采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

李博， 張擁軍， 李乾龍, 柴佳樂, 楊登峰,2

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

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采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

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(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

針對現(xiàn)有礦山邊坡監(jiān)測方法存在監(jiān)測周期長、監(jiān)測精度較低、無法實現(xiàn)實時及自動化監(jiān)測等缺陷，設(shè)計了采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的設(shè)計原則和結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)可實時監(jiān)測采動過程中巖質(zhì)邊坡位移場的變化狀態(tài)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。該系統(tǒng)設(shè)有預(yù)警功能，可根據(jù)需要設(shè)置預(yù)警閾值，當(dāng)坡體位移超過預(yù)警閾值時，系統(tǒng)自動報警。實際應(yīng)用證明了該系統(tǒng)的可靠性。

露天礦； 煤炭開采； 邊坡穩(wěn)定性； 位移場； 滑坡監(jiān)測； 監(jiān)測預(yù)警； 數(shù)據(jù)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(zāi)害在各類災(zāi)害中最為頻繁，極易導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。近年來，隨著我國資源、能源開發(fā)工程的不斷發(fā)展，礦山開采活動的持續(xù)增強，礦區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害日趨嚴(yán)重[1-3]。滑坡監(jiān)測預(yù)警是礦區(qū)風(fēng)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(jiān)測技術(shù)有大地測量法、GPS技術(shù)、地面攝影攝像技術(shù)、衛(wèi)星遙測技術(shù)等[5-8]，這些技術(shù)為滑坡災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警提供了新的研究方法和思路。我國多數(shù)礦山邊坡監(jiān)測采用大地測量法[9]，但這種方法監(jiān)測周期長,勞動強度高,監(jiān)測精度易受外界因素影響，無法實現(xiàn)實時自動化監(jiān)測。為了提高監(jiān)測精度，實現(xiàn)自動化監(jiān)測及實時預(yù)警，本文設(shè)計了一套采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對多級邊坡內(nèi)部位移場進行實時監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則及任務(wù)

采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在設(shè)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(jiān)測之間的相互干擾。

(2) 監(jiān)測點的布置既要具有代表性，又要體現(xiàn)特殊性。

(3) 安裝和監(jiān)測操作方法簡單實用、經(jīng)濟合理[10]。

采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)安裝完成后，將完成以下任務(wù)：

(1) 監(jiān)視邊坡的狀況變化和運行情況。在發(fā)現(xiàn)不正?，F(xiàn)象時及時分析原因，采取措施，防止發(fā)生事故，以保證生產(chǎn)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(yīng)力應(yīng)變狀況進行監(jiān)測，為制定安全措施和評價生產(chǎn)狀況提供依據(jù)。

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

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計

針對巖質(zhì)邊坡的特點，系統(tǒng)采用測斜儀監(jiān)測巖質(zhì)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(nèi)布置測斜儀、將各測斜儀連接到數(shù)據(jù)采集箱。

采動邊坡穩(wěn)定性遠程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以邊坡變形監(jiān)測理論和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，采用基于客戶/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)的架構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場邊坡破壞特征和破壞機理，形成邊坡破壞種類數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取、檢驗和轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能模塊包括數(shù)據(jù)自動采集模塊、邊坡變形顯示模塊、采動卸荷分析模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)實時顯示和預(yù)警模塊5個部分。

(1) 數(shù)據(jù)自動采集模塊。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)自動采集功能是通過自動采集箱實現(xiàn)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(nèi)部的傳感器(測斜儀)發(fā)送采集命令，傳感器響應(yīng)命令并將采集數(shù)據(jù)存儲于自身傳感器上，實現(xiàn)自動采集。

(2) 邊坡變形顯示模塊。該模塊可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對邊坡內(nèi)部位移場、單點沉降和傾斜進行分析。系統(tǒng)監(jiān)控主機提供傳感器的布局圖，可對每個傳感器的歷史數(shù)據(jù)進行查詢，并根據(jù)不同傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)繪制出對應(yīng)的走勢圖，實時顯示邊坡的變形情況，為系統(tǒng)的預(yù)警分析提供依據(jù)。

(3) 采動卸荷分析模塊。邊坡在采動卸荷作用下，由于巖體應(yīng)力釋放,產(chǎn)生向臨空面方向的回彈變形，在此過程中應(yīng)力重新分布，在邊坡開挖一定深度范圍內(nèi)的巖體產(chǎn)生變形破裂現(xiàn)象。受爆破和開挖的影響，巖體的邊界條件和力學(xué)參數(shù)處于動態(tài)變化中，常規(guī)的計算方法沒有考慮力學(xué)參數(shù)的變化。系統(tǒng)通過對采集數(shù)據(jù)進行實時分析，在邊坡的不同開挖階段選用合適的力學(xué)參數(shù);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(wěn)定性，對邊坡變形預(yù)警閾值進行修正。

(4) 數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊具有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)不同時期邊坡的應(yīng)變場變化規(guī)律。

(5) 數(shù)據(jù)實時顯示和預(yù)警模塊。該模塊能夠根據(jù)所采集的歷史數(shù)據(jù)進行智能分析，從而給出坡體的變形狀態(tài)在一定時間段內(nèi)的發(fā)展趨勢，使決策管理人員能夠及早發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施將事故消滅在萌芽狀態(tài)，提高坡體安全性和可控性。此外，該模塊提供了預(yù)警功能，用戶可根據(jù)需要設(shè)置預(yù)警閾值，當(dāng)坡體位移超過預(yù)警閾值時，系統(tǒng)自動報警。

2 系統(tǒng)工程應(yīng)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(qū)，礦區(qū)范圍內(nèi)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(qū)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(qū)受區(qū)域構(gòu)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(qū)受開采影響，地表巖石普遍松動，裂隙發(fā)育，所以，礦區(qū)巖體非常破碎，工程地質(zhì)條件較差。

石英石露天采場邊坡礦經(jīng)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(wěn)定性對礦山安全生產(chǎn)的影響也越來越大，礦區(qū)很多區(qū)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(xiàn)多條裂縫，且有不斷擴大的趨勢；1 792 m平臺巖石松散，出現(xiàn)垮塌或崩落現(xiàn)象。隨著采場的不斷延伸及暴雨、地震等潛在的地質(zhì)災(zāi)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(jiān)測點的布置

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則及現(xiàn)場工程地質(zhì)條件，綜合考慮巖體內(nèi)部斷面位置、節(jié)理發(fā)育情況、施工難易程度、安全等多項因素，根據(jù)工程地質(zhì)資料和數(shù)值模擬結(jié)果，在邊坡1 768、1 780、1 792、1 816和1 826 m共5個平臺上拉網(wǎng)式布置21個監(jiān)測點(圖3)，布設(shè)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(xiàn)場采用太陽能供電，為了能提供穩(wěn)定的電能，在1 816 m平臺增加一個分段供電箱。

2.3 監(jiān)測方法及精度分析

根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件，在具有滑坡趨勢的邊坡區(qū)段布置監(jiān)測點，采用測斜儀對邊坡內(nèi)部的變形進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過總線實時傳送到自動采集箱內(nèi)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機，可準(zhǔn)確監(jiān)測邊坡動態(tài)失穩(wěn)過程，判斷邊坡的穩(wěn)定性，及時對危險情況做出預(yù)警。

測斜儀是測量儀器軸線與鉛垂線夾角的傳感器，當(dāng)傳感器相對于鉛垂線方向產(chǎn)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理，可以直接用讀數(shù)儀顯示被測點的角度變化量。監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測過程中，坡體發(fā)生滑動時，埋設(shè)在坡體內(nèi)部不同深度的角位移傳感器會記錄該信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠程終端，主機作為終端進行數(shù)據(jù)分析，通過識別、篩選角度變化的時間點，結(jié)合歷史數(shù)據(jù),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?shù)拇怪本嚯x分別為3，8，13，18和23 m。系統(tǒng)設(shè)有報警功能，當(dāng)坡體位移超過系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警閾值時，系統(tǒng)自動報警。

圖3 監(jiān)測點布置

圖4 滑體位移隨時間變化的曲線

3 數(shù)據(jù)傳輸及處理

3.1 數(shù)據(jù)傳輸

系統(tǒng)采用總線型架構(gòu)，布設(shè)1根總線電纜和若干分支線電纜。將數(shù)據(jù)自動采集箱布置在1768平臺、1792平臺和1816平臺上，系統(tǒng)每隔30 min向傳感器發(fā)送采集命令，傳感器采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jié)省了電力，也增加了儀器的安全性。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程

數(shù)據(jù)通過GSM移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機，系統(tǒng)采用的無線設(shè)備具有組網(wǎng)方便、傳輸穩(wěn)定的特點，可確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，任何傳感器出現(xiàn)故障不會影響其他斷面數(shù)據(jù)的傳輸，不會出現(xiàn)個別傳感器壞掉引起整個系統(tǒng)癱瘓的事故。監(jiān)控主機通過對數(shù)據(jù)的處理分析來實時監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)監(jiān)測過程中，數(shù)據(jù)采集模塊定時讀取傳感器的數(shù)據(jù)，保存角度等原始數(shù)據(jù)到Excel表格。同時邊坡變形顯示模塊根據(jù)不同傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)繪制出對應(yīng)的走勢圖，實現(xiàn)邊坡變形可視化。數(shù)據(jù)實時顯示和預(yù)警模塊根據(jù)采集的歷史數(shù)據(jù)進行智能分析，給出坡體的變形狀態(tài)在一定時間段內(nèi)的發(fā)展趨勢。邊坡變形數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

4 結(jié)語

采動邊坡穩(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可對多級邊坡內(nèi)部位移場進行實時監(jiān)測，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控主機，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化。系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、模塊相互獨立的特點，一個傳感器出現(xiàn)故障不會影響系統(tǒng)的正常運行，可保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。系統(tǒng)設(shè)有預(yù)警功能，當(dāng)坡體位移超過系統(tǒng)設(shè)置的預(yù)警閾值時，系統(tǒng)自動報警。

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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(wěn)定性遠程在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J].工礦自動化，2016,42(11)：5-9.

2016-05-20；

2016-08-24；責(zé)任編輯：張強。

國家自然科學(xué)基金項目(51234005-01，51574153)；山東省自然科學(xué)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(jiān)測預(yù)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