D0I:10.13374/j.issnl0(01f53.2006.06.00 第28卷第6期 北京科技大学学报 Vol.28 No.6 2006年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2006 深凹露天矿GPS边坡变形监测 苗胜军12) 蔡美峰)夏训清)刘华)佟慧超 1)北京科技大学土木与环境工程学院，北京1000832)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京100083 摘要结合水厂铁矿边坡变形GS监测，围绕监测点的确定及监测网的优化设计进行了论述. 并以6个监测点的9次变形监测数据为依据，结合现场情况及监测经验，创建水平位移趋势玫瑰 花图，对监测结果进行简要分析·监测结果与现场状况相吻合，说明GPS完全能达到矿山变形监 测的精度和要求 关键词GPS监测；边坡变形；监测网：水平位移：玫瑰花图 分类号TD325+.3 随着我国深凹露天矿开采深度的不断增加， 基本概念及设计原则为基准4)]，还应着重考虑 矿山边坡高度不断加大，特别是近年来，一些矿山 现场的监测条件， 采用并段靠帮工艺来提高最终边坡角，边坡稳定 如图1所示，东帮(G1一G6)与西排(G,一 性的控制和维护难度加大，若不及时采取监测措 G14)监测点由于障碍物方位角几乎截然相反，如 施，将严重威胁着矿山的生存和发展，本文结合 果同时在东帮与西排互相联结建网，公共卫星数 首钢矿业公司水厂铁矿露天边坡的实际情况，采 目较少，测量效果差，所以东帮和西排监测点单独 用GPS技术对该矿边坡不稳定部位进行实时监 布网，并由基准点B1,B2连接，最终形成如图2 测四. G 1水厂铁矿GPS监测网的布设 1.1监测点的确定 根据水厂铁矿边坡监测分级，结合国家治金 矿山监测点布设依据和水厂铁矿边坡稳定性研究 成果，将分阶段逐步对水厂铁矿陆续到界的固定 *10mm 边坡，通过多种监测手段，采用两级网对边坡实施 图1水厂铁矿GPS布点及水平位移矢量图 监测23] Fig.1 GPS monitoring points'distribution and level displace- I级网：用以控制整个边坡开挖扰动区，为建 ment vector 立更细的监测网提供基本框架，根据工程地质分 区和有代表性边坡剖面的数值模拟分析结果，拟 在全采场布设35个监控点，对边坡不稳定区进行 G 重点监控，监测点布设情况如图1所示 Ⅱ级网：根据I级网的监控结果，使用全站 仪、水准仪等常规仪器对需要重点监测的地段加 密监测点，以确定不稳定区的几何尺寸、破坏模 式、变形的发展趋势 G. 1.2监测网的设计 监测网设计过程中，除以GPS网图形构成的 收稿日期：2005-04-23修回日期：2005-06-09 基金项目：国家“十五"科技攻关资助(Na.2004BA615A05) 图2水厂铁矿一期GS监测网形 作者简介：苗胜军(1979一)，男，博士研究生；蔡美峰(1943一)， Fig.2 GPS monitoring network in the first period 男，教授，博士
深凹露天矿 GPS 边坡变形监测 苗胜军12） 蔡美峰1） 夏训清1） 刘 华1） 佟慧超1） 1） 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 2） 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室北京100083 摘 要 结合水厂铁矿边坡变形 GPS 监测围绕监测点的确定及监测网的优化设计进行了论述． 并以6个监测点的9次变形监测数据为依据结合现场情况及监测经验创建水平位移趋势玫瑰 花图对监测结果进行简要分析．监测结果与现场状况相吻合说明 GPS 完全能达到矿山变形监 测的精度和要求． 关键词 GPS 监测；边坡变形；监测网；水平位移；玫瑰花图 分类号 TD325＋∙3 收稿日期：20050423 修回日期：20050609 基金项目：国家“十五”科技攻关资助（No．2004BA615A－05） 作者简介：苗胜军（1979－）男博士研究生；蔡美峰（1943－） 男教授博士 随着我国深凹露天矿开采深度的不断增加 矿山边坡高度不断加大特别是近年来一些矿山 采用并段靠帮工艺来提高最终边坡角边坡稳定 性的控制和维护难度加大若不及时采取监测措 施将严重威胁着矿山的生存和发展．本文结合 首钢矿业公司水厂铁矿露天边坡的实际情况采 用 GPS 技术对该矿边坡不稳定部位进行实时监 测［1］． 1 水厂铁矿 GPS 监测网的布设 1∙1 监测点的确定 根据水厂铁矿边坡监测分级结合国家冶金 矿山监测点布设依据和水厂铁矿边坡稳定性研究 成果将分阶段逐步对水厂铁矿陆续到界的固定 边坡通过多种监测手段采用两级网对边坡实施 监测［23］． Ⅰ级网：用以控制整个边坡开挖扰动区为建 立更细的监测网提供基本框架．根据工程地质分 区和有代表性边坡剖面的数值模拟分析结果拟 在全采场布设35个监控点对边坡不稳定区进行 重点监控监测点布设情况如图1所示． Ⅱ级网：根据Ⅰ级网的监控结果使用全站 仪、水准仪等常规仪器对需要重点监测的地段加 密监测点以确定不稳定区的几何尺寸、破坏模 式、变形的发展趋势． 1∙2 监测网的设计 监测网设计过程中除以 GPS 网图形构成的 基本概念及设计原则为基准［45］还应着重考虑 现场的监测条件． 如图1所示东帮（ G1— G6）与西排（ G7— G14）监测点由于障碍物方位角几乎截然相反如 果同时在东帮与西排互相联结建网公共卫星数 目较少测量效果差所以东帮和西排监测点单独 布网并由基准点 B1B2 连接．最终形成如图2 图1 水厂铁矿 GPS 布点及水平位移矢量图 Fig．1 GPS monitoring points’distribution and level displacement vector 图2 水厂铁矿一期 GPS 监测网形 Fig．2 GPS monitoring network in the first period 第28卷 第6期 2006年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．28No．6 Jun．2006 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2006．06．002
.516 北京科技大学学报 2006年第6期 所示网形.此网每一观测周期共16个观测时段， G8,G9,G10为例，简要介绍监测成果 48条独立基线 2.1现场监测结果 2GPS监测结果及分析 GPS监测系统采用WGS84坐标系，而水厂 铁矿在生产和建设过程中一直沿用北京54坐标 水厂铁矿GPS一期监测网，2004年3月布设 系，为了和现场常规测量及绘图相结合，需要进行 完毕后，至2005年1月共监测9次，水平位移变 坐标体系的转换.表1为监测点在WGS84和北 化矢量如图1所示，现以东帮G2,G3,G4及西排 京54坐标系下的监测成果4.6] 表1WGS84和北京54坐标系下监测结果 Table 1 Monitoring result under WGS-84 and BJ54 coordinates WGS84坐标系下监测成果(BLH) 水厂北京54坐标系下监测成果(NEH) 中误差/mm 号 纬度 经度 椭球高/m N/m E/m H/m S(N)S(E)S(H) G2 4008'31.09074"N 11834'05.49958"E 101.3312 4445370.9476 505811.3982 102.5718 0.4 0.3 1.0 Gs 4008'36.26483"N 11834'10.13608"E 97.4407 4445530.6234 505921.0273 98.67420.40.30.9 4008'41.95269"N 11834'15.26879"E 81.4776 4445706.1574 506042.3849 82.7032 0.70.51.4 Gs 4008'51.35589"N 11833'38.01586"E 106.8166 4445995.5397 505160.3851 108.0775 0.6 0.41.1 4008'54.19030°N 11833'42.41634E 107.5827 4446083.0369 505264.4828 108.83770.50.41.1 G104008'56.84811"N 11833'47.86750E 105.40694446165.1059 505393.4505 106.65500.50.41.1 2.2 监测点位移变化趋势分析 程的位移变化曲线，如图3所示.累积位移量及 根据9次监测结果，得到监测点北、东向和高 方位角见表2.监测点水平位移速度采用最小二 一G 30 ()N方向 10 (h)E方i向 20 +G 10 -10 -20 G +-G -30 -0- 30 00130200 250 5布 150 200 时可d 时间d (e)Hi时 。G+G% G、i 100150 200 时创d 图3位移变化曲线图 Fig.3 Curved lines of displacement 表2监测点位移和速度变化量 Table 2 Displacement and level velocity of the three points Vl V8-10/ V1-/ 点号 △N/mm △E/mm △H/mm △s/mm 方位角/() (mm…月- (mm…月-) (mm…月-l G2 13.97 -18.71 -11.72 23.35 306.7 3.17 3.61 1.27 G3 32.85 -34.15 -10.30 47.39 313.9 8.14 4.87 3.24 G 8.69 -20.87 -2.79 22.61 292.6 5.39 2.94 0.83 Gs -13.13 11.16 -5.34 17.23 139.6 3.44 2.44 0.83 G9 -12.43 13.64 -5.88 18.45 132.3 2.95 2.72 1.17 G10 -11.99 11.38 -1.09 16.53 136.5 1.62 3.26 1.41
所示网形．此网每一观测周期共16个观测时段 48条独立基线． 2 GPS 监测结果及分析 水厂铁矿 GPS 一期监测网2004年3月布设 完毕后至2005年1月共监测9次水平位移变 化矢量如图1所示．现以东帮 G2G3G4 及西排 G8G9G10为例简要介绍监测成果． 2∙1 现场监测结果 GPS 监测系统采用 WGS－84坐标系而水厂 铁矿在生产和建设过程中一直沿用北京54坐标 系为了和现场常规测量及绘图相结合需要进行 坐标体系的转换．表1为监测点在 WGS－84和北 京54坐标系下的监测成果［46］． 表1 WGS－84和北京54坐标系下监测结果 Table1 Monitoring result under WGS－84and BJ－54coordinates 点 号 WGS－84坐标系下监测成果（BLH） 水厂北京54坐标系下监测成果（NEH） 中误差／mm 纬度 经度 椭球高／m N／m E／m H／m S（ N） S（ E） S（ H） G2 40°08′31∙09074″N 118°34′05∙49958″E 101∙3312 4445370∙9476 505811∙3982 102∙5718 0∙4 0∙3 1∙0 G3 40°08′36∙26483″N 118°34′10∙13608″E 97∙4407 4445530∙6234 505921∙0273 98∙6742 0∙4 0∙3 0∙9 G4 40°08′41∙95269″N 118°34′15∙26879″E 81∙4776 4445706∙1574 506042∙3849 82∙7032 0∙7 0∙5 1∙4 G8 40°08′51∙35589″N 118°33′38∙01586″E 106∙8166 4445995∙5397 505160∙3851 108∙0775 0∙6 0∙4 1∙1 G9 40°08′54∙19030″N 118°33′42∙41634″E 107∙5827 4446083∙0369 505264∙4828 108∙8377 0∙5 0∙4 1∙1 G10 40°08′56∙84811″N 118°33′47∙86750″E 105∙4069 4446165∙1059 505393∙4505 106∙6550 0∙5 0∙4 1∙1 2∙2 监测点位移变化趋势分析 根据9次监测结果得到监测点北、东向和高 程的位移变化曲线如图3所示．累积位移量及 方位角见表2．监测点水平位移速度采用最小二 图3 位移变化曲线图 Fig．3 Curved lines of displacement 表2 监测点位移和速度变化量 Table2 Displacement and level velocity of the three points 点号 ΔN／mm ΔE／mm ΔH／mm ΔS／mm 方位角／（°） V5－7／ （mm·月－1） V8－10／ （mm·月－1） V11－1／ （mm·月－1） G2 13∙97 －18∙71 －11∙72 23∙35 306∙7 3∙17 3∙61 1∙27 G3 32∙85 －34∙15 －10∙30 47∙39 313∙9 8∙14 4∙87 3∙24 G4 8∙69 －20∙87 －2∙79 22∙61 292∙6 5∙39 2∙94 0∙83 G8 －13∙13 11∙16 －5∙34 17∙23 139∙6 3∙44 2∙44 0∙83 G9 －12∙43 13∙64 －5∙88 18∙45 132∙3 2∙95 2∙72 1∙17 G10 －11∙99 11∙38 －1∙09 16∙53 136∙5 1∙62 3∙26 1∙41 ·516· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期
Vol.28 No.6 苗胜军等：深凹露天矿GS边坡变形监测 .517, 乘法计算，结果如表2和图4所示 G, 2.3水平位移趋势玫瑰花图 10 露天开挖引起的岩体移动一般指向矿坑开挖 -G 方向7-8]，结合这一特点，笔者首创水平位移趋势 G 玫瑰花图，如图5，更形象地反映了监测点位移变 化范围及总体趋势，随着监测数据的积累，此玫 瑰花图还可以反映各月监测点的位移趋势 月份 图4水平位移速度曲线图 Fig.4 Curved lines of level displacement velocity 、(a) (b) N G .....Ga --G 一G ---G1m 单位：mm 单位：mm 图5水平位移趋势玫瑰花图 Fig.5 Rose diagrams in level displacement direction 2.4监测结果分析 从9次监测数据可以得出如下结论： 3结论 (1)由表1及图1可知，除监测点G2,G3, 从监测结果可见，水平面N,E向中误差均 G4变形量较大，其他监测点变形量较小，所在区 在0.7mm以下，高程H向中误差也在1.4mm 域边坡稳定性较好； 范围内，表明GPS中误差小，测量精度高，完全能 (2)从图1和图3可以看出，14个监测点的 达到矿山变形监测的精度和要求[⑧].另外，通过 水平位移向量方向和边坡面倾向基本一致，均指 现场监测还体会到在矿山应用中GPS相对其他 向矿坑开挖方向，而垂直方向上整体有向下运动 常规仪器具有监测时间短、监测范围广、测站间无 趋势，符合露天开挖引起的岩体移动的一般规 需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业 律； 等优势，当然，随着监测数据的积累，在继续对水 厂铁矿边坡的不稳定部位进行动态监测的同时、 (3)由表2得知，G3点的水平位移偏移量及 还将建立预报模型，进行滑坡预报研究， 变形速度均为最大，其水平位移速度7月最大，而 现场G3点下方34~80m台阶6,7月份出现局 参考文献 部岩体滑落，后期亦出现零星滚落，这方面是十分 [1]蔡美峰，何满潮，刘东燕。岩石力学与工程.北京：科学出 吻合的 版社，2002 (4)按以往的降水记录，6~9月是每年降雨 [2]李车财.深凹露天矿边坡稳定性分析及其控制综合技术研 量最大的时期，也是滑坡最频繁的时期，而监测数 究[学位论文]北京：北京科技大学，2005 [3]李长洪，蔡美蜂，李军财，大型露天矿山边坡岩体结构与 据也显示（见表2及图4），这段时间的位移变化 破坏模式分析.中国矿业，2004,13(2)：48 量及变化速度相对都比较大，所以在此期间应缩 [4]李天文.GPS原理及应用.北京：科学出版社，2003 短监测周期，加强对边坡变形的监控力度10]. [5]Zhu W,Wang X.Cheng Z.et al.Crustal motion of Chinese
乘法计算结果如表2和图4所示． 2∙3 水平位移趋势玫瑰花图 露天开挖引起的岩体移动一般指向矿坑开挖 方向［78］结合这一特点笔者首创水平位移趋势 玫瑰花图如图5更形象地反映了监测点位移变 化范围及总体趋势．随着监测数据的积累此玫 瑰花图还可以反映各月监测点的位移趋势． 图4 水平位移速度曲线图 Fig．4 Curved lines of level displacement velocity 图5 水平位移趋势玫瑰花图 Fig．5 Rose diagrams in level displacement direction 2∙4 监测结果分析 从9次监测数据可以得出如下结论： （1） 由表1及图1可知除监测点 G2G3 G4 变形量较大其他监测点变形量较小所在区 域边坡稳定性较好； （2） 从图1和图3可以看出14个监测点的 水平位移向量方向和边坡面倾向基本一致均指 向矿坑开挖方向而垂直方向上整体有向下运动 趋势符合露天开挖引起的岩体移动的一般规 律［9］； （3） 由表2得知G3 点的水平位移偏移量及 变形速度均为最大其水平位移速度7月最大而 现场 G3 点下方34～80m 台阶67月份出现局 部岩体滑落后期亦出现零星滚落这方面是十分 吻合的． （4） 按以往的降水记录6～9月是每年降雨 量最大的时期也是滑坡最频繁的时期而监测数 据也显示（见表2及图4）这段时间的位移变化 量及变化速度相对都比较大所以在此期间应缩 短监测周期加强对边坡变形的监控力度［10］． 3 结论 从监测结果可见水平面 NE 向中误差均 在0∙7mm 以下高程 H 向中误差也在1∙4mm 范围内表明 GPS 中误差小测量精度高完全能 达到矿山变形监测的精度和要求［8］．另外通过 现场监测还体会到在矿山应用中 GPS 相对其他 常规仪器具有监测时间短、监测范围广、测站间无 需通视可提供三维坐标操作简便全天候作业 等优势．当然随着监测数据的积累在继续对水 厂铁矿边坡的不稳定部位进行动态监测的同时、 还将建立预报模型进行滑坡预报研究． 参 考 文 献 ［1］ 蔡美峰何满潮刘东燕．岩石力学与工程．北京：科学出 版社2002 ［2］ 李军财．深凹露天矿边坡稳定性分析及其控制综合技术研 究［学位论文］．北京：北京科技大学2005 ［3］ 李长洪蔡美峰李军财．大型露天矿山边坡岩体结构与 破坏模式分析．中国矿业200413（2）：48 ［4］ 李天文．GPS 原理及应用．北京：科学出版社2003 ［5］ Zhu WWang XCheng Zet al．Crustal motion of Chinese Vol．28No．6 苗胜军等： 深凹露天矿 GPS 边坡变形监测 ·517·
,518 北京科技大学学报 2006年第6期 mainland monitored by GPS.Sci China Ser D.2000.43(4): 工业出版社，1984 394 [9]Wang Q.Zhang PZ.Jeffery T,et al.Present day crustal de- [6]Remondi B.Pseudo-kinematic GPS results using the ambiguity formation in China constrained by global position system mea- function method.Navigation.1991,38(1):17 surements.Science.2001.294:574 [7]徐开礼构造地质学.武汉：中国地质大学出版社，2004 [10]殷坤龙.滑坡灾害预测预报。武汉：中国地质大学出版 [8]加拿大矿物和能源技术中心，边坡工程手册。北京：冶金 社，2003 GPS monitoring of high slope deformation in open pit mines MIAO Shengjun),CAI Meifeng),XIA Xunqing,LIU Hua),TONG Huichao 1)Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)The Key Laboratory for High-Efficient Mining and Safety of Metal Mines,the Ministry of Education of China.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI Through GPS monitoring in Shuichang iron mine,the location of monitoring points and the optimizing design of monitoring network were discussed.Based on9phases monitoring data of 6 monitoring points and field monitoring experience,rose diagrams in level displacement direction were mapped.The monitored result accords with the actual state of the mine.Compared with other ordinary monitoring in- struments,GPS monitoring can satisfy the precision of an open pit mine s slope deformation monitoring completely. KEY WORDS GPS monitoring:slope deformation:monitoring network;horizontal displacement;rose diagram
mainland monitored by GPS．Sci China Ser D200043（4）： 394 ［6］ Remondi B．Pseudo-kinematic GPS results using the ambiguity function method．Navigation199138（1）：17 ［7］ 徐开礼．构造地质学．武汉：中国地质大学出版社2004 ［8］ 加拿大矿物和能源技术中心．边坡工程手册．北京：冶金 工业出版社1984 ［9］ Wang QZhang P ZJeffery Tet al．Present day crustal deformation in China constrained by global position system measurements．Science2001294：574 ［10］ 殷坤龙．滑坡灾害预测预报．武汉：中国地质大学出版 社2003 GPS monitoring of high slope deformation in open pit mines MIAO Shengjun 12）CAI Meifeng 1）XIA Xunqing 1）LIU Hua 1）TONG Huichao 1） 1） Civil and Environmental Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） The Key Laboratory for High-Efficient Mining and Safety of Metal Minesthe Ministry of Education of ChinaUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Through GPS monitoring in Shuichang iron minethe location of monitoring points and the optimizing design of monitoring network were discussed．Based on9phases monitoring data of6monitoring points and field monitoring experiencerose diagrams in level displacement direction were mapped．The monitored result accords with the actual state of the mine．Compared with other ordinary monitoring instrumentsGPS monitoring can satisfy the precision of an open pit mine’s slope deformation monitoring completely． KEY WORDS GPS monitoring；slope deformation；monitoring network；horizontal displacement；rose diagram ·518· 北 京 科 技 大 学 学 报 2006年第6期