基于邊坡滑移的選煤廠貯煤筒倉位移監測系統研究

劉利波 曹艷軍

(神華準格爾能源集團有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，010300)

1 前言

筒倉在煤炭、電力的港口等多行業有著廣泛的應用，主要用于短期貯存原料和產品等物料，具有環境污染小以及按質分儲等特點。但由于地質變化或者設計不當等原因，會引起筒倉建筑變形問題。針對存在的問題，學術上有針對軟質巖屑地基對建筑物的破壞機理及治理分析研究，也有針對貯煤筒倉安全檢測系統的有關研究，這些研究對保障超大型筒倉的安全至關重要。周留才對石景山熱電廠3萬t貯煤筒倉安全監控系統的預防措施、檢測控制和處理手段進行了研究分析；吳世佳通過強度折減法對邊坡進行了數值計算，分析了邊坡的變形破壞機制，綜合評判了邊坡的整體性情況；王靜等人的研究表明，鋼支撐沒有預加軸力對圍護樁的受力和變形影響較大，樁體嵌固深度不足對位移影響不明顯，但對樁體應力增大明顯，對樁體受力性能十分不利；曾二賢等人的研究表明，邊坡坡腳存在較大應力集中，且開挖坡腳是影響滑坡穩定的重要因素；張利朋等人采用GNSS、傳感器和測斜儀聯合監測邊坡，通過檢測結果可知，在滑動較大的地方采取改河道和削坡減載等綜合治理措施能夠實現邊坡災害防范降災；蔡同祥等人研究表明，筒倉卸料時增壓比與徑向位移比變化基本一致，增壓比與料倉內顆粒流動速度存在一定的線性關系，靜、動態時側壓峰值出現在直筒壁與漏斗壁過渡處靠近直筒壁一側，側壓增壓比在筒倉中上部達到最大值，必須強化過渡處和筒倉上部的結構設計；盧坤林等人采用模型槽對素土和加筋土邊坡的破壞過程進行了試驗，用數碼攝像機記錄了邊坡破壞的全過程，為邊坡的治理提高了依據。

由于神華準能集團選煤廠(以下簡稱準能選煤廠)的貯煤筒倉處在特殊地質條件的位置上，并受到露天礦爆破采煤擾動以及周圍新建工程的影響，1993年以來，針對選煤廠貯煤倉邊坡因失穩滑移和偏移現象進行了多次工程治理。為了保證貯煤筒倉安全可靠，建立了基于邊坡失穩滑移地形下貯煤筒倉位移監測系統，并結合2015年的監測數據對倉體荷載(半倉、滿倉)變化、倉體偏載季節性溫度的變化等因素與倉體沉降和偏移的關系進行了研究。

2 準能選煤廠貯煤筒倉概況

準能選煤廠位于露天首采區北側，高程為1205～1153 m，場地自然地形南高北低，坡度約為10%。場地為黃土地貌，由于地表徑流沖刷侵蝕作用，場地沖溝發育，溝壁陡峭，地形復雜。表土層為黃土且表土層較厚，其下為紫色亞粘土卵石、粗砂等。準能選煤廠工業場地是以自然地形條件進行設計，呈豎向排列，采用臺階式平場方式分臺階布置。產品倉均采用鋼筋混凝土筒式結構，產品倉零平面標高為1172.3 m，倉高為35 m，總倉容為3.89萬t。產品倉一字排開，自西向東排列，與鐵路裝車站平行布置。位于準能選煤廠場地內的最低一個臺階，產品倉平場標高比鐵路裝車站下軌面標高為18.8 m，高差較大，使產品倉北側與裝車站鐵路之間形成了較大的邊坡。

3 貯煤筒倉位移監測系統架構研究思路和在線監測原理

3.1 貯煤筒倉位移監測系統架構研究思路

為了準確地檢測貯煤筒倉實時危險動態，及時掌握倉體偏移和沉降情況，需對準能選煤廠產品倉進行倉體傾斜、基礎沉降及位移、地下水位變化、溫度對倉體位移影響等項目的研究。通過選用合適的監測儀器對相應的監測點數據進行監測，建立軟硬件系統對在線監測數據進行自動化采集，通過軟件系統進行統計和分析處理，形成一套數據監測反饋機制，及時關注報警信息，實現自動化監控、遠程在線查看、在線分析和預報警四大功能。

該系統能夠實現監測數據自動采集、傳輸、存儲、處理分析及綜合預警，并具備在各種氣候條件下實現適時監測的能力。另外，企業各級安全管理職能部門可以通過網絡實現對筒倉各項在線監測參數的查看；安全監測管理分析模塊還具備基礎資料管理、各項監測內容適時顯示發布、圖形報表制作、數據分析、綜合預警等功能，其中數據分析部分包括各項監測內容趨勢分析、綜合過程線分析等內容。通過軟件對監測參數的實時在線分析，一旦監控參數超限，系統能夠進行聲光報警、短信報警和郵件報警，提醒相關人員采取措施，預防事故發生。

3.2 在線監測原理

貯煤筒倉在線檢測包括傾斜監測、沉降監測、地下水位監測、溫度監測以及倉貯煤量監測5個方面。

(1)傾斜監測。傾斜監測采用雙軸傾斜儀，同時測定兩個正交方向上的傾斜量。可同時測定在平面xoz和yoz兩個垂直平面內的傾角如圖1所示。筒倉傾斜監測的原理是將筒倉最下面的一點作為參考點，通過倉體在xoz以及yoz平面直接偏移量的采集，在垂直偏移儀器上進行顯示，從而監測倉筒的傾斜狀態，通過在筒倉側壁上安裝多只傾斜儀可以更加準確地監測倉筒變形情況。位移采用的計算公式見式(1)：

S=(X0-X)×G+K×(Z-H)

(1)

式中：S——位移變化量，mm；

X0——為初始儀器讀數，mm；

X——當前讀數，mm；

G——設備提供的儀器系數；

K——傳感器修正系數；

Z——初始溫度， ℃；

H——當前溫度， ℃。

(2)沉降監測。沉降監測采用靜力水準沉降監測系統，該系統由一系列含有液位傳感器的容器組成，容器之間由充液管互相連通。基準容器位于一個穩定的基準點，其它容器位于與基準容器大約相同標高的不同位置上，任何一個容器與基準容器之間的高程變化都將引起相應容器內的液位變化。靜力水準組成示意圖如圖2所示。

圖1 在平面xoz和yoz兩個垂直平面內測定傾角

圖2 靜力水準組成示意圖

靜力水準沉降監測系統運用連通器原理，即連通管兩端口液面保持同一水平面，當觀測人員在觀測房內測出測管端液面高程時，便可知道另一端(測點)的液面高程。前后兩次高程測量讀數之差即為該測點的沉降量，計算公式見式(2)：

S1=H1-H0

(2)

式中：S1——測點的沉降量，mm；

H1——當前測量讀數，mm；

H0——初始測量讀數，mm。

(3)地下水位監測。采用振弦式滲壓計進行地下水位監測，在鉆孔里放置滲壓計(與測壓管結合使用)，通過測量滲壓計的壓力，再轉化為水頭高度，結合安裝深度以及孔口高程即可得到地下水位高度(地下水位高度為安裝儀器的安裝高度與滲壓計測量高度的差值)。地下水位監測點位置選擇在貯煤筒倉附近，設計幾個監測剖面，需要鉆孔深度一般為見水2～4 m以下。地下水位設計示意圖如圖3所示。

圖3 地下水位設計示意圖

(4)溫度監測。采用半導體熱敏電阻傳感器對筒倉溫度進行監控。

(5)倉儲煤量監測。通過倉下膠帶秤以及倉內料位計的配合使用，對倉內的物料進行監測，了解筒倉在空倉、半倉、滿倉不同狀態下的偏移和沉降變化。

4 監測設備選型及安裝

(1)固定式傾角計。由于筒倉直徑較大，煤倉的傾斜屬于剛性的，因此采用雙軸傾斜儀，在產品倉高度為35 m和10 m的位置處設置傳感器，從倉體上的傾斜儀就可以直接得到倉體的傾斜角和傾斜方向。

(2)沉降監測。在產品倉的每個倉體側壁上設置1個靜力水準儀，結合測斜儀測出的倉體傾斜量，得出倉體任意位置的沉降量。

(3)振弦式滲壓計。選擇型號為BGK-4500S的滲壓計，透水石浸透完成后，將滲壓計提至水面位置，此時用采集軟件或讀數儀讀出滲壓計的初始頻率并做記錄。

(4)溫度監測。產品倉按照一個選用半導體熱敏電阻溫度傳感器，傳感器型號為BGK-3700。

(5)煤倉物位測量。煤倉物位監測采用超聲波煤位監測儀器，采用RS232和RS485等數據格式進行傳輸。

5 軟件系統設計

軟件系統由采集軟件MDSS和煤倉在線監測系統NetMonitor組成。 MDSS是一套連接傳感器和采集器的上位機軟件，將采集到的傳感器數據進行解析，結合環境參數解算出最終結果，并在MDSS界面上顯示，然后發送給其他顯示平臺并存入數據庫。NetMonitor為選煤廠煤倉在線監測系統，是一款監測煤倉傾斜度、內部料位、沉降、外部溫度的綜合管理系統。本系統提供了數據展示、報警、用戶管理、日志查詢、傳感器管理等功能。貯煤筒倉位移監測系統由貯煤筒倉現場監測點傳感器系統、選煤廠監控中心和數據傳輸三大部分組成。貯煤筒倉位移監測系統拓撲圖如圖4所示。

圖4 貯煤筒倉位移監測系統拓撲圖

6 貯煤筒倉位移監測系統數據分析

6.1 料位對倉體沉降、傾斜的影響

溫度在16℃～18℃之間，偏載在-2～2 m范圍內，控制自變量溫度和偏載不變，得到料位的變化對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，產品倉實測點與中心點的測量數據相較而言比較接近且相差較小；其總體走勢為：在料位介于0～12 m之間時，沉降量有些許波動，但波動范圍較小；料位為13 m時，沉降量約為10 mm，隨后出現大幅沉降，最低在料位在16 m時達到-2 mm，隨后大幅上升，最高在料位18.5 m時接近16 mm，總體來看沉降曲線較為穩定。二號北傾角計隨料位變化不大，一號北傾角計數據最大，并持續保持在-0.03°～-0.04°之間，一號東傾角計圍繞0°波動較大，二號東傾角計與一號東傾角計基本保持同一波動情況，傾斜范圍主要在-0.01°～-0.025°之間。

圖5 料位對倉體沉降的影響曲線

圖6 料位對倉體傾斜的影響曲線

6.2 偏載對倉體沉降、傾斜的影響

6.2.1 半倉

溫度在16℃～18℃之間，料位在8～12 m范圍內(半倉)，控制自變量溫度和倉體工作狀態不變，得到偏載對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，測試倉體的實測點和中心點在偏載變化過程中，兩組數據相差較小，趨勢基本保持同步，偏載在-17～-5 m之間時，沉降量較穩定在-3～3 m之間波動，隨后急劇上升，在偏載為-4.7 m左右達到最大值15 m，此后在偏載為5.7～15 m時沉降量出現峰值，其他時間主要波動于-1～3 m之間。二號北、東傾角計所測的傾斜角度與偏載的關系不大，但是一號北、東傾角計所測傾斜角在偏載逐漸增大的過程中，傾斜角度波動較大，整體出現略微減小的趨勢。

圖8 偏載對倉體傾斜的影響曲線

6.2.2 滿倉

溫度在16℃～18℃之間，料位在16～20 m范圍內(滿倉)，控制自變量溫度和倉體工作狀態不變，得到偏載對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖9和圖10所示。

圖9 偏載對倉體沉降的影響曲線

圖10 偏載對倉體傾斜的影響曲線

從圖9和圖10可以看出，測試倉體的實測點和中心點在偏載變化過程中，兩組數據相差較小，趨勢基本保持同步，偏載在-5～1.5 m之間時，沉降量穩定在0附近波動，隨后急劇上升，在偏載為2 m左右時達到最大值15，此后又迅速下降于偏載為2.5 m時達到0。隨后在偏載為3 m時，沉降量又一次出現峰值，而后同樣迅速下降到0，之后穩定在0附近。二號北傾角計所測的傾斜角度與偏載的關系不大，但是二號東和一號北、東傾角計所測傾斜角在偏載逐漸增大的過程中，傾斜角度波動較大，整體出現略微減小的趨勢。

6.3 溫度對倉體沉降、傾斜的影響

6.3.1 半倉

偏載在-2～2 m之間，料位在8～12 m范圍內(半倉)，控制自變量偏載和倉體工作狀態不變，得到溫度對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖11和圖12所示。

圖11 溫度對倉體沉降的影響曲線

圖12 溫度對倉體傾斜的影響曲線

從圖11和圖12可以看出，測試倉體的實測點和中心點在溫度的變化過程中，在6℃～10℃溫度區間，沉降值迅速增大，在溫度為10℃時，沉降值迅速減小，在10℃～20℃溫度區間，沉降值穩步上升，期間略有波動。在20℃時，沉降值有較大的下降，而后沉降值較為穩定。一號傾角計所測北傾斜角度和東傾斜角度在整個溫度變化區間變化不大。二號傾角計所測北傾斜角度和東傾斜角度隨著溫度的增加，傾斜角度整體出現緩慢增大的趨勢，其中由數據的誤差及其他各種因素使得曲線產生波動。

6.3.2 滿倉

偏載在-2～2 m之間，料位在16～20 m范圍內(滿倉)，控制自變量偏載和倉體工作狀態不變，得到溫度對倉體的沉降和傾斜的影響曲線如圖13和圖14所示。

從圖13和圖14可以看出，測試倉體的實測點和中心點在溫度的變化過程中，沉降值在初期穩定，沉降值在-1 mm左右。在溫度為12℃時，沉降值增大，在溫度為16℃時，沉降值有著巨大的增大，然后迅速回落，之后維持在一個穩定的水平。一號傾角計所測東傾斜角度和北傾斜角度隨著溫度的增加，傾斜角度整體穩定，曲線變化不大。二號傾角計所測東傾斜角度和北傾斜角度出現緩慢增大的趨勢，其中由于數據的誤差及其他各種因素使得曲線產生波動。

圖13 溫度對倉體沉降的影響曲線

圖14 溫度對倉體傾斜的影響曲線

7 結論

(1)針對準能選煤廠建立的集現場實時自動化監控功能、遠程在線查看功能、在線分析功能、預報警四大功能的貯煤筒倉在線監測系統，整體上實現了總體功能的預期。

(2)隨著料位的增大，倉體沉降逐漸增大，倉體往東傾斜幅度會先增大后減小，而往北傾斜幅度變化較小。半倉時，隨著偏載的增大，倉體沉降變化幅度較小，而倉體往東傾斜變化較大，往北傾斜變化較小；滿倉時，隨著偏載的增大，倉體沉降和傾斜變化幅度均較小。

(3)隨著溫度的增大，倉體沉降變化較小，而傾斜幅度逐漸增大，在20℃以上時增量較小。在15℃～20℃范圍內時，倉體沉降和傾斜變化幅度均較大。

(4)基于邊坡失穩滑移地形下貯煤筒倉位移監測系統的成功開發及應用解決了對貯煤筒倉實時監測和監控的技術安全難題，填補了筒倉在線位移監測技術空白，對周邊相同地質條件下的建筑位移安全監測具有借鑒和指導意義。