尖山鐵礦高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

楊忠林　薄建芬　黃永強

(太鋼集團礦業(yè)公司尖山鐵礦)

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尖山鐵礦高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

楊忠林薄建芬黃永強

(太鋼集團礦業(yè)公司尖山鐵礦)

摘要尖山鐵礦投產(chǎn)以來已形成的邊坡高度近280 m，原邊坡監(jiān)測管理方式為對77個監(jiān)測點采用人工定期測量、人工統(tǒng)計上報的作業(yè)方式，但該觀測方式受天氣、管理、技術(shù)等各類因素的限制，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、可追溯性、連續(xù)性較差。為實時掌握邊坡安全狀況，開發(fā)了邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的架構(gòu)及各子系統(tǒng)的基本功能，實踐表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，效果明顯，可供類似礦山參考。

關(guān)鍵詞高陡邊坡監(jiān)測管理智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)

隨著露天開采技術(shù)的進步和大型設(shè)備的逐步應(yīng)用，我國露天鐵礦的規(guī)模不斷擴大。隨著開采深度增加，邊坡高度逐步加大，國內(nèi)大型骨干露天鐵礦已大都轉(zhuǎn)入深凹或凹陷開采，目前最大邊坡高度已達(dá)200～300 m，部分礦山設(shè)計的最大總體邊坡高度達(dá)600 m，隨著技術(shù)裝備水平的進一步提高和勘探深度的增加，甚至可能達(dá)到700 m左右。隨著露天開采合理深度的不斷增加，露天礦固定邊坡也逐漸出露和擴展，相應(yīng)的露天邊坡維持時間也在增長，邊坡的不穩(wěn)定因素也隨之增加。礦山邊坡穩(wěn)定性直接影響了礦山人員及生產(chǎn)設(shè)備的安全，并對礦山生產(chǎn)及運輸通道、排水系統(tǒng)功能發(fā)揮、礦山排巖系統(tǒng)的安全運行有較大影響[1-3]。對此，針對尖山鐵礦邊坡特征，開發(fā)了高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可精確、實時、全天候、全自動獲取變形觀測點的有關(guān)三維坐標(biāo)信息，通過工程技術(shù)人員結(jié)合礦山實際情況進行進一步的分析、處理與判斷，得出最終變形的分析成果報告，為安全決策提供有力支持。本研究對該系統(tǒng)的各子系統(tǒng)功能進行詳細(xì)分析，為類似礦山邊坡治理提供參考。

1尖山鐵礦邊坡概況

尖山鐵礦邊坡巖體松散、巖石滑落，預(yù)留的清掃平臺堆積了大量的松散巖石。受地質(zhì)條件、爆破等因素影響，陸續(xù)發(fā)育了一些危害變形區(qū)，2012年完成了西端幫向斜核部滑坡區(qū)、北幫不穩(wěn)定區(qū)和北排土場滑坡區(qū)3個邊坡治理工程的施工，但新的危害變形區(qū)仍在不斷發(fā)育，表現(xiàn)為安全平臺出現(xiàn)了一些平行于巖層走向的裂縫，以及邊坡上發(fā)生的局部坍塌、滑坡等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了采場的安全生產(chǎn)。隨著礦山不斷開采(特別是近地表開采)，巖石應(yīng)力結(jié)構(gòu)不斷變化，地表因建設(shè)導(dǎo)致的地貌變化、爆破地震波對地表的影響以及礦區(qū)地質(zhì)特征等均會對礦區(qū)地表建(構(gòu))筑物、邊坡造成嚴(yán)重影響(如變形、沉降、扭曲等)。自2009年開始，尖山鐵礦逐步在邊坡上建設(shè)了10多個監(jiān)測點，每月進行監(jiān)測，2011年開始逐步增加至77個監(jiān)測點，每月進行1次監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行人工分析。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)

《金屬非金屬礦山安全規(guī)程》(GB 16423—2006)、《滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ 0240—2004)、《國務(wù)院安委會辦公室關(guān)于貫徹落實<國務(wù)院關(guān)于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知>精神進一步加強非煤礦山安全生產(chǎn)工作的實施意見》等均對邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)提出了明確要求。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《關(guān)于在非煤礦山推廣使用安全生產(chǎn)先進適用技術(shù)和裝備的指導(dǎo)意見》(安監(jiān)總管一[2009]177號)第3部分高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)的規(guī)定：露天礦山應(yīng)通過GPS或其他傳感、遙感技術(shù)，自動實現(xiàn)邊坡位移等相關(guān)參數(shù)的實時監(jiān)測，為高陡邊坡安全預(yù)測預(yù)警提供技術(shù)支撐。2012年12月，山西省安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局明確要求尖山鐵礦實施邊坡在線監(jiān)測的技術(shù)方案。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計2.2.1系統(tǒng)架構(gòu)

高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)采用總體設(shè)計、分項實施的架構(gòu)模式，包括邊坡表面位移監(jiān)測子系統(tǒng)、氣象監(jiān)測子系統(tǒng)、防雷與供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)、紅外入侵告警子系統(tǒng)等。所有子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端(前端數(shù)據(jù)處理器)布置于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，用于在線實時采集各監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)信息。監(jiān)控中心子系統(tǒng)設(shè)置于礦業(yè)公司的辦公區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時自動采集、分析、顯示、綜合預(yù)警、數(shù)據(jù)存儲及Web數(shù)據(jù)發(fā)布等。

2.2.2系統(tǒng)功能設(shè)計

(1)測量系統(tǒng)。①完成150個監(jiān)測點，精度要求：水平位移監(jiān)測的點位中誤差不大于6 mm；垂直位移監(jiān)測的高程中誤差不大于3mm，測量周期2～24 h(可調(diào))。②完成1套雨量監(jiān)測系統(tǒng)，測量準(zhǔn)確度：降水量小于10 mm，測量誤差±0.2 mm；降水量不小于10 mm，測量誤差±(0.2 mm+1%)。③完成10套太陽能無線視頻監(jiān)測系統(tǒng)及18套光網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)測系統(tǒng)，技術(shù)要求：200萬像素、36倍光學(xué)變焦，紅外光束傳輸距離100 m。

(2)綜合分析預(yù)警系統(tǒng)。①按實時變形與累計變形分別顯示，將不同變形程度的區(qū)域按顏色或采取其他方式區(qū)分，確保清晰可見；②滑坡區(qū)域的可視化(與采場現(xiàn)狀圖疊加)；③實時報告變形值與變形速率，形成固定格式報表，可繪制各點位的歷史曲線。

(3)預(yù)警報警功能。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)有自動預(yù)警、報警功能，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)有向危險狀態(tài)演變的趨勢時，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息；當(dāng)監(jiān)測參數(shù)超過預(yù)設(shè)警戒值時，系統(tǒng)發(fā)出報警信息。在預(yù)警、報警發(fā)生時，系統(tǒng)將進行語音提示預(yù)警、報警信息，文字提示預(yù)警、報警信息，手機短信提示預(yù)警、報警信息。該類信息可同步傳輸至現(xiàn)場值班室、總調(diào)度室、安環(huán)部等部門。

2.3系統(tǒng)技術(shù)性能

巡測采樣時間小于10 min，單點采樣時間小于1 min，系統(tǒng)具有人為設(shè)定功能。測量周期為10 min～30 d(可調(diào))。工作電壓220(±10%)V，故障率不大于5%。防雷電感應(yīng)不小于1 000 V。系統(tǒng)接地電阻不大于10 Ω。傳感器具有溫度補償?shù)裙δ埽苊飧鞣N情況下影響精度的零點漂移現(xiàn)象的出現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集裝置的測量范圍滿足被測對象有效工作范圍的要求。通信方式為光纖通信或無線傳輸。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備具備室外防護等級，滿足風(fēng)沙、溫度、日照、雷電等惡劣環(huán)境下工作參數(shù)要求。

3子系統(tǒng)功能

3.1監(jiān)測子系統(tǒng)3.1.1表面位移測量原理

礦山邊坡地表位移極坐標(biāo)測量法是將儀器架設(shè)于己知坐標(biāo)的穩(wěn)定點上，利用己知點進行定向，觀測未知點的水平角、垂直角和斜距，結(jié)合該類測量數(shù)據(jù)和己知點數(shù)據(jù)可計算出未知點的三維坐標(biāo)。智能機器人是一種可進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準(zhǔn)目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的智能型電子全站儀。利用智能機器人進行邊坡自動化變形監(jiān)測，即1臺智能全站儀與監(jiān)測點目標(biāo)(照準(zhǔn)棱鏡)及上位控制計算機組成變形監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候無人值守監(jiān)測，其實質(zhì)為自動極坐標(biāo)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需人工干預(yù)，自動采集、傳輸和處理變形點的三維數(shù)據(jù)，利用因特網(wǎng)或其他局域網(wǎng)，還可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。該系統(tǒng)的監(jiān)測點布設(shè)成本低、系統(tǒng)維護管理簡單、監(jiān)測精度高，監(jiān)測測距精度可達(dá)±(1 mm+1×10-6D)(D為監(jiān)測點與基點的距離)。

3.1.2監(jiān)測點布置

結(jié)合邊坡實際情況，參考相關(guān)規(guī)范及類似工程經(jīng)驗，邊坡每30～60 m高差布設(shè)1排監(jiān)測點(圖1)。監(jiān)測點距離：邊坡長度小于300 m時，宜取20～100 m；邊坡長度300～1 000 m時，宜取0～200 m；邊坡長度大于1 000 m時，宜取100～300 m。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，邊坡面共設(shè)置監(jiān)測棱鏡點位150個，在邊坡面堅固的山體上設(shè)置2臺智能全站儀對監(jiān)測點位進行監(jiān)測，每臺全站儀與所測測點間須通透，每臺全站儀上設(shè)置1套GPS校準(zhǔn)系統(tǒng)，用GPS長期數(shù)據(jù)對全站儀自身的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，另外，每臺全站儀位置固定1個棱鏡，作為另1臺全站儀的后視點。系統(tǒng)將部分監(jiān)測點由2臺測量機器人同時進行監(jiān)測，通過相關(guān)軟件進行解算，進一步提高監(jiān)測精度。

圖1　邊坡監(jiān)測點分布(局部)

3.2高清視頻監(jiān)測子系統(tǒng)

3.2.1監(jiān)測原理

高清視頻監(jiān)測子系統(tǒng)可實現(xiàn)對邊坡面實時視頻監(jiān)控，能對監(jiān)控圖像進行實時存儲，整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)需提供不小于2個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控客戶端。視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有回放、錄像以及預(yù)置位功能，通過現(xiàn)場攝像頭實時拍攝并傳輸至調(diào)度室顯示屏上，可直觀地顯示邊坡運行情況。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模式為高清數(shù)字?jǐn)z像機、硬盤錄像機、PC客戶端(圖2)，其中硬盤錄像機自帶數(shù)據(jù)存儲硬盤，PC客戶端通過交換機網(wǎng)絡(luò)調(diào)用存儲于硬盤錄像機中的視頻文件。攝像機與硬盤錄像機的連接線為光纜或485傳輸線，硬盤錄像機與PC客戶端之間為交換機網(wǎng)絡(luò)，連線為網(wǎng)線或網(wǎng)線轉(zhuǎn)光纖再轉(zhuǎn)網(wǎng)線。針對邊坡入口部署的紅外入侵監(jiān)測系統(tǒng)，進行了視頻監(jiān)控連鎖，只要紅外入侵系統(tǒng)某點被觸發(fā)，鄰近視頻自動按預(yù)設(shè)要求進行旋轉(zhuǎn)跟蹤。

圖2　視頻監(jiān)測原理

3.2.2測點布置

在邊坡面具有代表性的或重要的區(qū)域設(shè)置視頻監(jiān)測點，實時監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的視頻影像。本研究共設(shè)置了28個視頻監(jiān)測點，針對土場、采場道路關(guān)鍵節(jié)點等變化頻繁，大型運礦車輛行走等不便于線路架設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的區(qū)域，采取了風(fēng)電互補的清潔能源供電技術(shù)與無線網(wǎng)橋傳輸技術(shù)，大幅度擴展了視頻監(jiān)測的范圍。

3.3降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)3.3.1監(jiān)測原理

降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)可及時掌握野外邊坡區(qū)域詳細(xì)、精準(zhǔn)的降雨信息，根據(jù)降雨量進行演算，為邊坡監(jiān)測和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。該系統(tǒng)主要對邊坡區(qū)域降雨量進行監(jiān)測，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設(shè)一定數(shù)量的雨量站，及時掌握降雨情況。在合理布設(shè)雨量監(jiān)測站后，對各站的雨量閾值進行分析計算，確定滑坡的臨界雨量范圍，一旦降雨達(dá)到臨界雨量，系統(tǒng)自動發(fā)布滑坡警報。

3.3.2測點布置

由于邊坡區(qū)域面積相對較小，本研究僅布置1個降雨量監(jiān)測點即可滿足監(jiān)測要求。降雨量監(jiān)測設(shè)備為MTR-02翻斗式雨量計，要求儀器的承雨口高度與地平面的距離為70 cm，確保儀器周圍3～5 m無高于儀器承雨口的遮蔽物，雨量計固定于基座上即可。

3.4紅外入侵告警子系統(tǒng)

紅外對射探測器的紅外光每秒可不間歇地發(fā)射1 000束光束，該類光束傳輸距離較短(600 m內(nèi))。安裝光束遮斷方式的探測器后，當(dāng)有人橫跨過監(jiān)控防護區(qū)時，遮斷不可見的紅外線光束從而可引發(fā)警報。在采場邊坡平臺入口位置建設(shè)15套紅外入侵監(jiān)測高分貝語音告警系統(tǒng)，當(dāng)有人、車闖入未經(jīng)許可的入口時，可高音警報提示，同時鄰近攝像頭切換至預(yù)設(shè)位置進行實時監(jiān)控，并將報警信號傳回監(jiān)控中心。

3.5專家軟件系統(tǒng)

專家軟件系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的靈魂，不僅可直觀查看實時采集的數(shù)據(jù)，組織成各種生產(chǎn)報表，而且可結(jié)合專家軟件模型，綜合處理各種數(shù)據(jù)，得到科學(xué)的分析結(jié)果，從而指導(dǎo)生產(chǎn)，確保邊坡安全運行。高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)架構(gòu)，支持IE多種瀏覽器訪問模式，軟件使用樹狀結(jié)構(gòu)+菜單欄結(jié)構(gòu)設(shè)置，礦山企業(yè)可將下屬各邊坡的信息進行統(tǒng)一管理發(fā)布。該系統(tǒng)預(yù)留TCP/IP協(xié)議端口，并支持Server、Client 2種傳輸模式，可將實時采集的數(shù)據(jù)按縣、市等相關(guān)平臺接口定義發(fā)送。該軟件系統(tǒng)操作簡單、智能化程度高，其中內(nèi)置表面位移、內(nèi)部位移、降雨量的三級預(yù)警值，允許用戶根據(jù)實際情況隨時調(diào)整干灘、浸潤線、庫水位的三級預(yù)警值，可最大限度地滿足用戶需求。該軟件系統(tǒng)具有如下特點：

(1)可實時顯示各種監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、測量數(shù)據(jù)及相關(guān)信息，用戶可自定義采樣間隔及記錄頻率，系統(tǒng)也可根據(jù)雨量大小及各種季節(jié)的氣候條件自動調(diào)整設(shè)備的采樣記錄間隔，最大限度地保障邊坡系統(tǒng)安全。

(2)采用最新的SQL2008開放式數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)存儲方式，數(shù)據(jù)庫不僅記錄各類采樣數(shù)據(jù)信息，而且記錄時、周、月、季、年的數(shù)據(jù)平均值，便于用戶隨時調(diào)用。

(3)提供多種諸如位移、內(nèi)部位移、水位水壓、降雨量等采集設(shè)備的時程曲線，并可根據(jù)要求提供單向曲線、多項復(fù)合曲線、直方圖等，最大限度地滿足用戶需求。

(4)可輸出多種文件格式，方便用戶對數(shù)據(jù)進行打印、分析、提交。

(5)具有自動跑馬燈式報警功能，一旦某一項發(fā)生預(yù)警，會立即在醒目位置進行提示，同時將預(yù)警數(shù)據(jù)傳輸至縣、市管理平臺，并根據(jù)相關(guān)設(shè)置，發(fā)出聲光、短信等報警通知。

(6)提供靜態(tài)以及人工巡檢數(shù)據(jù)輸入功能，管理者可隨時調(diào)閱企業(yè)的各類信息，同時對需要人工巡檢的數(shù)據(jù)提供數(shù)據(jù)庫支持，最大限度地滿足企業(yè)需求。

(7)對系統(tǒng)中每個用戶進行分類，對不同用戶的權(quán)限進行設(shè)定，用戶登錄信息自動計入系統(tǒng)日志，保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

(8)綜合預(yù)警模塊具有設(shè)置各種報警參數(shù)的功能，包括位移、水位水壓等傳感器的信息。

4應(yīng)用成果

尖山鐵礦在邊坡上建設(shè)了150個位移監(jiān)測點、28個視頻監(jiān)測點、15套紅外入侵告警系統(tǒng)、1個降雨量監(jiān)測點。每小時對全部150個監(jiān)測點進行1次測量分析，在發(fā)現(xiàn)異常位移時可智能調(diào)整監(jiān)控頻次，增加對異常區(qū)域的監(jiān)控力度，發(fā)揮了及時監(jiān)測、及時預(yù)警的作用。監(jiān)測點水平、垂直位移數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3　水平位移數(shù)據(jù)

圖4　垂直位移數(shù)據(jù)

5結(jié)語

針對尖山鐵礦邊坡特征，開發(fā)了高陡邊坡智能在線監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)特征有：①采用智能機器人可實現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警的自動化、智能化，系統(tǒng)可全天候運行，監(jiān)測成本低，監(jiān)測精度高，監(jiān)測可靠性高，且管理維護簡單，還可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、短信報警等高級功能。②高清視頻監(jiān)測作為智能機器人的補充，可實現(xiàn)對邊坡面的全區(qū)域覆蓋實時視頻監(jiān)控，避免了點監(jiān)測存在的弊端。該系統(tǒng)的投入運行，大幅度提高了采場安全管控和預(yù)警水平，為確保尖山鐵礦的安全生產(chǎn)提供了有力保障。

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Intelligent Online Monitoring and Warning System of the High and Steep Side Slope of Jianshan Iron Mine

Zhang ZhonglinBo JianfenHuang Yongqiang

(Jianshan Iron Mine, Taisteel Group Mining Company Co.,Ltd.)

AbstractThe height of the side slope has been reached to 280 m since Jianshan iron mine put into operation.The previous management and monitoring method of the side slope is based on the regular manual measurement of 77 monitoring points and analysis of the data collected from the 77 monitoring points,which is affected easily by the factors of weather,management,technique and so on.In addition,the accuracy,traceability and consistency of the data collected from the 77 monitoring points are not accurate.In order to get the security situation information timely of the side slope of Jianshan iron mine,the intelligent online monitoring and warning system of the high and steep side slope of Jianshan iron mien is developed,the system architecture is analyzed and the functions of the subsystems of the system are discussed in detail.The application results show that the operation of the system developed in this paper is stable,the effects is significant,therefore,it can provide some reference for the similar mine.

KeywordsHigh and steep side slope, Monitoring and management, Intelligent online monitoring and warning system

(收稿日期2016-01-07)

楊忠林(1969—)，男，高級工程師，030304 山西省太原市。