采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統

李博， 張擁軍， 李乾龍, 柴佳樂, 楊登峰,2

(1.青島理工大學 土木工程學院， 山東 青島 266033；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083)

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采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統

李博1， 張擁軍1， 李乾龍1, 柴佳樂1, 楊登峰1,2

(1.青島理工大學 土木工程學院， 山東 青島 266033；2.中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083)

針對現有礦山邊坡監測方法存在監測周期長、監測精度較低、無法實現實時及自動化監測等缺陷，設計了采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統，詳細介紹了系統的設計原則和結構組成。該系統可實時監測采動過程中巖質邊坡位移場的變化狀態，并通過無線網絡將實時監測數據傳送至監控主機，實現了監測數據的可視化。該系統設有預警功能，可根據需要設置預警閾值，當坡體位移超過預警閾值時，系統自動報警。實際應用證明了該系統的可靠性。

露天礦； 煤炭開采； 邊坡穩定性； 位移場； 滑坡監測； 監測預警； 數據采集； 無線傳輸

(1.School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China;2.School of Mechanics and Civil Engineering， China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

0 引言

在露天礦開采中，滑坡災害在各類災害中最為頻繁，極易導致巨大的經濟損失和人員傷亡。近年來，隨著我國資源、能源開發工程的不斷發展，礦山開采活動的持續增強，礦區滑坡地質災害日趨嚴重[1-3]。滑坡監測預警是礦區風險控制的主要手段，具有成本低、易實施的特點[4]。目前，常用的滑坡監測技術有大地測量法、GPS技術、地面攝影攝像技術、衛星遙測技術等[5-8]，這些技術為滑坡災害的監測預警提供了新的研究方法和思路。我國多數礦山邊坡監測采用大地測量法[9]，但這種方法監測周期長,勞動強度高,監測精度易受外界因素影響，無法實現實時自動化監測。為了提高監測精度，實現自動化監測及實時預警，本文設計了一套采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統，該系統可對多級邊坡內部位移場進行實時監測，并通過無線網絡將實時監測數據傳送至監控主機，實現了監測數據的可視化。

1 系統設計

1.1 系統設計原則及任務

采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統在設計時，遵循以下原則：

(1) 無干擾和少干擾,即盡量避免施工和監測之間的相互干擾。

(2) 監測點的布置既要具有代表性，又要體現特殊性。

(3) 安裝和監測操作方法簡單實用、經濟合理[10]。

采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統安裝完成后，將完成以下任務：

(1) 監視邊坡的狀況變化和運行情況。在發現不正常現象時及時分析原因，采取措施，防止發生事故，以保證生產的安全運行。

(2) 隨時對觀測資料進行分析，對邊坡重點部位應力應變狀況進行監測，為制定安全措施和評價生產狀況提供依據。

(3) 定期進行觀測資料的整編，為相關類似工程的設計、施工、管理和科研提供資料。

1.2 系統結構及功能設計

針對巖質邊坡的特點，系統采用測斜儀監測巖質邊坡采動過程中的水平位移，以反映邊坡的變形情況。主要施工過程包括在露天礦邊坡鉆孔、安裝測斜管、在測斜管內布置測斜儀、將各測斜儀連接到數據采集箱。

采動邊坡穩定性遠程監測預警系統以邊坡變形監測理論和計算機技術為基礎，采用基于客戶/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)的架構，結合現場邊坡破壞特征和破壞機理，形成邊坡破壞種類數據庫，實現數據的提取、檢驗和轉換。系統結構如圖1所示。

圖1 采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統結構

采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統的功能模塊包括數據自動采集模塊、邊坡變形顯示模塊、采動卸荷分析模塊、數據管理模塊、數據實時顯示和預警模塊5個部分。

(1) 數據自動采集模塊。系統的數據自動采集功能是通過自動采集箱實現的。在無人值守情況下，自動采集箱在自動采集時間點(每隔30 min)向埋置于坡體內部的傳感器(測斜儀)發送采集命令，傳感器響應命令并將采集數據存儲于自身傳感器上，實現自動采集。

(2) 邊坡變形顯示模塊。該模塊可根據監測數據對邊坡內部位移場、單點沉降和傾斜進行分析。系統監控主機提供傳感器的布局圖，可對每個傳感器的歷史數據進行查詢，并根據不同傳感器采集到的實時數據繪制出對應的走勢圖，實時顯示邊坡的變形情況，為系統的預警分析提供依據。

(3) 采動卸荷分析模塊。邊坡在采動卸荷作用下，由于巖體應力釋放,產生向臨空面方向的回彈變形，在此過程中應力重新分布，在邊坡開挖一定深度范圍內的巖體產生變形破裂現象。受爆破和開挖的影響，巖體的邊界條件和力學參數處于動態變化中，常規的計算方法沒有考慮力學參數的變化。系統通過對采集數據進行實時分析，在邊坡的不同開挖階段選用合適的力學參數;通過分析露天礦邊坡在采動卸荷作用下不同開挖階段的穩定性，對邊坡變形預警閾值進行修正。

(4) 數據管理模塊。該模塊具有數據自動備份功能，方便用戶操作。通過對比和分析傳感器不同階段的數據，可以發現不同時期邊坡的應變場變化規律。

(5) 數據實時顯示和預警模塊。該模塊能夠根據所采集的歷史數據進行智能分析，從而給出坡體的變形狀態在一定時間段內的發展趨勢，使決策管理人員能夠及早發現問題，及時采取措施將事故消滅在萌芽狀態，提高坡體安全性和可控性。此外，該模塊提供了預警功能，用戶可根據需要設置預警閾值，當坡體位移超過預警閾值時，系統自動報警。

2 系統工程應用

2.1 石英石采場邊坡概述

金川露天石英石礦位于甘肅省金昌市金川區，礦區范圍內出露的地層有第四系、石炭—二疊系和下古生界，其中下古生界上組第四層為白色砂狀石英巖，為本礦區的含礦層位。該層位層理不明顯，礦物成分主要為石英，含少量絹云母、氧化鐵、碳酸鹽及微量鋯石、電氣石等。礦區受區域構造控制和南西、北東向的擠壓，使含礦巖系形成NWW向的緊閉褶皺和斷裂，并有一系列北東和北西向的剪切斷裂伴生，加上礦區受開采影響，地表巖石普遍松動，裂隙發育，所以，礦區巖體非常破碎，工程地質條件較差。

石英石露天采場邊坡礦經過多年開采，已形成長為1 200 m、寬為500 m、高為100 m的階梯形露天采場,如圖2所示。其中1 744、1 732、1 720、1 708、1 696 m共5個水平進入凹陷開采。目前采場逐漸由山坡開采向凹陷開采過渡，邊坡穩定性對礦山安全生產的影響也越來越大，礦區很多區段邊坡存在著極大的安全隱患，主要有1 846 m平臺西部出現多條裂縫，且有不斷擴大的趨勢；1 792 m平臺巖石松散，出現垮塌或崩落現象。隨著采場的不斷延伸及暴雨、地震等潛在的地質災害的威脅，邊坡治理問題日益凸顯。

圖2 金川集團石英石礦露天邊坡

2.2 監測點的布置

依據系統設計原則及現場工程地質條件，綜合考慮巖體內部斷面位置、節理發育情況、施工難易程度、安全等多項因素，根據工程地質資料和數值模擬結果，在邊坡1 768、1 780、1 792、1 816和1 826 m共5個平臺上拉網式布置21個監測點(圖3)，布設5個橫斷面，斷面間距為40～80 m，測點高差為10～22 m，測點鉆孔深度為14～22 m，每個鉆孔安裝3—5個測斜儀，共安裝84個測斜儀。現場采用太陽能供電，為了能提供穩定的電能，在1 816 m平臺增加一個分段供電箱。

2.3 監測方法及精度分析

根據現場的工程地質條件，在具有滑坡趨勢的邊坡區段布置監測點，采用測斜儀對邊坡內部的變形進行監測，數據通過總線實時傳送到自動采集箱內，并通過無線網絡傳輸到監控主機，可準確監測邊坡動態失穩過程，判斷邊坡的穩定性，及時對危險情況做出預警。

測斜儀是測量儀器軸線與鉛垂線夾角的傳感器，當傳感器相對于鉛垂線方向產生傾角θ時，由于重力作用，傳感器中敏感元件相對于鉛錘線方向擺動一個相同的角度θ，該角度通過高靈敏的石英換能器轉換成電信號，經過數據分析處理，可以直接用讀數儀顯示被測點的角度變化量。監測系統使用的測斜儀的測量傾斜范圍為0～±30°，測量精度為0.01°。

在監測過程中，坡體發生滑動時，埋設在坡體內部不同深度的角位移傳感器會記錄該信息并通過無線網絡發送至遠程終端，主機作為終端進行數據分析，通過識別、篩選角度變化的時間點，結合歷史數據,給出滑體位移隨時間變化的曲線(圖4)，以反映邊坡的變形趨勢。圖4中,3,8,13,18,23表示鉆孔中安置的5個傳感器到坡頂的垂直距離分別為3，8，13，18和23 m。系統設有報警功能，當坡體位移超過系統設置的預警閾值時，系統自動報警。

圖3 監測點布置

圖4 滑體位移隨時間變化的曲線

3 數據傳輸及處理

3.1 數據傳輸

系統采用總線型架構，布設1根總線電纜和若干分支線電纜。將數據自動采集箱布置在1768平臺、1792平臺和1816平臺上，系統每隔30 min向傳感器發送采集命令，傳感器采集數據后通過分支線電纜匯總至總線電纜，并傳輸至自動采集箱。采集完數據后，自動采集箱斷掉總線電源，將富足電能存儲到蓄電池，不僅節省了電力，也增加了儀器的安全性。系統數據傳輸過程如圖5所示。

圖5 系統數據傳輸過程

數據通過GSM移動網絡發送至監控主機，系統采用的無線設備具有組網方便、傳輸穩定的特點，可確保數據傳輸的穩定性，任何傳感器出現故障不會影響其他斷面數據的傳輸，不會出現個別傳感器壞掉引起整個系統癱瘓的事故。監控主機通過對數據的處理分析來實時監測邊坡穩定性。

3.2 數據處理

在邊坡穩定性狀態監測過程中，數據采集模塊定時讀取傳感器的數據，保存角度等原始數據到Excel表格。同時邊坡變形顯示模塊根據不同傳感器采集到的實時數據繪制出對應的走勢圖，實現邊坡變形可視化。數據實時顯示和預警模塊根據采集的歷史數據進行智能分析，給出坡體的變形狀態在一定時間段內的發展趨勢。邊坡變形數據處理流程如圖6所示。

4 結語

采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統可對多級邊坡內部位移場進行實時監測，并通過無線網絡將實時監測數據傳送至監控主機，實現了監測數據的可視化。系統具有組網方便、模塊相互獨立的特點，一個傳感器出現故障不會影響系統的正常運行，可保證數據傳輸的穩定性。系統設有預警功能，當坡體位移超過系統設置的預警閾值時，系統自動報警。

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[10] 楊志法,齊俊修,劉大安,等.巖土工程監測技術及監測系統問題[M].北京:海洋出版社,2004.

Remote online monitoring and early warning system of mining slope stability

LI Bo1, ZHANG Yongjun1, LI Qianlong1, CHAI Jiale1, YANG Dengfeng1,2

In view of the defect of long monitoring period, low monitoring precision and no real-time automatic monitoring existed in mine slope monitoring method, an online monitoring and early warning system of mining slope stability was designed, and design principle and structure of the system were introduced. The system can monitor change states of displacement field of rock slope in mining process, and can transmit the monitored data to host computer by wireless network, so as to realize visualization of monitoring data. The system also has early warning function, and can set warning threshold according to the need. The system can automaticly alarm when the slope displacement exceeds the warning threshold. The practical application proves reliability of the system.

open pit; coal mining; slope stability; displacement field; slope monitoring; monitoring and early warning; data collection; wireless transmission

1671-251X(2016)11-0005-05

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.002

李博，張擁軍，李乾龍,等.采動邊坡穩定性遠程在線監測預警系統[J].工礦自動化，2016,42(11)：5-9.

2016-05-20；

2016-08-24；責任編輯：張強。

國家自然科學基金項目(51234005-01，51574153)；山東省自然科學基金項目(ZR2014EEM043)。

李博(1990-)，男，山東聊城人，碩士研究生，主要研究方向為礦山和隧道的監測預警，E-mail：45188193@qq.com。

TD824.73

A

時間：2016-10-28 16:21

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1621.002.html