GNSS技术在矿山边坡变形监测中的应用研究

所属栏目：矿业论文
发布时间：2011-03-19 09:19:52  更新时间：2025-01-15 10:43:31

　　宋瑞君

　　内蒙古地矿科技有限责任公司 010010

　　摘要：近年来，我国矿山边坡变形问题不断凸显，成为地质灾害防治中的重要组成部分，边坡变形监测技术与方法的发展已经成为了相关研究人员关注的重点。GNSS技术具有全天候、高分辨率、多角度、高灵敏度等优势，在边坡变形监测中具有较大的应用价值。在边坡变形监测中，GNSS技术结合传统监测方法与技术手段，能够获取边坡表面多点位移信息及边坡内部位移信息。GNSS技术能够与多种监测手段相结合，为边坡变形提供实时数据支撑。本文将主要针对GNSS技术在矿山边坡变形监测中的应用进行分析与阐述，希望能够为相关研究人员提供参考意见，推动边坡变形监测事业发展。

　　关键词：GNSS技术;矿山;边坡变形;监测

　　引言

　　随着人类活动日益增多，地表及地下空间等资源开发强度加大，导致自然地质灾害频发。地质灾害具有突发性强、破坏力大等特点，给人类生活生产及生命财产安全造成了严重的危害。为了避免或降低地质灾害造成的危害，监测地质灾害具有十分重要的意义。矿山边坡是由岩体或者土体构成的边坡，其具有空间位置上的特殊性。因此，在对其进行变形监测时应综合考虑岩土体性质、岩体结构以及坡体内水文地质条件等因素[1]。

　　矿山边坡变形监测工作是一项涉及内容多、难度大、复杂程度高的监测工作，同时也是一项非常重要的安全工程，其在矿山安全生产和地下空间开发利用等方面具有极其重要的地位，其是否稳定将直接影响着矿山及地下空间的建设及运营安全。而在对矿山边坡变形进行监测过程中，传统监测方法存在着测量精度不高、使用周期长以及费用高等缺点。为此，本文采用GNSS技术对矿山边坡变形进行监测，以探索其在矿山边坡变形监测中应用的可行性和有效性。

　　1GNSS技术简介

　　1.1GNSS概念

　　GNSS指的是全球定位系统，简称GPS，它是由美国国防部研究开发的一种新型卫星导航定位系统，其具有全天候、全天时、高精度和高可靠性的特点，对国民经济的发展和社会进步起着重大作用[2]。GNSS系统具有多个星座，分布在不同地区，其运行高度处于同步状态，且空间距离较远。在对GNSS进行定位过程中，GNSS主要包括三个方面：(1)空间星座系统：由4颗以上卫星构成;(2)地面控制系统：由5~10个基准站和其他辅助站组成;(3)用户接收机：由5~10台接收机构成。其中，地面控制系统是GNSS卫星的导航系统，其具有控制、协调卫星运行的作用。GNSS可以对各大空间坐标进行准确、高效的定位及导航;并且可以同时接收多颗卫星信号进行高精度测量;同时可对地面上每一台接收机进行有效地管理和控制[3]。

　　1.2GNSS定位技术检测的基本原理分析

　　GNSS定位技术主要利用卫星、空间和接收机等仪器对信息进行采集、传输，并使用相应的软件和硬件设备将信息进行处理，从而实现对目标位置的确定。通过对卫星发射信号，并接收接收机的信号，可利用相应的仪器设备实现对卫星、接收机、天线和数据链路等多方面内容的分析。同时，使用GNSS定位技术可实现对空间和地面目标位置信息的准确采集，并在此基础上使其进行三维坐标转换处理，实现对目标三维坐标的确定。

　　通过利用GNSS定位技术对矿山边坡进行变形监测时，其基本原理是：通过对相关仪器设备安装调试并进行测试，了解设备工作情况及性能指标情况等;并通过观测站设置位置、工作人员在其中进行测量操作等方式完成对矿山边坡的监测;同时，利用定位仪器和相应设备进行数据采集处理，并利用相应软件将数据信息进行处理、显示及输出;最后综合相关信息指标对矿山边坡变形情况进行分析。

　　通过利用GNSS定位技术检测矿山边坡变形，其关键在于对相关仪器设备及系统性能进行了解、测试和分析。在露天矿山开采过程中，由于爆破等因素，常会导致边坡失稳或出现滑坡现象。而GNSS定位技术作为一种新型的观测技术手段，在实际应用过程中可通过在边坡表面安装测杆等方式来获取相关数据。同时可以在边坡不同部位安装不同型号的仪器设备和仪器系统进行操作检测[4]。

　　1.3定位方法

　　目前，GNSS变形监测技术主要包括静态、动态等类型。而不同的定位方式其原理不同，其具体应用也不同，其定位结果也有所区别。静态GNSS变形监测技术是根据控制网的基准点来确定监测点位的位置，这种方法适用于比较简单且相对稳定的边坡，但由于基准点的确定受到卫星的高度角、钟差、电离层等因素影响，其精度和稳定性相对较差。准静态GNSS变形监测技术是通过测量基准点、监测点以及监测区域内的其他监测对象来确定监测点位。这种方法可对相对于基准站而言，具有定位精度高、稳定性强等优点。动态GNSS变形监测技术是利用卫星和监测点之间的距离来确定监测点位[5]。

　　为了确保矿山边坡变形监测数据精度，在矿山边坡变形监测中可采用全站仪结合GNSS卫星定位技术来实现对边坡进行自动化动态监测。在实际应用过程中，应将基准点进行布设并建立坐标系统，然后再利用GNSS卫星定位技术来确定监测点位。在进行GNSS定位时，需要确保基准点及监测点位在同一高度层上，且基准点及监测点位的坐标系应保持一致。此外，为了避免由于基准点、监测点位误差导致的定位结果误差增大，还需要根据实际情况进行合理布设。根据矿山边坡变形监测工作实际，可通过在不同位置设置观测点的方式来实现对边坡变形情况的监测[6]。

　　1.4误差源分析

　　GNSS监测系统会受到各方面因素的影响，导致其产生的误差也较为复杂。为最大限度降低系统误差的影响，对其进行误差源分析是非常必要的。其中，主要包括以下几方面因素：

　　1.由于GNSS系统自身误差及外界环境因素干扰所导致的测量误差，包括接收机基线向量解算精度、卫星钟差、卫星信号接收灵敏度和接收机天线相位中心误差等;

　　2.GNSS接收机设备的影响因素，包括接收机天线相位中心偏差、接收机频率偏差、系统误差以及大气折射等;

　　3.GNSS信号接收设备对监测信号的影响，包括天线指向与地球曲率等。此外，GNSS系统本身存在着较大的系统误差。由于GNSS技术无法进行实时监控，无法获取其最终精度;同时，其信号传输过程中易受到环境因素干扰，如GPS卫星轨道误差、大气折射等。因此，为消除其系统误差带来的影响，对其进行实时监测时，应尽量采用静态或者准静态观测方式。与此同时，根据相关规定可知，其观测时间应控制在10s以内[7]。

　　通常情况下，GNSS定位所使用的观测时间为：在进行数据采集时，GNSS接收机天线指向要对准卫星星座(包括信号接收天线);对数据进行处理时，数据采集过程中要尽量避免使用较大的振动加速度以及较大的电流等情况;数据采集完成后需要对其进行一定时间的存储以备下次使用。

　　2影响矿山边坡稳定的因素

　　2.1地下水的影响

　　地下水不仅改变了边坡的工程地质条件，而且也改变了边坡的力学性质。边坡地下水位高的时候，地下水将造成边坡土体软化、强度降低，同时地下水位下降还会造成边坡坡脚的地下水位上升，使其出现孔隙水压力和饱和导水性。而在正常的排水条件下，地下水位降低时，对边坡稳定没有明显的影响;但当地下水大量渗出时，使其渗透压力增大，将在一定程度上削弱边坡的稳定性。因此在边坡坡脚有地下水时，应特别注意排水系统的建立和设置;同时注意防止边坡出现孔隙水压力和饱和导水性。此外，地下水还会使边坡岩土饱和后渗透系数增大，从而使岩土的渗透系数减小[8]。

　　2.2弱层的影响

　　弱层是指在工程地质条件中不利于边坡稳定的软弱结构面，一般情况下，边坡较陡的岩质边坡中发育有软弱结构面或软弱夹层，易形成局部垮塌、冒落或滑移等现象。

　　弱层的厚度与岩层的厚度相差越大，边坡的稳定性越差。在边坡岩体中，不同岩性和结构面之间的力学作用及影响不同。

　　岩石强度和结构面间的力学作用主要由岩石中泥质含量和软弱夹层的存在程度决定，而水在弱层中的渗流对边坡岩土力学参数影响较小。因此，边坡弱层越多，稳定性越差。

　　2.3边坡角的影响

　　边坡形状和几何特征：边坡形状主要包括坡角、边坡高度以及台阶的间距。矿体产状、层间距等也是影响边坡稳定性的因素。

　　台阶结构：不同台阶结构的边坡其稳定性也不一样。为了保证开采的安全，需要对不同台阶采取相应的措施。

　　岩体结构特征：不同岩体结构的边坡稳定性也不一样，主要包括岩体裂隙分布情况、岩层产状等。

　　地层产状：不同地层在一定深度内分布不均匀，从而对边坡稳定性有一定影响，比如：板岩在浅部容易发生变形;而花岗岩则容易发生整体滑移现象。因此，要根据不同岩性对边坡稳定进行研究，从而保证边坡的稳定。

　　2.4边坡体结构和构造因素

　　边坡体的结构和构造对边坡稳定具有重要影响，包括节理、断层、裂隙以及软弱夹层等。边坡中存在的节理、裂隙越发育，对边坡稳定性影响越大;裂隙是影响岩体强度的主要因素，对边坡的稳定性起着决定性作用。当裂隙发育时，其抗剪强度降低，容易导致边坡的失稳和破坏;岩体中存在的软弱夹层也影响着边坡的稳定性。软弱夹层对边坡稳定影响较大，在边坡的开挖过程中要特别注意软弱夹层对于边坡稳定性的影响。

　　3GNSS案例分析应用

　　3.1工程概况

　　某矿山边坡长约320m，其主要由高陡边坡组成，其所处地形较平坦，相对高差较小。根据地质勘测资料，该矿边坡开挖高度在60m以上，且经过多年的开采，边坡岩体发生了一定的变形和破坏。

　　开采过程中，因开采深度较大，岩体风化程度严重，导致边坡稳定性较差。在该工程中，边坡处于坡脚位置，由于前期未对该边坡进行稳定性评价和合理设计，致使该边坡存在部分边坡失稳以及局部垮塌的情况。为避免边坡失稳影响到周边的生产生活活动和基础设施的安全稳定，及时掌握边坡动态变化情况及规律，对该边坡点进行监测。

　　该边坡设计为柔性支护结构。当边坡开挖到一定高度时，将采用锚喷支护或者格宾网支护支护，并形成柔性挡墙防护结构。根据边坡设计图中的监测点位置可以看出：边坡上的监测点主要分布在边坡中部和顶部;边坡体的下部主要是以土石混合结构为主。该工程采用的GNSS监测技术可根据实际情况选择合理的监测方案，及时准确地反映边坡变形情况。

　　3.2监测内容

　　矿山边坡变形监测主要分为地面位移和地下变形两种。地面位移监测一般采用水准测量的方法进行，主要是测定边坡表面的变形情况，观测的内容包括高程异常、相对高差、倾斜、倾角等。地下变形监测主要是通过地面位移观测网和地下变形网的数据进行对比分析，从而实现对边坡变形趋势进行预测，以便采取有效措施阻止边坡继续向下变形。

　　目前矿山边坡监测中应用较多的主要是GNSS技术，但其应用范围非常广泛，特别是在公路、铁路以及建筑等领域都有广泛应用。基于此，本文以某矿山边坡为例，介绍GNSS技术在边坡变形监测中的应用。

　　3.3边坡监测方案设计

　　据观测数据显示，此次边坡变形监测范围内的边坡坡高在120m到150m之间，边坡上分布有4个监测点，其坐标为(0,-150)、(0,-150)，-150)。因监测工作在雨季进行，故为保证监测数据的准确性，故采用 GPS技术与 GNSS技术相结合的方法进行边坡监测。GPS技术具有定位精确、连续作业、自动化程度高、时效性强、经济实用等特点。GNSS技术具有全天候、高精度的优势，能在各种恶劣环境下持续工作。这两种监测技术的结合提高了矿山边坡变形监测的效率与可靠性。此次边坡变形监测方案设计中包括以下内容：对监测区域进行布置，选择合适的监测点位;建立监测点与基准站之间的联系;确定监测点的具体布置位置以及相应的监测精度;明确监测点所处位置以及数量;确定监测点编号和标志牌的设置;记录有关数据和相关信息;进行数据处理与分析、整理等工作。

　　3.4监测方法与仪器设备

　　本次监测采用GNSS变形监测，方法采用静态、动态、定期监测方法进行。

　　3.5数据处理和精度处理

　　本文中使用的是EGM2008大地坐标系统，选择WGS-84坐标系作为坐标基准，根据测量规范要求，对于GNSS基准网必须要求至少有两个基准点，如果是第一个基准点发生变化，则需要在第一个基准点复测，确定无误差后方可进行下一步工作。该矿山边坡变形监测工程实施过程中，选择了3套 GNSS监测点进行变形监测，并利用 GNSS网平差软件对监测数据进行分析处理，同时对监测点的坐标精度进行了评定。根据该矿山边坡变形监测工程的实际情况，以 GPS连续站网的高程分量作为基准，将三个基准点与监测点对应坐标系之间的水平距离作为观测点的高程精度评定指标。该矿山边坡变形监测工程的水准测量精度能够达到1mm以内，满足基准点高程系统精度要求。

　　3.6监测成果

　　该边坡从施工开始，就不断地向边坡内部移动，随着时间的推移，边坡内部的移动距离不断扩大。到了2018年，边坡内部出现了较大的滑坡，在2017年施工过程中，由于边坡岩体较软，在边坡上部有一个较大的空洞，下方就是矿山边坡的运输道路。2019年5月11日-5月14日，该边坡进行了一次强降雨。根据设计要求，当降雨量达到一定程度时应进行排水工作。降雨后的强降雨产生了大量的水土流失、地表位移等一系列现象。因此，根据《矿山安全规程》第217条、第218条及《露天矿山边坡治理设计规范》(GB50025-2005)要求进行排水工作。

　　3结束语

　　边坡稳定是矿山生产中一个重要的问题，其受影响因素多、影响复杂。根据目前我国矿山生产现状，不可能在短期内完全掌握所有的影响边坡稳定的因素，但可以对其中重要的几个方面加以分析研究，总结经验，找出规律。本文主要介绍了GNSS技术在矿山边坡变形监测中的应用案例分析，重点分析GNSS技术在矿山边坡变形监测中的应用效果，并对相关问题进行探讨，提出了具体的建议。希望通过本文的研究，可以为矿山边坡变形监测工作提供一定的参考。矿山边坡变形监测是保障矿山安全生产和开采工作顺利进行的重要举措，其主要是通过监测矿山边坡表面位移、水平位移等变化情况，以了解边坡表层岩体结构和内部力学结构状况。

　　参考文献：

　　[1]胡世士, 肖云华, 文韬,等. GNSS技术在露天矿山顺层边坡监测中的应用[J]. 采矿技术, 2023, 23(1):5.

　　[2]卢尚鹏. 基于GNSS技术的排土场边坡变形监测及稳定性探索[J]. 决策探索(中), 2020, No.666(10):93-93.

　　[3]周春平, 张胜利, 赵永洪,等. 一种基于GNSS卫星定位技术的土质边坡变形监测装置:.

　　[4]李明智, 巫星德, 刘先林. GNSS技术在公路地质灾害监测中的应用[J]. 西部交通科技, 2022(5):3.

　　[5]易恒. GPS技术在矿山边坡变形监测中的应用[J]. 黑龙江冶金, 2021, 041(004):69-70,130.

　　[6]龚小丰. GNSS技术在矿山地质灾害监测中的应用[J]. 南北桥, 2022(006):000.

　　[7]罗京华. GNSS系统在矿山采空区地质灾害监测中的应用[J]. 世界有色金属, 2018.

　　[8]徐子一, 邓永煌, 董志鸿. GNSS技术在滑坡监测与预警系统中的应用[J]. 四川水泥, 2020(5):1.

　　作者简介：宋瑞君(1985年3月13日)男 内蒙古土默特左旗 汉 大学本科 内蒙古大学 技术负责 内蒙古地矿科技有限责任公司 研究方向:测绘