浅谈露天矿边坡监测方法

贾信

摘要：边坡变形监测的主要目的是了解边坡在采矿、剥离、爆破和降雨影响下的变形活动特征，判断边坡的稳定状态，保证生产建设活动的安全进行，同时通过监测了解不稳定边坡体的演变过程，为不稳定边坡的预测预报及工程治理提供可靠的数据资料和科学依据。某露天矿采用边坡雷达进行变形监测，旨在获取精度高、连续性强的滑坡变形数据。在使用列表、作图和统计等手段的基础上，通过边坡雷达位移和速度等监测数据的解读，综合分析在爆破、降雨影响下边坡监测数据的变化，达到判断当前边坡稳定状况的目的，并为该露天矿下一步工作方案、采矿进程和爆破预裂方式的制定提供决策依据，对实际采矿生产有着重要的指导意义，显著提高了矿山的生产效率，同时保障了矿山的安全生产。

关键词：边坡；监测；方法

露天矿边坡监测是边坡管理和确保边坡安全的基础，受重视程度不断加深。本文主要从边坡监测的项目选取上着手，区分了监测系统和监测方法的不同，并分类列举了现代较先进、较常用的边坡监测方法。边坡工程是露天矿开采中首要涉及的工程项目。随着地表的剥离和矿体的开挖，边坡内部岩土力学作用也越发复杂。为了得到边坡岩土的真实力学效应，检验设计施工的可靠性及治理后边坡的稳定状态，边坡监测必不可少。为了保证矿山安全生产，防止滑坡灾害的发生，本文举例通过S－SAR合成孔径边坡雷达监测系统差分干涉技术对大范围边坡进行实时位移监测，提高露天矿开采边坡监测的可靠性，降低滑坡灾害发生的可能。

一、边坡监测方法的分类

监测项目的选取决定了其所使用的监测方法。一般常用的监测方法可分为4类：①简易观测法，是针对边坡中地表沉降、地面鼓胀、裂缝、岩石坍塌、地下水位变化及地温变化等现象，采取人工直接观测的一种定性判断观测法；②设站观测法，是指依据边坡工程地质资料，将测量仪器（水准仪、经纬仪、摄影仪或全站型电子速测仪或GPS 接收机等）固定在变形区影响范围外的稳定地点作为基站，对边坡上设立的线状或网络状变形观测点定期进行三维（X、Y、Z）位移测量的一种宏观监测方法；③仪表观测法，对比设站观测法少了设站环节，即通过精密仪表仪器直接对边坡的水平垂直位移、倾斜变形、地表裂缝、深部位移、地应力、微震与声发射及地下水等方面进行实时监测，是一种局部监测手段；④ 远程观测法，是基于快速的发展空间技术和网络技术，逐渐将各种先进的自动遥测系统应用于边坡工程，对边坡的变形、崩塌等进行连续自动化遥测的高效监测方法。

二、边坡监测技术及原理

1、合成孔径雷达监测法。成像雷达技术是通过安装在卫星或飞机上的雷达以无线电波为媒介对地实施主动微波遥感技术。其原理为：雷达向指定探测目标物体发出微波脉冲，然后接受目标物体反射回来的回波信号，根据信号的强弱经反演得到目标物图像。目标的距离与方位则通过计算辐射能量传播到目标并返回的时间和测量回波信号的到达角确定。合成孔径雷达（D- In SAR）是利用双天线系统或重复轨道法实现相位和振幅观测值的干涉，达到监测的目的。即将同一地区的两幅干涉图像（一幅是由形变前的两幅SAR图像获取的干涉图像，另一幅是由形变后两幅SAR图像获取的干涉图像）进行分处理（除去地球曲面、地形起伏影响），获取地表微量形变。优点：遥感式测量；测量精度高；监测范围广，不需要通视；全天候、全气候条件观测；实时处理、实时传输、高自动化智能控制；空间分辨率极高。缺点：易受其他信号的干扰；维护和更换的成本高。

2、三维激光扫描技术。激光以其单色性好、亮度高、方向性好等优点已被广泛应用于现代边坡监测领域。地面三维激光扫描技术是一种以点云的形式快速获取地形或监测物体表面阵列式几何图形数据的非接触式高速激光测量技术。其基本工作原理是：扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接收的时间差计算出相应被测点与扫描仪的距离，再根据水平方向和垂直方向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标，并将其送入存储设备予以记录储存，经过相应软件的简单处理，即可提供被测对象的三维几何模型。优点：测量速度快，密度高，地毯式监测；操作简单，无接触式测量，反映坡体的总体变形趋势；彩色图像化呈现和分析测量结果。缺点：精度稍低，更适合大变形露天矿山边坡的监测使用；数据存储量大，需海量存储空间；数据采集时受到地形及施工的影响。

3、时域反射法（TDR）。时域反射法是一种雷达探测技术，从70年代开始逐渐应用于岩土工程领域，主要用于对边坡岩体的倾斜变形监测。其原理为：电脉冲信号发生器发射的电磁波受到周围介质的介电常数的影响，使得其在电缆中传播的速度明显变化，导致电缆的电导率变化，从而引起信号的衰减，通过分析接收的反射信号就能得到电缆的阻抗特征，再经过反演就可以得到电缆周围不同部位的地质信息。另外一种光时域反射法（OTDR），它是利用光纤进行测量的时域反射法。其原理为：通过光纤将某个光源发射的脉冲经由被测岩体反射到探测头，并通过传感器输出变化的信号即可得到被测参数（如地下水、裂缝等）在空间上的分布变化情况，通过计算光波的传输速度，确定光源与测点的实际距离。优点：① 相比传统的测斜仪质量轻，体积小，耐腐蚀，抗电磁干扰，灵敏高；② 操作方便，监测时间短，数字化程度高，可实现远程控制；③ 能快速确定边坡的变形及深部应力的大小；④ 实现多线、多面分布式测量；⑤ 比较经济，实用性强。缺点：① 电缆或光纤的铺设技术还不先进；②监测距离及点数受其他光源的限制。

4、测量机器人（自动全站仪）。测量机器人RTS是在全站仪的基础上，结合步进马达、CCD阵列传感器、自动目标识别传感装置等组成的新型监测仪，具有自动跟踪目标、自动照准、自动测距、自动测角、自动记录等特点。其工作原理为：在监测区域以外相对稳定的地方建立基站（包括设站点与参考基准站）组成工作基点网，然后架设自动全站仪以激光照准，在每一个测量周期内均按极坐标原理分别采集参考基准站和变形点的斜距、天顶距、水平角，并将参考基准站的测量值与其真实值相比较，排除因天气、温度及仪器等各种因素影响产生的差异，便可得到变形点的实际坐标，最后通过无线信号或电缆将数据传输至监控室。

5、声发射与微震监测。岩石或岩体在力的作用下其内部能量不断集聚并产生破坏，主要表现为裂纹的产生与扩展，以及岩体的断裂等。伴随着裂纹的形成与扩展，岩体会产生应力松弛，贮存在其内部的应力将以弹性波或应力波的形式释放出来，按照能量的不同形成地震、微震及声发射。声发射与微震监测就是利用安装在有效范围内的传感器将岩体发出的信号及时有效地回收，然后通过反演方法得到岩体断裂或微破裂发生的时刻、位置和性质。最后根据断裂或微破裂的大小、集中程度和破裂密度，推断出岩石宏观破裂的发展趋势，这便是声发射和微震监测技术的核心思想。

总之，虽然我国在自动化监测的设计与布置、数据采集与传输、结果分析与预警等方面做了很多的尝试与改进，但是要想达到世界顶级水平，真正做到全自动智能式监测，还需要更多的探索与研究。

参考文献：

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