GPS—RTK露天矿边坡监测系统的研究

　　摘要：介绍了GPS—RTK露天矿边坡监测系统基本情况，阐述了GPS—RTK技术监测露天矿边坡的过程及技术要点，根据GPS—RTK系统对露天矿边坡监测的记录数据和变化趋势提出了边坡预警的准则.

　　关键词：露天矿，边坡监测，GPS—RTK技术，监测过程

　　Abstract: This paper introduces the GPS - RTK open-pit slope monitoring system basic situation, elaborated GPS, RTK technology to monitor the open-pit slope process and technical key points, according to the GPS RTK system of surface mine slope monitoring recording data and change trend puts forward slope warning criteria.

　　Key words: open pit mine, slope monitoring, GPS - RTK technology, monitoring process

　　中图分类号：TV547.5 文献标识码：A 文章编码：

　　矿产资源的开采方式多种多样，露天开采就是其中的一种常见的采矿形式.露天开采的边坡稳定问题一直是困扰岩土工程界的一个关键问题.目前，有关露天开采边坡稳定问题的研究仍停留在实验室研究和经验判断法的水平上.要想正确、合理地从根本上研究露天开采的边坡稳定问题，就必须深入生产第一线

　　获取大量的、广泛的、全面的原型(实际)监测数据，然后，通过系统的数学分析才能总结出某些切合实际的结论和研究成果.同样，要对露天采矿的生产安全进行有效、实时的监控和及时、科学的危险预警也必须对边坡进行合理有效的监测.

　　卫星全球定位系统(GPS)的出现为露天矿边坡的实时监测提供了理论上的可能，GPS—RTK技术的出现为露天矿边坡的实时监测奠定了必要的基础.近几年，利用GPS—RTK技术实现了对露天矿边坡的准实时，准动态三维监测(gP GPS—RTK露天矿边坡监测系统)取得了良好的效果.

　　1 GPS—RTK露天矿边坡监测系统的构成

　　1.1 系统配置

　　系统的硬件包括基站GPS接受机一台套，流动站GPS接受机一台套，系统的软件包括GPS—RTK系统自身携带的卫星信息接受及数据处理软件以及自主开发的边坡稳定监测数据处理与分析软件.

　　为了克服监测中的一些误差，监测时基站GPS接受机与流动站GPS接受机的接受天线均卸掉基座，流动站GPS接受机天线与固定的垂准杆联结(并且保证在历次监测中始终总用该垂准杆)，这样就可以消除基站天线高与流动站天线高测量误差对监测结果的影响，从而提高监测的精度.

　　1.2 监测现场的布置

　　整个监测现场由一个监测基站，三个校验基站和若干个边坡监测点构成.

　　监测基站与校验基站均应远离露天开采现场，根据笔者经验，监测基站与校验基站到露天开采现场的距离应大于3km.监测基站与校验基站均应设置钢筋混凝土高墩式强制归心标志，同时应满足以下条件：

　　(1)设站处土质要坚实，地质结构要高度稳定;(2)地势高，视野要开阔;(3)周围不得有高度角大于100的障碍物;(4)周围100m 范围内不得有强电磁干扰(比如无线电台、高压线、微波站、自动气象台等)，且不得有能导致多路径效应的GPS信号反射体(比如大面积水域、高大建筑物等).

　　校验基站的作用是为了检验监测基站的稳定性，当发现监测基站不稳定时可以根据校验基站的基准坐标反求出监测基站的真实坐标，并据此对相对应的边坡监测点的坐标进行可写的订正(修正).

　　边坡监测点应在实地灌埋内镶钢筋头的混凝土标志，钢筋头的顶端应加工有十字花，十字花的交点即代表监测点(当然，对于岩基边坡也可以通过钻孔灌埋钢筋头).边坡监测点包括矿坑外地表监测点(设置范围为矿坑外lkm 以内，呈格网状布置，相邻点间距离以200 500m 为宜)，开采层坡面监测点(沿开采层坡顶线和坡底线均匀布置，同一线上相邻监测点间的距离以100m左右为宜)及运输道监测点(沿运输道边缘均匀布置，相邻监测点间的距离以50m 为宜).

　　2 GPS—RTK露天矿边坡监测系统监测过程

　　2.1 监测基准系统的选择

　　监测基准系统的采用基于wGS一84椭球(即GPS椭球)的独立平面直角坐标系统和GPS大地高系统，以过矿坑中心的子午线为中央子午线，以过矿坑最大开挖深度的一半处的高程面为距离投影基准面.

　　2.2 基础信息采集

　　基础信息采集只进行一次.

　　2.2.1 监测基站三维坐标(基准坐标)的确定 将GPS—RTK基站接受安置在监测基站上接受GPS卫星信号获得监测基站的WGS一84(经度L，纬度B，大地高^)，再根据选定的中央子午线及距离投影面将监测基站WGS一84坐标转换为相应的独立平面直角坐标(x ，y)及GPS大地高h.

　　2.2.2 校验基站三维坐标(基准坐标)的确定将GPS—RTK基站接受机安置在监测基站上，输入其三维坐标、GPS天线高(输入零)、卫星截止高度角、数据采样率、数据链通讯参数(包括通讯串口、波特率、起始位、数据位、停止位、奇偶校验位等)然后将DGPS设置为输出(out).

　　将流动接受机依次强制归心安置在各校验基站上按快速静态测量(或静态测量)模式获得各校验基站的三维坐标.当然，测量时流动接受机也应进行一些必要的设置[包括初始化、坐标系数参数、与基站接受机相同的GPS卫星数据接受控制参数、数据通讯参数、GPS天线高(输入零)、DGPS设置为输入(in)].

　　2.2.3 边坡监测点三维基准坐标的确定

　　同§2.2.2相似，将基站接受机安置在监测站上设置好相应参数，将流动接受机安装在垂准杆上依次在各边坡监测点上流动(流动接受机在每个边坡监测点上测量时也必须进行相应的参数设计，方法同§2.2.2)，按RTK(Real Time Kinematic Technique)测量模式测出各边坡监测点的三维基准坐标.RTK测量模式，流动接受机在每个边坡监测点上的停留时间不超过lmin.一个百余点的露天矿山，边坡监测点的三维基准坐标可以在1个工作日内完成.

　　2.3 边坡形变测量

　　边坡形变测量是按一定的时间间隔进行的，当边坡形变活跃时应缩短时间间隔，必要时可进行准实时监测和重点部位的强化实时监测.

　　每次边坡的形变测量的方法与过程同§2.2.3(即边坡监测点的三维基准坐标确定)，通过RTK测量获得各边坡监测点的新三维坐标.

　　3 边坡移动监测数据分析

　　根据边坡移动监测数据可绘制边坡变形时程(或进/大)移动曲线，根据移动曲线粗略判断边坡移动趋势，并据此对边坡移动性做出初步判断.图1为某露天矿23#测点水平位移过程线，从图1可见，水平位移随边坡的挖深呈现一种逐渐增大的趋势，但水平位移有小幅回摆现象，这种回摆现象产生的原因往往是观测误差所致.

　　4 边坡监测的预警准则

　　通过工程实践与大量的工程实录调查，笔者初步总结出了边坡预警的基本准则，当出现下列情况之一时应进行安全预警.

　　(1)边坡平均移动量大于10mm/d;

　　(2)边坡局部最大移动量大于20mm/d;

　　(3)边坡局部最大累积移动量大于0.001H(H 为边坡最大高度);

　　(4)边坡周边地形局部塌陷量大于5mm/d;

　　(5)边坡周边地形局部塌陷总量大于23cm;

　　(6)边坡出现局部涌水.

　　5 结束语

　　GPS—RTK技术在露天矿边坡监测中有着良好的表现，它可以有效地实现露天矿边坡三维监测的准实时化、准动态化，可显著地提高监测效率.GPS—RTK 的最大优点还表现在它没有通视要求(即测量时不要求基站接受机与流动接受机相互看得见)，从而克服了地形因素对测量过程的影响，因此可以完成传统测量手段难以完成或无法完成的工作.

　　参考文献:

　　[1] Parkinson W Bradford，Spilker J，Enge P Globa1.Positioning System：Theory and Applications[M].AIAA Washington DC，1996

　　[2] 采矿手册编写组.采矿手册[M].北京：冶金工业出版社，1992

　　[3] 手册编写组.采矿设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1987

　　[4] 《工程地质手册》编写组.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1992

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文章名称： GPS—RTK露天矿边坡监测系统的研究

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