露天礦邊坡自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

王安玉，姜 莉，吳全付，謝順祥，高志軒，韋學(xué)林，李 霖

（1.云南萬仕維科技有限公司，云南 昆明 650000；2.建水縣福運煤業(yè)有限責任公司，云南 建水 654300；3.文山州煤業(yè)有限責任公司，云南 文山 663000）

為了預(yù)測預(yù)警滑坡災(zāi)害事故，露天礦逐步采用自動化監(jiān)測技術(shù)方案，替代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方案，實現(xiàn)自動化、全天候、適時在線、連續(xù)性地監(jiān)測，測存海量數(shù)據(jù)，有利于提升測量精度，成果可靠性好[1]。

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)自動計算、生成數(shù)據(jù)成果表，反映監(jiān)測點在某周期內(nèi)的三維坐標方向上的變形量。在自動化監(jiān)測系統(tǒng)的軟件中可預(yù)設(shè)“閥值”，如監(jiān)測到數(shù)據(jù)超限，系統(tǒng)會自動預(yù)警。但因邊坡地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)迥異，滑坡臨界點也各不相同；某些邊坡有可能超限“規(guī)范閥值”，卻仍然安全；某些邊坡有可能未達“規(guī)范閥值”，卻已形成滑坡[2]。在日常生產(chǎn)中，“閥值”警醒管理人員，及時檢查分析數(shù)據(jù)異常。

要研判邊坡的穩(wěn)定性，變形過程至關(guān)重要，這需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)細化、深入分析。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)樣本，找出變形數(shù)據(jù)異常點；深入挖掘、細化分析異常點監(jiān)測數(shù)據(jù)，以時間節(jié)點為橫軸、變形速率和累計變形量為縱軸，繪制變形曲線圖，解析變形過程；關(guān)聯(lián)分析異常變形與降雨量、生產(chǎn)擾動等外因潛在的關(guān)系，確定變形誘因；對比同監(jiān)測斷面、同監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的多個監(jiān)測點數(shù)據(jù)和曲線圖，分析變形范圍和規(guī)模[3]。再結(jié)合邊坡地質(zhì)和力學(xué)結(jié)構(gòu)，預(yù)測邊坡變形未來發(fā)展趨勢，研判邊坡穩(wěn)定性，為預(yù)測預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 邊坡變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)概要

露天礦邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)可看作用于變形監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)，布設(shè)在邊坡上的傳感器是感知層，傳輸數(shù)據(jù)的有線或無線網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)層，監(jiān)測監(jiān)控中心的計算機、監(jiān)測軟件、顯示和預(yù)警設(shè)施設(shè)備是應(yīng)用層。變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖如圖1。

圖1 變形監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖

通常在邊坡上布設(shè)監(jiān)測應(yīng)力、應(yīng)變、環(huán)境變化的傳感器，監(jiān)測表面位移、深部位移、沉降、地下水位、裂縫、壓力、拉力、降雨量等多項數(shù)據(jù)指標，全天候地按預(yù)設(shè)的頻率采集的信號，再通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至計算機，安裝在計算機上的監(jiān)測軟件，對傳輸來的信號進行解譯，轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解算、平差、分析，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)日報、周報、月報等成果表，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的授權(quán)，主動分發(fā)監(jiān)測信息給相關(guān)技術(shù)人員和管理人員[4]。

監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)通常設(shè)置每小時生成1 期成果數(shù)據(jù)，日積月累，數(shù)據(jù)量越來越大，可靠性也越來越高，可真實、完整地記錄每個監(jiān)測點的變形過程?？刹町惢匕磦鞲衅黝愋?、監(jiān)測點位置，設(shè)定累計變形量、變形速率的預(yù)警“閥值”。系統(tǒng)自動比對最新監(jiān)測值和預(yù)警“閥值”，如超限即按預(yù)設(shè)授權(quán)分級預(yù)警，監(jiān)測中心聲光報警器預(yù)警，同時以短信、微信等方式，發(fā)布預(yù)警信息到相關(guān)人員的智能手機。

2 邊坡變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用挖掘

雖然系統(tǒng)具有自動預(yù)警功能，但仍有必要對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行挖掘分析。每當系統(tǒng)預(yù)警，需要快速分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，找出問題所在，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供依據(jù)。如有地震發(fā)生，要及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估地震對邊坡的影響。每到重要施工節(jié)點，需要分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，輔助制定后續(xù)施工計劃。每個監(jiān)測周期，也要分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，編制監(jiān)測報告存檔備查[5]。

在分析監(jiān)測數(shù)據(jù)時，通常先總體、后個體、再拓展關(guān)聯(lián)，從監(jiān)測數(shù)據(jù)成果表中找出變形量大的異常監(jiān)測點，分析其變形過程、變形原因，再拓展分析其四鄰監(jiān)測點變形情況，以實現(xiàn)快速分析、重點分析、精準分析。

要具體判斷滑坡的可能性，需要繪制監(jiān)測點變形量曲線圖、變形速率曲線圖、變形量與降雨量關(guān)聯(lián)分析圖、同斷面（或同區(qū)域）多個監(jiān)測點變形量對比曲線圖、變形速率對比曲線圖等，圖形和數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合分析[6]。

2.1 解析變形過程

分析樣本數(shù)據(jù)中監(jiān)測點數(shù)據(jù)記錄，解析還原變形過程，提取蠕動變形、等速變形、加速變形、臨滑等不同變形破壞階段的數(shù)據(jù)特征和曲線圖特征，判斷監(jiān)測點當前所處變形階段[7]。

2.1.1 蠕動變形階段特征

蠕動變形階段，數(shù)據(jù)無規(guī)律、小幅度變化，變化原因可能是測量精度、早中晚溫差、生產(chǎn)活動干擾等。2021 年4—7 月G8 監(jiān)測點變形量曲線圖如圖2（變形速率圖略）。

圖2 2021 年4—7 月G8 監(jiān)測點變形量曲線圖

由圖2 已知：各方向上的變形量較小，波動變化幅度也很小，曲線圖呈變動、回歸、無規(guī)律變化。由此可得各方向變形速率小幅波動變化，偶爾跳變又迅速回歸，長期貼近0 值波動。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形量曲線和變形速率曲線分析研判，該監(jiān)測點所處區(qū)是穩(wěn)定的。

2.1.2 等速變形階段特征

等速變形階段數(shù)據(jù)持續(xù)變大或變小，短期內(nèi)變化幅度較小，每日變形量相當，長期累計變形量不斷增大，變化趨勢明顯[8]。變形速率小，貼近于某個數(shù)值波動。2021 年4—7 月G11 監(jiān)測點變形量曲線圖如圖3（變形速率圖略）。

由圖3 已知：x 方向曲線持續(xù)向下傾斜，y 方向曲線、xy 平面曲線、xyh 三維曲線持續(xù)向上傾斜，短期內(nèi)波動很小，長期變化趨勢明顯，變形量曲線圖近似1 條斜線，曲線的切線斜率基本一致。

圖3 G11 監(jiān)測點變形量曲線圖

從監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形量曲線和變形速率曲線來分析，該監(jiān)測點處于等速變形階段，雖然目前的累計變形量和變形速率均較小，但日積月累，累計變形量會不斷增大，增大到臨滑界值或受擾動因素影響時，可能會形成滑坡。

2.1.3 加速變形階段特征

加速變形階段累計變形量絕對值持續(xù)變大，短期內(nèi)日均變形量大幅度增加，累計變形量也大幅度增大。2021－07－15 至2021－07－31G6 監(jiān)測點變形量與降水量關(guān)聯(lián)曲線圖如圖4（變形速率圖略）。

圖4 2021－07－15 至2021－07－31G6 監(jiān)測點變形量與降水量關(guān)聯(lián)曲線圖

由圖4 已知：G6 監(jiān)測點數(shù)據(jù)，2021 年7 月25 日0 時—2021 年7 月31 日23 時，x 方向變形量從－3.7 mm 變化到48.2 mm，y 方向變形量從40.1 mm變化到165.4 mm，z 方向變形量從－23.7 mm 變化到－80.5 mm，短短7d 內(nèi)形成了較大的變化量。

G6 監(jiān)測點2021 年4 月15 日至2021 年7 月25日呈蠕動變形、等速變形，自2021 年7 月25 日起，加速變形，變形曲線急劇偏離橫軸。2021 年7 月28日起變形量再次大幅增加，變形曲線的切線角再次明顯增大。

G6 變形速率曲線圖變化趨勢與變形量曲線圖變化趨勢一致，前期緊貼橫軸波動，7 月25 日起急劇加速，7 月28 日速率再次增大，從加速變形階段進入臨滑階段。

2.1.4 臨滑階段特征

如圖4G6 監(jiān)測點變形過程，經(jīng)歷了明顯的蠕動變形、等速變形、加速變形、臨滑4 個階段。變形速率從2021 年7 月25 日的5.5 mm/d，發(fā)展到7 月28 日的28.2 mm/d。2021 年7 月26 日累計變形量和變形速率都持續(xù)增大，曲線圖切線角有明顯拐點，初次預(yù)警。7 月28 日變形量和變形速率再次急劇增大，曲線圖切線角再次出現(xiàn)明顯拐點，再次預(yù)警。后續(xù)變形速率雖然有回落，但變形量持續(xù)增大，滑坡趨勢已不可逆轉(zhuǎn)，G6 監(jiān)測點所在區(qū)域于2021 年7 月31 日23點后垮塌。

2.2 變形誘因

在露天礦生產(chǎn)活動中，采場往深部開拓，排土場往高堆排，形成了較大的高低差，受到外部因素影響時，有可能會形成滑坡地質(zhì)災(zāi)害[9]。降雨是發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一，生產(chǎn)過程中的機械擾動、爆破振動、地震等也是誘因，當擾動因素發(fā)生后，要及時分析數(shù)據(jù)、研判邊坡變形情況[10]。

如圖4 變形量與降雨量關(guān)聯(lián)圖，2021 年7 月25日礦區(qū)暴雨，短時間內(nèi)降雨量達到53.5 mm，是變形加速的誘因。27、28 日持續(xù)降雨，進一步影響邊坡的穩(wěn)定性，累計變形量不斷增加，導(dǎo)致2021 年7 月31日發(fā)生了局部垮塌。

2.3 變形范圍和規(guī)模

各個監(jiān)測點累計變形量監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

由表1 可知：①北幫雖然累計值均很小，但相較而言x 方向的累計變形量較其它方向變形量大，北幫地形呈北高南低，具備從北往南滑移的現(xiàn)實條件，從監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量來看，各監(jiān)測點變形趨勢基本一致，整體從北往南蠕動滑移；②排土場各監(jiān)測點累計變形量，y 方向值比其它方向值大。排土場地形呈西高東低，具備從西往東滑移的客觀條件從數(shù)據(jù)來看，各監(jiān)測點存在幅度不一的自西向東的蠕動變形。

由表1 還可看出：從同處排土場區(qū)域的G1、G2、G3、G4、G5、G6 6 個監(jiān)測點數(shù)據(jù)來看，各監(jiān)測點累計變形量存在明顯差異，排土場頂部堆排時間相對較短，位于頂部的G1、G3 2 個監(jiān)測點累計變形量較大，經(jīng)分析因堆排時間較短、處于自穩(wěn)定期，屬于正常變形；G2 監(jiān)測點各方向上的累計變形量都較小，其所在區(qū)域穩(wěn)定；G6 監(jiān)測點所處區(qū)域堆排時間較久，變形量大，且呈加速變形趨勢，與其橫向相鄰的G4、縱向相鄰的G5 2 個監(jiān)測點變形速率也較大，經(jīng)分析G6 監(jiān)測點所在區(qū)域積水而導(dǎo)致變形；2021 年7 月26 日后連續(xù)多日降雨，受雨水浸泡影響加速變形，各監(jiān)測點累計變形量差異較大，變形量較大的G4 和G5 2 個監(jiān)測點所在區(qū)域，都發(fā)現(xiàn)了地表裂縫；變形量最大的G6 監(jiān)測點所在區(qū)域，形成局部垮塌。

表1 各個監(jiān)測點累計變形量監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

1）邊坡變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測周期越長，監(jiān)測數(shù)據(jù)涵蓋的時間段越長，更能真實反映邊坡變形發(fā)育過程。

2）解析邊坡變形發(fā)育過程，提取監(jiān)測點數(shù)據(jù)特征、變形量曲線圖特征和變形速率曲線圖特征，能快速準確判定邊坡變形所處階段。

3）露天礦滑坡災(zāi)害形成的過程中，雖然采動形成的高低差是成因，但暴雨、地震等可能會成為誘發(fā)因素。當擾動因素發(fā)生后，要及時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，研判邊坡受到影響后的情況。

4）分析監(jiān)測點、監(jiān)測斷面、監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)、變形量曲線圖、變形速率曲線圖，能有效輔助診斷變形范圍和規(guī)模。

5）結(jié)合邊坡地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)，綜合分析變形過程、變形誘因、變形范圍和規(guī)模，能更好地預(yù)測變形發(fā)展趨勢，實現(xiàn)科學(xué)準確地預(yù)判預(yù)警。