露天礦邊坡自動化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)探析

張永兵 付慧

（黑岱溝露天煤礦生產(chǎn)技術(shù)部，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

邊坡問題是我國露天煤礦開采最為廣泛的地質(zhì)災(zāi)害類型，其特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)且危害及損失巨大。露天煤礦邊坡安全越來越受到重視，邊坡監(jiān)測手段也越來越多樣化。數(shù)學(xué)監(jiān)測模型在露天礦邊坡中得到廣泛的應(yīng)用，工程人員借助監(jiān)測模型可以對被監(jiān)測狀態(tài)的變化規(guī)律進(jìn)行定量描述，在一定情況下，可以揭示狀態(tài)量與影響因素間的定量關(guān)系，還可以借助模型進(jìn)行反演分析，而在監(jiān)測模型上的預(yù)測已經(jīng)成為目前應(yīng)用最廣的預(yù)測方法。邊坡監(jiān)測自動化程度地提高能夠有效地節(jié)省人力、提高效率、更能達(dá)到實時監(jiān)測和預(yù)警的目的。

一、露天礦邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

（一）應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

應(yīng)力監(jiān)測采用應(yīng)力錨索進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。由于巖體受力發(fā)生變形，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力隨之發(fā)生改變，當(dāng)下滑力超出巖石的強(qiáng)度，滑體沿滑面下滑，從而發(fā)生滑坡事故，因此，通過錨索施加應(yīng)力來監(jiān)測巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀況，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生變化時，應(yīng)力傳感器會記錄應(yīng)力情況，及時掌握邊坡動態(tài)，從而對滑坡進(jìn)行預(yù)警和及時采取治理措施。傳感器裝置直接安裝在錨索端部，應(yīng)力發(fā)生變化后，傳感器記錄應(yīng)力數(shù)據(jù)由采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，通過GPRS傳輸?shù)浇邮斩恕４送?，邊坡還布設(shè)輔助支持系統(tǒng)，由太陽能、蓄電池組和避雷針等構(gòu)成，電池組根據(jù)使用情況應(yīng)定期檢修。

（二）位移監(jiān)測系統(tǒng)

1.傳感器系統(tǒng)。由布置在邊坡上監(jiān)測點(diǎn)的GPS 監(jiān)測單元組成，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)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，進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)范圍內(nèi)地表位移變化數(shù)據(jù)的采集。2.數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。GPS接收機(jī)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?？刂浦行母鶕?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(diǎn)的原始實時數(shù)據(jù)流。

二、自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（一）自動化監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)包括監(jiān)測傳感器，攝像機(jī)，自動化監(jiān)測站（可分為采集功能和采集/處理功能兩類，即采集站和管理站），自動化監(jiān)測站房，線纜，電源及防雷接地裝置等?，F(xiàn)場自動化監(jiān)測系統(tǒng)可包含 1 個或多個自動化監(jiān)測站。自動化監(jiān)測站可劃分為戶外式和戶內(nèi)式。戶外式多為自動化監(jiān)測采集站；戶內(nèi)式多為自動化監(jiān)測管理站。一般現(xiàn)場應(yīng)用戶外式自動化監(jiān)測采集站居多。自動化監(jiān)測站設(shè)置一般符合下列規(guī)定：自動化監(jiān)測站不應(yīng)設(shè)置在具有較強(qiáng)電磁干擾設(shè)備附近。自動化監(jiān)測站應(yīng)有防火、防盜、防電磁干擾等防護(hù)設(shè)施。自動化監(jiān)測管理站應(yīng)配置監(jiān)測管理軟件和網(wǎng)絡(luò)通信軟件，應(yīng)能對整個自動化監(jiān)測系統(tǒng)的采集進(jìn)行設(shè)置和管理。自動化監(jiān)測管理站應(yīng)設(shè)置在邊坡穩(wěn)定區(qū)域。

（二）監(jiān)測中心系統(tǒng)

1.監(jiān)測中心系統(tǒng)配置要求。系統(tǒng)包括控制室、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、處理、顯示、存儲的軟件和硬件設(shè)施，如數(shù)據(jù)服務(wù)器、微機(jī)工作站、打印機(jī)、顯示終端或大屏幕、專用軟件、電源設(shè)備及防雷接地裝置等。監(jiān)測中心一般符合下列要求：監(jiān)測中心宜設(shè)置在露天煤礦調(diào)度中心；監(jiān)測中心應(yīng)配備計算機(jī)管理用的軟硬件設(shè)施，滿足露天煤礦安全生產(chǎn)管理的需要，并具備同遠(yuǎn)程上級主管部門進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能；監(jiān)測中心應(yīng)配置調(diào)度和行政電話；能對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的分析和簡單的評價，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值進(jìn)行報警，可實現(xiàn)手機(jī)短信、郵件、聲光報警器等方式。2.自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲要求。所有原始監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)全部儲存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)存儲應(yīng)采用開放型的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫，并具有足夠的數(shù)據(jù)庫容量和網(wǎng)絡(luò)共享功能，良好的可擴(kuò)充性和快速的檢索功能；存儲的監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)能夠便于維護(hù)、定期自動的備份和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用開發(fā)，備份的數(shù)據(jù)與主數(shù)據(jù)庫存放在不同服務(wù)器中；所有監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為TXT、Excel 等多種文件格式保存，并能夠滿足監(jiān)測中心數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的備份、共享和數(shù)據(jù)傳遞等操作。存儲的數(shù)據(jù)需要時可方便地提取，并可在通用的計算機(jī)中讀取。

三、露天礦邊坡自動化監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

整個自動化邊坡監(jiān)測系統(tǒng)包括GNSS、GPS 位移監(jiān)測。整個監(jiān)測系統(tǒng)中采用了傳感系統(tǒng)、信息采集、信息傳遞與接收、數(shù)據(jù)處理方面；GPS 位移監(jiān)測系統(tǒng)中包括傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸、處理分析方面。系統(tǒng)中設(shè)置了輔助系統(tǒng)，保證自動化監(jiān)測作業(yè)精度。

（一）GNSS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

GNSS 系統(tǒng)作為一個全球性位置、時間的測定系統(tǒng)，涵蓋了接收機(jī)、衛(wèi)星星座等，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足。GNSS 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要包括了全球設(shè)施、區(qū)域設(shè)施、用戶部分、外部設(shè)施等，其中全球設(shè)施作為主體設(shè)施，區(qū)域設(shè)施可以視為一個增強(qiáng)系統(tǒng)。邊坡自動化監(jiān)測采用了高精度衛(wèi)星導(dǎo)航準(zhǔn)動態(tài)算法等，每個監(jiān)測點(diǎn)都可以獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參數(shù)，如地表位移結(jié)算的載波相位數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)等，借助無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)信息傳遞給辦公室控制服務(wù)器中。服務(wù)器對每個監(jiān)測點(diǎn)IP 端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到原始數(shù)據(jù)信息。在服務(wù)器軟件中實時計算得出檢測點(diǎn)三維坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)變化檢測位移情況。

考慮到巖體受到力的作用時，邊坡內(nèi)部位移也會產(chǎn)生變化，如果巖石強(qiáng)度低于下滑力度，巖體就會沿著坡面下滑，產(chǎn)生滑坡事故。GNSS 系統(tǒng)監(jiān)測巖體內(nèi)部情況，如果內(nèi)部位移發(fā)生了變化，則傳感器就會記錄實際變化情況，掌握變動的位移動態(tài)范圍。GNSS 系統(tǒng)設(shè)置了預(yù)警系統(tǒng)，一旦位移變化幅度過大或超過設(shè)定閾值，則系統(tǒng)會自動報警。位移監(jiān)測系統(tǒng)中有位移傳感系統(tǒng)、信號發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成；客戶端中主要由數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、分析系統(tǒng)構(gòu)成，信號通過4G 移動無線傳輸網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸，接收端負(fù)責(zé)對信息進(jìn)行分析和處理。

（二）位移監(jiān)測系統(tǒng)

位移監(jiān)測系統(tǒng)采用了GNSS 位移監(jiān)測系統(tǒng)，位移監(jiān)測系中的核心技術(shù)為：計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代化測量技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，該技術(shù)組合形式可以在不同天氣和環(huán)境下實時呈現(xiàn)邊坡變形量，實時分析邊坡位移數(shù)據(jù)，對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、分類、提取、統(tǒng)計等，為中心站提供報表、圖形等信息，同樣設(shè)置了預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)變形量閾值判定是否報警，為了邊坡處理提供了決策依據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

GPS 接收機(jī)能夠得到RT17 數(shù)據(jù)流，將數(shù)據(jù)流傳遞給移動通信模塊，借助無線通信模塊傳遞給控制中心模塊，為了保證中心系統(tǒng)運(yùn)行安全性，需要在中心服務(wù)器上增設(shè)防火墻，數(shù)據(jù)要經(jīng)過防火墻過濾才會到達(dá)中心模塊?？刂浦行臄?shù)據(jù)接收不同端口和IP 地址、端口號一一對應(yīng)，負(fù)責(zé)獲取相應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)流。

（四）數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)

在邊坡表面位移監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)處理是非常重要的部分，本次自動化監(jiān)測系統(tǒng)中采取了C/S 架構(gòu)的HCmonitor 軟件，其中包含了三差解算法、非線性Kalman濾波，為了讓數(shù)據(jù)處理精度進(jìn)一步增加，系統(tǒng)同時采用了電離層改進(jìn)模型，模型設(shè)置在中心服務(wù)器的應(yīng)用服務(wù)器中，將監(jiān)測點(diǎn)采集的原始數(shù)據(jù)通過HCmonitor 直接轉(zhuǎn)化為三維坐標(biāo)信息，并在數(shù)據(jù)服務(wù)器上統(tǒng)一存儲，用戶只需要打開web 服務(wù)器即可實現(xiàn)信息的瀏覽，也可以利用智能手機(jī)APP 直接觀測邊坡位移情況。內(nèi)部位移監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中，采用了高精度、高分辨率、高抗沖擊的數(shù)字傾斜加速度計，金屬外殼保證了密封性，可以通過鉆孔分層埋設(shè)，對檢測到各類建筑結(jié)構(gòu)傾斜角度、位移量傳遞給服務(wù)器軟件中進(jìn)行分析。

（五）輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)可以保證位移監(jiān)測系統(tǒng)正常運(yùn)行，主要包含了外場機(jī)柜、配電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、太陽能電池組、防雷系統(tǒng)等構(gòu)成。在供電層面上，采用了兩塊50W 太陽能電池板以及150Ah 蓄電池組合形式，主要是為了在陰天環(huán)境下持續(xù)供電，理論上150Ah 蓄電池可以讓監(jiān)測站持續(xù)工作7d 以上。防雷系統(tǒng)采用直擊雷防護(hù)形式，避雷針長度為1.8m，與U 型鋼、接地線連接，預(yù)埋深度為0.5m，之后和地下扁鋼地網(wǎng)共同構(gòu)建避雷網(wǎng)。

綜上所述，為了能夠全面提高露天礦采集的安全性，需要做好邊坡監(jiān)測工作，面對災(zāi)害可以快速做出反應(yīng)。借助信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS 技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，構(gòu)建邊坡自動化監(jiān)測平臺，合理運(yùn)用監(jiān)測技術(shù)，通過輔助系統(tǒng)保持應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)邊坡數(shù)據(jù)自動化采集的目標(biāo)。