技術(shù)要求見表 2。2GPS-RTK 在露天礦邊坡監(jiān)測中的可行性2.1GPS 在邊坡監(jiān)測中的 3 種方案（1）GPS 靜態(tài)測量。（2）GPS 快速靜態(tài)測量。（3）GPS-RTK 測量。GPS 在靜態(tài)測量中的精度無疑是最高的。但是 GPS 靜態(tài)測量耗時(shí)較長（如表 1 測量時(shí)長要超過 45 min），當(dāng)測區(qū)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)較多時(shí)無法在短時(shí)間內(nèi)完成 任務(wù)。如果采用快速靜態(tài)監(jiān)測，其測量時(shí)間仍需 15 45 min，耗時(shí)較長，這種單一方法我們不予考慮。表 2GPS 網(wǎng)的技術(shù)要求等級(jí)平均距離/km最弱邊相對(duì)中誤差a/mmb/110-6三等四等 一級(jí)521101010510101/80 000

5、1/45 0001/20 000二級(jí)115 201/10 000 根據(jù)靜態(tài)精度與控制點(diǎn)間距離小于 1 km，布設(shè)控制網(wǎng)選用了二級(jí) GPS 網(wǎng)，精度達(dá)到邊坡監(jiān)測要求。靜態(tài)布網(wǎng)時(shí)應(yīng)考慮到 GPS 接收機(jī)測得的是大地高， 為了讓高程與現(xiàn)狀更好的吻合，在進(jìn)行基線解算時(shí)，收稿日期：2011-05-12作者簡介：王樹忠（1965-），男，測量高級(jí)工程師，1990 年 畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)（原阜新礦院）礦山測量專業(yè)，現(xiàn)任 內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司地勘公司總經(jīng)理。地表 煤頂板 煤層 煤底板圖 1 煤礦地質(zhì)示意圖12 cm土270 cm20 cm圖 2 普通標(biāo)石露天采礦技術(shù)2011 年第 5 期 5

6、應(yīng)加入多個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，用條件平差來解算坐標(biāo)（WGS84轉(zhuǎn)成北京 54 坐標(biāo)）。（2）GPS-RTK 原理與測量精度。RTK 測量時(shí)需 要 1 臺(tái)基準(zhǔn)站接收機(jī)和 1 臺(tái)或多臺(tái)流動(dòng)站，以及用 于數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備。在 RTK 作業(yè)模式下基準(zhǔn)站、流 動(dòng)站保持同時(shí)跟蹤至少 5 顆以上的衛(wèi)星，基準(zhǔn)站不 斷地對(duì)可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測，并把帶有已知點(diǎn)位置的 數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備將其觀測值坐標(biāo)信息，發(fā)送 給流動(dòng)站接收機(jī)；流動(dòng)站接收機(jī)將自己采集的 GPS 觀測數(shù)據(jù)和接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，組成差分觀測值 進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，求得其三維坐標(biāo)（X、Y、H）。GPS -RTK 系統(tǒng)由 3 部分組成：基準(zhǔn)站、流動(dòng)站、數(shù)據(jù)通訊設(shè)備。 基準(zhǔn)站

7、一般架設(shè)在已知點(diǎn)上，連續(xù)跟蹤可視衛(wèi)星并 采集數(shù)據(jù)，為流動(dòng)站提供差分改正信息。基準(zhǔn)站數(shù)據(jù) 通過數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，把差分改正信息實(shí)時(shí)傳送給流 動(dòng)站；流動(dòng)站同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)以及來自基準(zhǔn)站的 數(shù)據(jù)，在主機(jī)內(nèi)完成差分改正，實(shí)時(shí)獲得點(diǎn)位坐標(biāo)。 RTK 測量精度：水平：10 mm + 1 10-6 m，垂直：20 mm + 1 10-6 m；初始化時(shí)間一般少于 10 s；初始化 可靠性99.9%。所以 RTK 測量技術(shù)完全符合露天礦 邊坡監(jiān)測要求。觀測時(shí)應(yīng)注意基準(zhǔn)站的設(shè)立不應(yīng)離 觀測區(qū)域過遠(yuǎn)，雖然 RTK 信號(hào)能達(dá)到 30km，但是為 了確保基線解算更加準(zhǔn)確，基準(zhǔn)站放在測區(qū) 2 3 km 處為最佳。石時(shí)應(yīng)在附近

8、放置測旗等明顯標(biāo)志，便于以后確定測點(diǎn)位置為下次觀測提高測量速度。影響露天礦邊坡穩(wěn)定的因素及安全預(yù)警參數(shù)4選擇邊坡監(jiān)測點(diǎn)與埋石3影響邊坡穩(wěn)定的主要因素影響邊坡穩(wěn)定的主要因素有采礦因素、自然界 因素、巖石構(gòu)造因素和人為因素。采礦因素包括采礦 邊坡角，邊坡角過大易引起邊幫垮落，還有巖石爆 破引起的區(qū)域性震動(dòng)等。自然界因素包括地殼運(yùn)動(dòng)、 雨水沖蝕、地下水流動(dòng)。巖石構(gòu)造因素包括巖石張 力、巖石強(qiáng)度、斷層、巖石含沙層以及巖石與煤層的 傾向等等。人為因素主要是排土場位置，采礦先期規(guī) 劃，為減少運(yùn)距，排土場設(shè)計(jì)位置在采場附近，隨著 采區(qū)面積的擴(kuò)大，排土場問題就成了邊坡滑動(dòng)的主 要人為因素。4.1外業(yè)選點(diǎn)外業(yè)選

9、點(diǎn)時(shí)基礎(chǔ)應(yīng)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、易于長期保存、方 便觀測，視野開闊、便于上點(diǎn)，并應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線 電發(fā)射源，如高壓線，排水線路，大面積水源等。選點(diǎn) 不要選到坡底，因?yàn)槠碌滓渍趽趸鶞?zhǔn)站發(fā)來的信號(hào)， 觀測到的衛(wèi)星數(shù)量少易造成 GPS -RTK 信號(hào)浮動(dòng)。 選點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮到煤層、巖石層的走向而重點(diǎn)布點(diǎn)，如 圖 1 所示。如果層與層之間有含水層或是流沙層，要 是遇到雨季，圖形左側(cè)區(qū)域應(yīng)為滑坡重點(diǎn)對(duì)象，布測 應(yīng)放到圖形左側(cè)來布點(diǎn)。3.1埋石如圖 2 所示，埋石時(shí)，應(yīng)考慮到冬天該地區(qū)凍土 層的厚度（霍林河地區(qū)凍土層為 2.6 m），埋石應(yīng)埋到 凍土層以下，確保點(diǎn)位不因氣候變化而移動(dòng)。各層標(biāo) 志中心嚴(yán)格控制在同一鉛垂線上

10、，其偏差不得大于2 mm。強(qiáng)制對(duì)中裝置的對(duì)中精度不得大于 1 mm。埋3.2安全預(yù)警參數(shù)（1）邊坡監(jiān)測時(shí)有下列情況發(fā)生時(shí)，可提前預(yù)警：（1）開采層同側(cè)各變形測點(diǎn)平均同向（或近同向） 水平位移量超過 10 mm/d，或平均下沉量超過 10 mm/d。（2）露天開采邊坡原始地面平均下沉量超過 3 10-3 H（H 為開采深度）。4.2采礦工程露天采礦技術(shù)2011 年第 5 期 6 （3）露天開采邊坡周邊原始地面局部下沉速度超過 10 mm/d。（4）露天開采邊坡周邊原始地面最大總水平位 移超過 6 10-3 H。（5）露天開采邊坡周邊原始地面不均勻沉降達(dá) 到或超過 1.2 10-3 H。（6）巖基

11、邊坡最大裂縫寬度超過 7 10-4 H。（7）露天開采邊坡周邊原始地面裂縫寬度超過50 mm。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理5用Citomap v1.0 軟件形成斷面圖。圖 3 為 LHJC-31 點(diǎn)每期斷面圖，圖中反映每月所測點(diǎn)的高程位置 及變化，和各觀測的數(shù)據(jù)一同分析得出該點(diǎn)是否存 在滑動(dòng)。結(jié) 語6邊坡監(jiān)測是露天礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。利用新的 GPS-RTK 測量技術(shù)測量邊坡，是邊坡治理的 一項(xiàng)重大突破。該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在霍林河露天礦。我 們相信在未來的測量領(lǐng)域中，GPS-RTK 測量技術(shù)將 成為測量的主流技術(shù)。參考文獻(xiàn)：1姜晨光. GPS- RTK 技術(shù)監(jiān)測露天礦邊坡的研究與實(shí)踐J. 現(xiàn)代測繪，2003，2

12、6（4）：22- 23圖 3 點(diǎn)位高程月變化圖!（上接第 3 頁）邊坡面自坡頂至坡腳增大，坡腳最大，形成最大剪應(yīng) 力集中帶，應(yīng)力集中區(qū)不僅應(yīng)力值較高，而且變化梯度較大。從圖 12 可以看出，橫向位移沿坡面自坡頂 至坡腳逐漸增大，坡腳水平位移最大；沿圓弧滑面水平位移幾乎相等。從圖 13 可以看出，豎向位移以下 沉為主，下沉量沿坡面自坡頂至坡腳逐漸減小，坡頂下沉量最大。結(jié) 論5白音華一號(hào)露天煤礦非工作幫邊坡的巖層松軟，抗剪、抗壓強(qiáng)度較小，煤層中的軟弱夾層構(gòu)造作 用，地下水使巖層強(qiáng)度弱化、弱層泥化等是造成露天 礦非工作幫滑坡的主要因素。通過對(duì)白音華一號(hào)露天煤礦非工作幫工程地 質(zhì)、水文地質(zhì)、邊坡巖體物

13、理力學(xué)性質(zhì)，以及以往滑 坡現(xiàn)象認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上，分析研究了邊坡變形破 壞模式。以三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件 FLAC3D 為 平臺(tái)，模擬了采場邊坡失穩(wěn)變化應(yīng)力、位移等變化過 程，運(yùn)用極限平衡理論確定了非工作幫合理幫坡角 為 22。參考文獻(xiàn)：1范軍富，宋子嶺，王 東. 靈泉露天煤礦殘煤回采東幫 邊坡穩(wěn)定性分析研究J. 露天采礦技術(shù)，2010，（4）：1- 3.2李 江，張利忠. 寶日希勒露天礦采場邊坡分區(qū)及穩(wěn)定 性分析研究J. 露天采礦技術(shù)，2010，（1）.3張利忠，李 江. 寶日希勒露天礦采場邊坡穩(wěn)定性分析J. 露天采礦技術(shù)，2009，（3）:15- 17.4楊志剛，劉建剛，杜明亮. 邊坡穩(wěn)定

14、性分析方法綜述J.西部探礦工程，2007，（2）:14- 16.5周昌壽，杜竟中，郭增濤，等. 露天礦邊坡穩(wěn)定M. 北 京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)4通過 FLAC3D 模擬顯示，坡頂土巖受拉張破壞，巖體沿圓弧剪切變形，橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力在 3-2 煤 頂板產(chǎn)生應(yīng)力集中，速度矢量場說明土巖拉剪破壞，產(chǎn)生圓弧滑面，然后沿 3-2 煤頂板滑移，巖體位移 主要表現(xiàn)橫向向采空區(qū)水平移動(dòng)，縱向位移主要表現(xiàn)為下沉。運(yùn)用 FLAC3D 和剛體極限平衡法對(duì)白音華一號(hào) 露天煤礦采場非工作幫邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了全面計(jì)算 與分析，確定了白音華一號(hào)露天煤礦東幫合理幫坡 角見表 3。表 3 白音華一號(hào)露天煤礦非工作幫合理幫坡角及安全系數(shù)幫坡角 （/ ）剛體極限平衡法FLAC3D 22 1.22 1.286 656555528698097943908273地面高程980.931980.6980.4980.0979.9979.