海州露天煤礦邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)

李 勝 鄔珂瑞 韓永亮 齊嘉義

(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

海州露天煤礦邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)

李 勝 鄔珂瑞 韓永亮 齊嘉義

(遼寧工程技術(shù)大學礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

為及時掌握露天礦邊坡變形規(guī)律，基于GPS監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和計算機等技術(shù)，建立了一套實時動態(tài)反映邊坡變形的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用高精度GPS獲取監(jiān)測點的三維坐標，利用GPRS通訊模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至計算機，并通過軟件處理自行解算成圖，實現(xiàn)邊坡變形的自動化監(jiān)測。以海州露天礦北幫為監(jiān)測對象，經(jīng)過一段時間的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明：邊坡平均水平位移變形為52.6 mm，平均垂直位移變形為17.3 mm，平均水平位移速率為0.33 mm/d，平均垂直位移速率為0.11 mm/d。邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建實現(xiàn)了邊坡變形的高精度、自動化監(jiān)測，為災(zāi)害的動態(tài)預(yù)警和安全決策的及時制定提供了有效的技術(shù)支持。

GPS 邊坡穩(wěn)定 自動化監(jiān)測 邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)

露天煤礦開采作為我國煤炭工業(yè)的優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略，其規(guī)模正在迅速擴張和發(fā)展[1]。隨著露天礦開挖邊坡逐漸增高、開采范圍越來越大，也導致滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴重威脅著人民的生命財產(chǎn)安全，造成了巨大的經(jīng)濟損失[2]?？梢娐短扉_采邊坡的安全穩(wěn)定對露天礦山的安全生產(chǎn)具有重大意義[3]。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法主要依靠人工定期監(jiān)測，而且受到天氣、觀測時段和頻率等因素制約，監(jiān)測的周期長，精度低，耗費大量的人力物力財力，不能滿足快速、實時、準確、自動獲取數(shù)據(jù)的需求，同時存在監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的過程復(fù)雜繁瑣，分析周期長等缺點[4-5]。盡管相關(guān)部門對部分露天開采邊坡的監(jiān)測方法和數(shù)據(jù)處理進行了改進，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)研制等，但普遍存在自動化程度不高等不足[6]。

隨著GPS技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)等的迅速發(fā)展，工程測量、監(jiān)測的作業(yè)方法更是發(fā)生了歷史性的變革[7]。本研究通過三者的有機結(jié)合，建立了一套實時動態(tài)反映邊坡變形的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，不僅克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法工作量大、效率低、受外界環(huán)境影響等缺點，也滿足了露天礦邊坡監(jiān)測對精度的要求，具有全天候、連續(xù)性和實時性等特點，實現(xiàn)露天開采邊坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測遠程自動化監(jiān)測[8-10]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體構(gòu)建需要軟硬件的相互作用，系統(tǒng)按照其功能可劃分為4大組成部分：①傳感器子系統(tǒng)。由布置監(jiān)測點上的GPS監(jiān)測單元組成，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)的觀測，實時反應(yīng)監(jiān)測站的三維空間變化情況。系統(tǒng)采用的是X300M雙頻GPS接收機作為傳感器進行數(shù)據(jù)的實時收集，水平精度±(2.5+1×10-6×D) mm，垂直精度±(5+1×10-6×D) mm(D為監(jiān)測距離，m)。②通訊子系統(tǒng)。整個監(jiān)測系統(tǒng)中包括有線傳輸和無線傳輸，該系統(tǒng)光纖作為有線傳輸主要以光纖形式進行傳輸，GPRS作為無線傳輸?shù)男问健＂蹟?shù)據(jù)處理系統(tǒng)。由布置在監(jiān)控中心的監(jiān)控終端、高性能服務(wù)器，結(jié)合HCmonitor軟件來完成數(shù)據(jù)的實時接收、存儲、實時數(shù)據(jù)處理成圖顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和監(jiān)測預(yù)警預(yù)報等功能。④輔助支持系統(tǒng)。包括外場機柜、配電及UPS、防雷和太陽能電池板。監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)通訊子系統(tǒng)

變形監(jiān)測系統(tǒng)中，GPS接收機將獲得的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為RT17數(shù)據(jù)流(RT17包含了GPS解算的所有必要的載波相位數(shù)據(jù)、星歷等數(shù)據(jù))，傳輸給GPRS模塊，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到控制中心，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行姆?wù)器需要加設(shè)防火墻保證系統(tǒng)的安全?？刂浦行脑诟鶕?jù)數(shù)據(jù)對應(yīng)的IP地址和端口號，獲得相應(yīng)監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流，具體通訊流程見圖2。

1.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理是邊坡變形監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)采用基于C/S架構(gòu)的HCmonitor軟件，以非線性Kalman濾波、三差解算法為核心，同時增加了先進的電離層改正模型使數(shù)據(jù)處理精度大大提高，經(jīng)測驗平面精度<3 mm，高程精度<5 mm。在控制中心服務(wù)器的應(yīng)用服務(wù)器上，利用HCmonitor軟件可以準實時解算出各監(jiān)測點的三維坐標，所有數(shù)據(jù)最后存儲在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，通過web服務(wù)器來進行網(wǎng)上實時瀏覽。本系統(tǒng)采用SQL2008數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)，用以完成數(shù)據(jù)的存儲工作，包括坐標數(shù)據(jù)，監(jiān)測信息和用戶信息等，方便隨時調(diào)取查詢，數(shù)據(jù)處理的具體流程見圖3。

圖2 通訊流程

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

1.3 輔助支持子系統(tǒng)

輔助支持子系統(tǒng)包括外場機柜、配電及UPS、防雷和太陽能電池板。監(jiān)測點的墩柱同樣采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。采用兩塊50 W太陽電池板和150 Ah蓄電池組合的供電方式，這樣的好處是安全、容易避雷、省工，而且在沒有太陽的情況下可以連續(xù)工作7 d。變形監(jiān)測系統(tǒng)采用直擊雷防護，需要在GPS觀測墩安裝1.8 m避雷針，避雷針通過U型鋼、接地線連接至地下0.5 m處，再與地下焊接扁鐵地網(wǎng)連接形成避雷網(wǎng)，所有地下焊接處需要涂刷防銹防腐蝕的油漆。避雷針安裝完成后，保證接地電阻小于1 Ω。觀測墩包含了輔助支持子系統(tǒng)的大部分設(shè)備(見圖4)。

2 工程應(yīng)用

2.1 露天礦背景

海州露天煤礦礦場東西長4 km，南北寬2 km，垂直深度350多m，總占地面積達30多km2。礦坑周圍有5萬多居民、4所小學、3所中學、20余家工礦企業(yè)、86萬m2民用建筑。自開礦以來，共發(fā)生大的滑坡近百次，滑坡巖體的總量2 081.7萬m3，由此造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失達到上億元。目前，采場周邊巖體產(chǎn)生滑移，導致地表出現(xiàn)嚴重變形，甚至產(chǎn)生明顯的裂縫，給周邊企業(yè)和居民造成了較大的經(jīng)濟損失和嚴重的生命安全隱患，尤其對坐落在海州露天礦北幫的阜新發(fā)電廠的安全形成嚴重威脅[11]。對露天邊坡利用GPS技術(shù)進行邊坡實時監(jiān)測，為預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生提供重要依據(jù)，可降低海州露天礦災(zāi)害造成的危害，減少露天礦周邊建筑物、構(gòu)筑物等保護對象的損失。

2.2 監(jiān)測網(wǎng)點布置

露天開采邊坡區(qū)GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測單元包括參考站和監(jiān)測站，根據(jù)實際環(huán)境布置高精度GPS監(jiān)測網(wǎng)，按以下要求布置各站點。

(1)參考站。參考站與露天開采邊坡體的距離不宜超過3 km，應(yīng)選擇地質(zhì)條件良好、穩(wěn)定、視野比較開闊且易于長期保存的地方，可以建設(shè)在基巖、建筑物屋頂?shù)?。根?jù)上述原則，結(jié)合海州露天礦實際情況，最終將參考站布置到附近的一座樓頂上，觀測墩采用鋼結(jié)構(gòu)柱體，外部用金屬罩保護，供電采用該樓內(nèi)的220 V市電，通過適配器轉(zhuǎn)化成12 V為設(shè)備供電。

(2)監(jiān)測站。位移側(cè)線布置與滑坡主軸方向一致，測點布置在邊坡內(nèi)應(yīng)力變化的敏感位置，如易隆起、下沉和容易產(chǎn)生裂縫坡腳等部位，總體要求是監(jiān)測點所形成的區(qū)域要涵蓋采場邊坡和排土場邊坡所在區(qū)域，完全控制內(nèi)排土場與采場之間端幫邊坡區(qū)。在海州露天礦北幫邊坡為露天礦山公園，建筑物多聚于此，礦山公園休閑廣場南部至博物館、紀念碑平臺一帶，見有地裂縫十幾條，所以將對北幫邊坡的監(jiān)測作為重點，監(jiān)測站P1～P6的布置情況見圖5，現(xiàn)場安裝見圖6。

圖5 監(jiān)測站點分布示意

圖6 現(xiàn)場安裝示意

2.3 實測數(shù)據(jù)分析

通過對監(jiān)測點的累計水平位移、累計垂直位移、水平位移速率、垂直位移速率4個指標的監(jiān)測，可反映出邊坡的穩(wěn)定性。對6個監(jiān)測站進行24 h連續(xù)監(jiān)測，每隔8 h記錄1組數(shù)據(jù)，每天3組數(shù)據(jù)，至今系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行半年多。選取從2014年11月1日到2015年4月10日，共5個月的數(shù)據(jù)進行分析說明。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分別做出了各監(jiān)測點的時間與水平位移累計量、時間與垂直位移累計量，見圖7、圖8，選取P1、P6監(jiān)測站的時間與水平位移速率以及時間與垂直位移速率的曲線圖，見圖9、圖10。

由圖7、圖8可以看出：各監(jiān)測站水平方向上的位移逐漸增大，邊坡平均水平位移變形為52.6 mm，P6水平位移最大為76 mm，P1最小為25 mm。平均垂直位移變形為17.3 mm，P6垂直位移最多為25 mm，P1垂直位移最少為11 mm，由此可以看出，P6位置形變較大，該地區(qū)較其他監(jiān)測點穩(wěn)定性差，應(yīng)重點監(jiān)測。由圖9、圖10看出水平、垂直位移速率的變化都不大，各點水平位移速率穩(wěn)定在-1～2 mm/d，平均值為0.33 mm/d、垂直位移速率穩(wěn)定在-2～2 mm/d，平均值為0.11 mm/d。從總體來看，目前海州露天礦的北幫暫處于穩(wěn)定狀態(tài)，由于邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的復(fù)合作用，包括本身的地質(zhì)構(gòu)造，幾何形態(tài)等內(nèi)在因素，同時也包括降雨、地震以及人類工程活動等外在因素。基于以上考慮海州露天礦北幫仍然處于變形的集中區(qū)，需采用GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)加強對相關(guān)地區(qū)的位移、位移速率的監(jiān)測工作，同時也要加強地質(zhì)巡查工作，達到提前預(yù)警的目的，確保該地區(qū)的安全，降低地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失。

圖7 水平位移累計量

圖8 垂直位移累計量

圖9 水平位移速率

圖10 垂直位移速率

3 結(jié) 論

(1)基于GPS監(jiān)測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及計算機等技術(shù)，結(jié)合海州露天礦的具體情況，建立了實時動態(tài)反映邊坡變形的自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)從半年多的使用情況來看，該監(jiān)測系統(tǒng)完全適應(yīng)惡劣的氣候變化，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測精度高，實現(xiàn)了全天候的實時監(jiān)測，真實精確地反映了邊坡實際變形情況。

(3)結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對海州露天礦北幫的邊坡穩(wěn)定情況進行了科學分析，結(jié)果表明目前北幫暫處于穩(wěn)定變形狀態(tài)。

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(責任編輯 徐志宏)

Slope Deformation Monitoring System of Haizhou Open-pit Mine

Li Sheng Wu Kerui Han Yongliang Qi Jiayi

(CollegeofMines，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

In order to grasp the deformation regularity of open-pit slope in time，a set of real-time dynamic to reflect the auto-monitoring system of slope deformation was established based on the GPS (Global Positioning System) monitoring technology，network communication technology and computer technology，etc.The system adopts high precision GPS to obtain the 3D(3 Dimensions) coordinates of the monitoring points，and then uses GPRS(General Packet Radio Service) communication module to send data package to the computer.The data can be calculated into image data processing software to realize the automation of the slope deformation monitoring.Taking the North Haizhou open-pit as the object of monitoring，the monitoring results show that after a period of monitoring，the average slope horizontal displacement deformation is 52.6 mm，the average slope vertical displacement deformation is 17.3 mm，the average horizontal displacement rate was 0.33 mm/d，the average vertical displacement rate was 0.11 mm/d.The Construction of slope deformation monitoring system has achieved high precision and auto-monitoring，thus providing effective technical support for dynamic disaster warning and timely making safety decisions.

GPS，Slope stability，Auto-monitoring，Slope deformation monitoring system

2015-05-23

遼寧省高等學校優(yōu)秀人才支持計劃項目(編號：LJQ2011029)，國家自然科學基金項目(編號：51004063)。

李 勝(1976—)，男，教授，博士，博士研究生導師。

TD164

A

1001-1250(2015)-09-126-05