丰趁得 张敏
河南东陆高科实业股份有限公司 ，450000，
摘要：为克服传统边坡监测方法中监测点数少、监测周期长、自动化程度低等弊端，针对某露天矿边坡、排土场的实际情况，基于北斗卫星导航定位技术、三维激光扫描技术、物联网、移动互联网等技术，建立了点与面结合的无线监测预警系统，实现了实时、动态、自动、全天候、全覆盖监测。经监测效果评价，该监测系统应用效果良好，为矿山安全管理起到了重要的指导作用，也为类似条件的边坡监测设计提供了参考依据。
关键词：边坡监测 北斗卫星导航定位 三维激光扫描 无线监测预警
1 引言
露天矿边坡、排土场的稳定性，一直是矿业生产部门及科技人员最为关心的课题。因为它不仅直接关系到采矿人员与采矿设备的安全，同时也影响着矿山的可持续发展。一旦露天矿边坡或者排土场发生失稳事故，将造成巨大的经济损失。因此，对露天矿边坡、排土场必须进行安全监测。边坡、排土场稳定性监测是分析边坡体、排土场土体变形规律，进行滑坡预测和防止滑坡灾害发生的重要手段之一。
传统的边坡监测技术，由于监测周期长、自动化程度低，耗费了大量的人力物力，且不具备实时性，已不能满足快速、准确、实时、自动获取监测数据的需要。该研究围绕矿区安全生产工作需求，并结合国家有关金属非金属矿山的政策规范和安全评价要求，建立了一套基于物联网、移动互联网等新一代信息技术的边坡稳定性在线监测预警系统，该系统将北斗卫星导航定位技术、三维激光扫描技术应用到矿山安全隐患监测，可以全面提高矿山公司安全监管水平，增强企业、社会、政府对于灾害的预警响应能力。
2 主要技术手段
本研究综合运用卫星定位、物联网、移动互联网、云计算与大数据技术，研制开发露天矿山边坡、排土场边坡稳定性监测物联网监测系统。本研究率先将新一代信息技术应用于矿山安全智能生产与重大事故防控，通过矿山安全生产物联网关键技术的研发与应用，实现感知矿山重大安全隐患的目标，为矿山企业实现数字矿山、智慧矿山、绿色矿山的战略目标提供了安全保障。
所用到的主要技术手段如下：
2.1多模融合高精度定位技术
地表点位移监测技术采用北斗卫星导航系统(BDS)、GPS、GLONASS三系统间时空统一的转换模型和转换参数，基于最新整合的 “连续运行参考站北斗卫星地基增强系统”（Continuously Operating Reference Stations-CORS），使用GNSS多模融合导航定位时空统一转换方法，用实测BDS/GPS/GLONASS数据进行定位解算，满足非煤露天矿山对监测数据安全性、精确性、可靠性要求严苛的需求。
2.2激光扫描技术与BIM融合技术
基于感知矿山的理念，在运用激光扫描技术的基础上，通过BIM（Building Information Modeling－建筑信息模型）技术的应用实现矿山复杂地质构造和危险区域三维模型的建立,为矿山开发过程中重大危险源的演变分析提供全生命周期管理工具，对于推动矿山企业的技术变革和安全生产管理效率的提高具有重要意义。
3表面位移监测方案
1、监测目的：了解和掌握采场边坡表面的变形活动状况和变化规律，可以用于确定坡体的变形范围以及变形发展阶段，掌握坡体变形的基本性质和发展趋势，为进行边坡工程地质勘查、防护加固工程设计和边坡灾害预警奠定基础。
2、监测项目：表面位移监测（含表面水平位移和竖向位移）。
3、监测方法：针对采场高陡边坡地理位置分布特点，同时兼顾经费投入和设备复用需求，对其表面位移变形监测采用点、面监测相结合的方式，其中点监测采用卫星定位技术，面监测采用三维激光扫描的方式。
4、设备选型：
（1）GNSS接收机
系统的表面点位移监测采用测绘GNSS 专业监测主机，全自动监测主机及其配套设施（GNSS天线、软件等）。通过采用多台高精度 GNSS 接收机来采集观测点坐标数据，通过多点GN来解算GNSS观测点的坐标，从而达到实时监测表面位移（移速率、累计位移等）的目的。
（2）三维激光扫描仪
三维激光雷达使用加拿大Optech品牌，加拿大Teledyne Optech公司在提供高精度激光雷达三维测量系统、量测测绘数码相机以及高效的测绘方案中处于世界领先地位。该三维激光在线监测系统能够实时监测边坡表面位移变化，三维激光扫描仪的测量定位精度为3mm。
监测软件可规划扫描时段及范围，系统自动、定时进行数据采集，并将扫描的数据与参考数据进行比较，并判断是否在允许的限差范围内，比较最后一次扫描与参考扫描的位移变化量，并对位移量自动分类处理。
除此之外，根据规范要求系统还设计了雨量监测、深部位移监测、地下水位监测等模块。
4 系统设计
无线预警监测系统是用来对露天矿、边坡等容易发生变形灾害的对象进行监测、分析、预警。无线预警管理系统由变形监测采集端（CS）、变形监测服务器（CS）、变形监测客户端（BS）组成。
变形监测采集端主要是在现场工控机或者远程服务器上部署的，操作对象为现场施工人员。主要功能：1、调试，管理、控制现场设备。2、采集、解码、存储设备观测数据。3、配置预警条件、生成预警信息。4、数据同步功能，将采集端软件采集的数据上传到服务器，为区域管理系统提供数据。
变形监测服务端主要部署在变形监测采集端或者远程服务器上面。主要功能是负责同步上传变形监测采集端的数据信息。
变形监测客户端采用B/S架构，主要功能是向用户展示现场的设备信息、实时数据信息、历史数据查询（包括历史数据曲线，报表导出）、预警信息查询。
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5 监测效果评价
（1）GNSS点位移监测
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GNSS点位移监测预警记录
分析：GNSS点位移监测系统连续产生二级预警，平面位移和竖向位移变化均超过20mm。鉴于监测系统在边坡出现裂纹、发生塌方之前及时发出预警，及时撤离了开采设备和开采人员，并没有造成经济损失。由此可见， GNSS点位移监测系统能快速、高效预警滑坡的发生，减少矿山企业的安全生产成本。
（2）三维激光扫描仪面监测
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三维激光扫描仪两期数据对比图
分析：通过两期数据的叠加分析，红色点位代表高程变大，蓝色点位代表高程下降。经过现场核实，红色显示区域为新增土石，深蓝区域为陷下去的区域。通过三维激光扫描仪对边坡、排土场进行宏观上的扫描监测，及时发现矿区大面积的沉降变化，有利于分析边坡和排土场的变形规律，及时对边坡和排土场进行隐患治理。
6 结论
本文结合某露天矿边坡、排土场实际情况，建立了一套无线监测预警系统，实现了高效、实时、在线、全自动化的露天矿边坡、排土场变形监测。该监测系统能够降低采矿人员的人身伤害风险，更好地预报事故的发生，充分保证了露天采场的安全生产，并可在类似条件的边坡监测工程中加以推广应用。
参考文献：
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[2] 孙华芬，侯克鹏等.山露天矿边坡自动化监测系统［Ｊ］．矿冶，2014,23（3）：77-80；
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