露天礦山邊坡安全管控平臺設計與實現

摘 要：受環境以及地質條件等因素的影響，露天礦山邊坡的穩定性處于實時動態變化的狀態，難以準確修正邊坡的空間屬性數據，從而導致邊坡位移量監測精度不高。因此，本文提出露天礦山邊坡安全管控平臺設計與實現。根據平臺的基本功能，設計邊坡數據采集傳感器和智能遙測終端設備等硬件部分，并通過邊坡屬性修改對邊坡空間數據進行修正，從而求取邊坡最大位移值，進而監測邊坡的安全狀況和風險等級?；诖?，平臺根據邊坡風險等級制定相應的風險管控策略，由此實現對露天礦山的安全管控。平臺性能測試結果表明，所設計的平臺能夠準確監測邊坡的位移量，管控性能更優異。

關鍵詞：露天礦山；邊坡安全；管控平臺；邊坡位移；風險等級

中圖分類號：U 416.1" " " 文獻標志碼：A

露天礦邊坡安全是礦山生產的關鍵環節，直接關系到礦山作業的安全和穩定。隨著礦山規模不斷擴大，邊坡安全問題日益突出，傳統的邊坡安全控制方法已不能滿足現代礦山的安全需求。因此，設計和實現一個高效、智能的露天礦邊坡安全控制平臺顯得尤為迫切。文獻[1]利用物聯網傳感技術感知邊坡的實時狀態信息，通過云計算、模糊識別等技術評估災害發生的可能性，為科學決策提供有力依據。該系統可以實時傳輸感知信息，實現高效統一的數據存儲和管理。但目前物聯網技術在實際應用中沒有與傳統技術完全集成，導致監測數據的集成和處理不足，影響了監測的全面性和準確性。文獻[2]從礦山邊坡相關數據中提取有用的特征信息，使用AdaBoost算法對這些特征進行加權，以處理不平衡數據，并通過構建邊坡安全模型，以實現邊坡安全管控的目標。該系統消除了傳統CNN需要大量訓練樣本的限制，縮短了訓練時間。然而，如果數據中存在噪聲或缺失值，就可能會影響監測的準確性。

針對上述分析，為提高露天礦山邊坡安全監測的準確性，采取有效風險管控措施，本文研究并設計了一種露天礦山邊坡安全管控平臺，旨在提高礦山邊坡的安全管理水平，降低安全事故風險。

1 平臺硬件設計

1.1 邊坡數據采集傳感器

邊坡數據采集傳感器是整個平臺硬件設計的核心部分，主要負責實時采集礦山邊坡的各項關鍵參數，并及時傳輸給監控平臺[3]。本文選擇的傳感器型號為FC-ZD2000無線傾角振動傳感器。該傳感器的主要功能是通過多元件采集實時測量邊坡傾斜和振動的變化。其基本參數見表1。

根據邊坡的實際情況和監測需要，在易滑坡區域、潛在裂縫處或關鍵支撐點處安裝傳感器。安裝過程中，確保傳感器與坡面緊密接觸并固定牢固，防止外界干擾影響數據采集的準確性；通過專用配置工具或軟件設置FC-ZD2000無線傾斜振動傳感器的參數，包括設置采樣頻率、數據傳輸間隔、報警閾值等，傳感器根據設定的采樣頻率連續采集數據，并通過內置的無線通信模塊將采集的數據傳輸到指定的接收設備，為邊坡安全評估提取有價值的信息。

1.2 智能遙測終端機

在采集邊坡關鍵參數的過程中，數據的接收、處理和分析環節至關重要。為了確保數據的準確性、實時性和可靠性，本平臺選用智能遙測終端機MGTR-W4G作為數據接收設備。MGTR-W4G的通信模塊支持LTE、WCDMA等多種主流通信標準，確保數據在高速傳輸的同時保持穩定。其內置的通信協議棧經過優化，能夠在復雜網絡環境下提供持續、可靠的數據傳輸通道。此外，該通信模塊還支持Wi-Fi和BT等近距離無線通信方式，為設備在特殊場景下的通信提供了更多選擇。數據采集接口方面，MGTR-W4G提供了RS485接口、RJ45接口和4-20mA模擬采集接口，這些接口不僅兼容性強，而且具備高可靠性和抗干擾能力。通過這些接口，可以靈活連接各種傳感器和設備，實現多源數據的實時采集和同步傳輸[4]?？刂颇K具備強大的繼電器控制功能，可以遠程控制現場設備的開關、調節等動作。通過預設的控制邏輯和算法，可以實現設備的自動化管理和智能控制，提高監測系統的運行效率和安全性。定位模塊支持GPS/GLONASS/北斗等多種衛星定位格式，具備高精度、高可靠性的定位能力。在邊坡監測系統中，定位模塊可以實時獲取監測點的地理位置信息，為數據的空間分析和可視化展示提供重要依據。電源模塊是保障設備穩定運行的關鍵。MGTR-W4G采用了低功率電池供電方式，確保設備在沒有市電或實時數據要求低的情況下能夠長時間穩定運行。此外，電源模塊還具備過充、過放、短路等保護功能，確保設備在復雜環境下的安全性。

視頻采集處理模塊是MGTR-W4G的另一個創新點。該模塊支持高清視頻監控和圖像采集功能，可以實時獲取現場圖像并通過內置處理模塊進行圖像分析和數據疊加。從而提高了監測系統的直觀性和實時性，并為后續的數據分析和決策提供了重要支持。在數據處理和分析方面，MGTR-W4G還具備強大的數據處理能力和靈活的算法庫。通過內置的數據處理引擎和算法庫，可以對采集的數據進行實時分析、處理和存儲。同時，用戶還可以根據實際需求自定義算法和模型，實現更精準和高效的數據分析功能。

在邊坡安全管控平臺中，智能遙測終端MGTR-W4G通過內置的通信模塊，接收斜坡上各種傳感器和設備發送的實時監測數據，并使用內置的處理模塊對數據進行處理、驗證和初步分析；處理后的數據將通過4G網絡或其他通信方式實時上傳到邊坡安全控制平臺，供管理人員實時監控分析。該設備在平臺中起著數據接收、處理、上傳和遠程控制的多重作用，為邊坡安全監測預警提供了數據基礎。

對邊坡安全監測數據采集傳感器和智能遙測終端機進行選型和分析，完成了邊坡安全管控平臺的硬件設計，為平臺的軟件部分設計奠定了基礎。

2 平臺軟件設計

2.1 邊坡安全監測

以邊坡數據傳感器采集的數據為基礎，對邊坡地表位移監測點的變化進行分析，由此確定邊坡是否失穩。

假設在邊坡的關鍵區域共布設了N個監測點，每個監測點中誤差如公式（1）所示。

（1）

式中：a0為數據采集頻率；ιt為監測時間；ei為第i個監測點位的監測誤差。

根據已有的巖土體物理力學參數數據，基于經驗擬合方法對歷史邊坡位移數據和實時監測數據進行疊加擬合[5]，如公式（2）所示。

（2）

式中：αs為擬合參數；A0為邊坡土體的彈性模量；mk為數據間的多元聯系數。

在系統運行過程中，需要根據邊坡的實時狀態對邊坡屬性進行修改，以對邊坡空間數據進行修正，如公式（3）所示。

S=R×?0×xc （3）

式中：?0為邊坡土體重度；xc為粗糙度函數。

確定當前邊坡的最大位移量，如公式（4）所示。

（4）

式中：τc為監測點預測值與實測值之間的聯系數；Cn為計算矩陣。

將公式（4）求得的邊坡最大位移值與預設閾值ψ進行比較，如果Lgt;ψ，就表明邊坡處于失穩狀態；如果L≤ψ，就表明邊坡為安全狀態。由此實現對邊坡安全的監測，為接下來采取邊坡風險管控策略提供有利條件。

2.2 生成邊坡安全風險管控方案

利用先進的邊坡位移監測技術對研究區域的礦山邊坡進行持續、高精度的位移監測。監測數據通過智能遙測終端機MGTR-W4G實時傳輸至數據處理中心。運用專業的邊坡穩定性分析軟件對接收的位移數據進行處理和分析。通過公式（4）計算邊坡的最大位移值，并將其與預設的閾值進行比較。一旦計算得到的最大位移值超過預設的閾值，平臺將立即觸發風險預警機制。預警信息將通過多種渠道進行發布，確保相關人員能夠迅速獲取并響應預警。在接收到預警信息后，平臺將自動進入風險報告和決策建議生成階段?；趯崟r監測數據和歷史數據，平臺將運用數據挖掘、機器學習等先進技術，對邊坡的安全狀況進行深度分析和評估。根據評估結果，平臺將生成詳細的風險報告，包括風險等級、風險來源、影響范圍等關鍵信息。同時，平臺還將根據風險報告的內容，自動生成相應的決策建議。這些建議將綜合考慮邊坡的地質條件、工程特點、環境因素等多個方面，提出針對性的風險管控措施和應急預案。平臺將風險報告和決策建議發送至相關部門和人員，供其參考和決策。同時，平臺還將持續監測邊坡的安全狀況，并根據實際情況調整和完善風險管控方案，確保邊坡的安全穩定。風險等級劃分見表2。

平臺根據邊坡安全風險等級制定具有針對性的管控方案，具體措施如下。1）一級風險。面對最高級別的風險，必須立即采取行動。這包括迅速實施增加支撐結構，例如設置臨時支撐或錨桿、采取灌漿加固等緊急加固措施。同時，需要24 h不間斷地監測邊坡動態，利用高精度傳感器和實時數據傳輸技術，確保能夠實時反饋數據。一旦監測到異常，應立即調整應對措施，例如增加支撐力度或改變加固方案，以防止邊坡失穩造成的嚴重后果。2）二級風險。在這一級別，應加強對邊坡的監測，通過增加監測點來提高監測的覆蓋范圍和精度，并增加監測頻次，以捕捉邊坡變化的細微跡象[6]。此外，采取增加排水系統和改善邊坡植被等加固措施，可以有效減少水害對邊坡穩定性的影響，并增強邊坡的自然穩定性。3）三級風險。定期評估和監測邊坡的穩定性是關鍵。這包括使用地質雷達、激光掃描等先進技術對邊坡進行全面檢查。對邊坡進行日常維護，并及時修復受損區域，例如填補裂縫、加固松動土體等。同時，加強排水系統的維護，確保排水暢通，防止水害影響邊坡穩定。4）四級風險。在這一級別，重點在于加強對邊坡的維護和管理，保持邊坡的良好狀態。這包括定期清理邊坡上的雜物、修剪植被，檢查和維護邊坡的排水系統。建立邊坡安全檔案，記錄邊坡的狀態和監測數據，有助于長期跟蹤邊坡的變化，并為未來的維護和加固提供依據。5）五級風險。雖然風險等級較低，但仍需定期對邊坡進行例行檢查，確保邊坡狀況良好。這包括日常的維護工作，例如清理雜物、修剪植被等，建立邊坡安全管理制度，明確管理職責和要求。通過這些措施，可以確保邊坡長期處于安全穩定的狀態。

管控平臺根據邊坡的穩定性、地質條件、環境條件和潛在危險等多重因素以及風險程度，制定每個風險等級的管控計劃，以確保邊坡的安全穩定。這些計劃包括了從緊急加固到日常維護的全方位措施，確保了邊坡風險管理的全面性和有效性。

3 平臺性能測試與分析

為驗證本文設計的露天礦山邊坡安全管控平臺的實際有效性，將其應用在某露天礦山邊坡穩定性監測中，對平臺的性能進行測試分析，并采用對比試驗的方式分析本文平臺的可行性。

3.1 研究背景

某露天礦山占地面積約5km2。礦山主要以開采鐵礦石為主，年設計開采能力達到800萬t。礦山周邊交通便利，有高速公路和鐵路貫穿，便于礦石運輸。

礦山邊坡總體高度平均在150m左右，最高邊坡高度達到200m。邊坡坡度普遍在45°～60°，局部陡峭區域坡度可達70°以上。邊坡主要由花崗巖和頁巖構成，其中花崗巖占比達到60%，巖石強度中等偏上，抗風化能力較好。根據近期的邊坡穩定性監測數據，邊坡整體穩定性較好，但局部區域存在小范圍滑坡和崩塌的風險。

3.2 測試準備

試驗環境包括邊坡監測設備、數據傳輸設備、數據處理服務器等；軟件部分包括數據接收、處理、分析和預警模塊。試驗過程中對邊坡的監測頻率為1次/h，并實時傳輸到數據處理服務器；當傾角變化超過0.1°、位移變化超過1mm、應力變化超過5MPa時，將觸發預警機制。

試驗過程如下：在邊坡區布設7個監測點位，并安裝測斜儀、位移儀、應力儀等監測設備，確保其穩定性和可靠性，并將其連接到數據采集器上；啟動傳感器，開始對各種坡度數據進行實時監測，并將數據實時傳輸到數據處理服務器；數據處理服務器在接收到數據后，對其進行預處理和存儲，同時激活警報機制，為超過閾值的數據提供實時警報，并根據分析結果調整監測參數或采取相應的加固措施。

3.3 測試結果

為體現本文平臺的有效性，采用北斗技術（平臺1）、GIS技術（平臺2）作為對照組平臺，本文平臺為實驗組平臺，分別采用3種平臺對該露天礦山邊坡進行安全管控，比較基于不同平臺監測得到的邊坡水平位移量，從而評估3種平臺的管控性能。測試結果如圖1所示。

由圖1可知，與其他2種平臺相比，應用本文平臺對邊坡的各個點位進行穩定性監測，得到的邊坡位移量與實際值更接近，說明本文平臺能夠準確監測邊坡的安全性，并根據風險等級采取相應的管控措施，對邊坡安全的管控效果更好。

4 結語

本文設計的露天礦山邊坡安全管控平臺結合了邊坡安全監測技術、數據分析算法和預警機制，實現了邊坡安全狀況實時監測預警，并基于邊坡風險等級制定有效的風險管控方案，保證了邊坡的安全穩定性。該平臺不僅可以為礦山邊坡安全治理提供新的思路和方法，而且也促進了礦山安全生產領域的進步和發展。

參考文獻

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[4]于雷，閆巖，鄧巧巧.基于大數據的礦山邊坡穩定性評價模型[J].自動化技術與應用，2022，41（5）：138-140，174.

[5]廉兆成.基于GEO-STUDIO的降雨下膨脹土邊坡安全性研究[J].價值工程，2023，42（12）：99-101.

[6]梁之文，任春，董宇林.基于北斗技術的鐵路邊坡安全監測系統及應用[J].鐵道建筑技術，2023（1）：196-198，202.