露天礦山邊坡安全管控平臺設計與實現(xiàn)

摘 要：受環(huán)境以及地質條件等因素的影響，露天礦山邊坡的穩(wěn)定性處于實時動態(tài)變化的狀態(tài)，難以準確修正邊坡的空間屬性數(shù)據(jù)，從而導致邊坡位移量監(jiān)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(xiàn)。根據(jù)平臺的基本功能，設計邊坡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行修正，從而求取邊坡最大位移值，進而監(jiān)測邊坡的安全狀況和風險等級?；诖耍脚_根據(jù)邊坡風險等級制定相應的風險管控策略，由此實現(xiàn)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(jiān)測邊坡的位移量，管控性能更優(yōu)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(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)，直接關系到礦山作業(yè)的安全和穩(wěn)定。隨著礦山規(guī)模不斷擴大，邊坡安全問題日益突出，傳統(tǒng)的邊坡安全控制方法已不能滿足現(xiàn)代礦山的安全需求。因此，設計和實現(xiàn)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(lián)網(wǎng)傳感技術感知邊坡的實時狀態(tài)信息，通過云計算、模糊識別等技術評估災害發(fā)生的可能性，為科學決策提供有力依據(jù)。該系統(tǒng)可以實時傳輸感知信息，實現(xiàn)高效統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲和管理。但目前物聯(lián)網(wǎng)技術在實際應用中沒有與傳統(tǒng)技術完全集成，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成和處理不足，影響了監(jiān)測的全面性和準確性。文獻[2]從礦山邊坡相關數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，并通過構建邊坡安全模型，以實現(xiàn)邊坡安全管控的目標。該系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)CNN需要大量訓練樣本的限制，縮短了訓練時間。然而，如果數(shù)據(jù)中存在噪聲或缺失值，就可能會影響監(jiān)測的準確性。

針對上述分析，為提高露天礦山邊坡安全監(jiān)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(shù)據(jù)采集傳感器

邊坡數(shù)據(jù)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(shù)，并及時傳輸給監(jiān)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(shù)見表1。

根據(jù)邊坡的實際情況和監(jiān)測需要，在易滑坡區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)，包括設置采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸間隔、報警閾值等，傳感器根據(jù)設定的采樣頻率連續(xù)采集數(shù)據(jù)，并通過內置的無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ慕邮赵O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(shù)的過程中，數(shù)據(jù)的接收、處理和分析環(huán)節(jié)至關重要。為了確保數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在高速傳輸?shù)耐瑫r保持穩(wěn)定。其內置的通信協(xié)議棧經(jīng)過優(yōu)化，能夠在復雜網(wǎng)絡環(huán)境下提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)多源數(shù)據(jù)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(xiàn)場設備的開關、調節(jié)等動作。通過預設的控制邏輯和算法，可以實現(xiàn)設備的自動化管理和智能控制，提高監(jiān)測系統(tǒng)的運行效率和安全性。定位模塊支持GPS/GLONASS/北斗等多種衛(wèi)星定位格式，具備高精度、高可靠性的定位能力。在邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中，定位模塊可以實時獲取監(jiān)測點的地理位置信息，為數(shù)據(jù)的空間分析和可視化展示提供重要依據(jù)。電源模塊是保障設備穩(wěn)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(shù)據(jù)要求低的情況下能夠長時間穩(wěn)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(huán)境下的安全性。

視頻采集處理模塊是MGTR-W4G的另一個創(chuàng)新點。該模塊支持高清視頻監(jiān)控和圖像采集功能，可以實時獲取現(xiàn)場圖像并通過內置處理模塊進行圖像分析和數(shù)據(jù)疊加。從而提高了監(jiān)測系統(tǒng)的直觀性和實時性，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供了重要支持。在數(shù)據(jù)處理和分析方面，MGTR-W4G還具備強大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的算法庫。通過內置的數(shù)據(jù)處理引擎和算法庫，可以對采集的數(shù)據(jù)進行實時分析、處理和存儲。同時，用戶還可以根據(jù)實際需求自定義算法和模型，實現(xiàn)更精準和高效的數(shù)據(jù)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(fā)送的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并使用內置的處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理、驗證和初步分析；處理后的數(shù)據(jù)將通過4G網(wǎng)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(jiān)控分析。該設備在平臺中起著數(shù)據(jù)接收、處理、上傳和遠程控制的多重作用，為邊坡安全監(jiān)測預警提供了數(shù)據(jù)基礎。

對邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jiān)測

以邊坡數(shù)據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)為基礎，對邊坡地表位移監(jiān)測點的變化進行分析，由此確定邊坡是否失穩(wěn)。

假設在邊坡的關鍵區(qū)域共布設了N個監(jiān)測點，每個監(jiān)測點中誤差如公式（1）所示。

（1）

式中：a0為數(shù)據(jù)采集頻率；ιt為監(jiān)測時間；ei為第i個監(jiān)測點位的監(jiān)測誤差。

根據(jù)已有的巖土體物理力學參數(shù)數(shù)據(jù)，基于經(jīng)驗擬合方法對歷史邊坡位移數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行疊加擬合[5]，如公式（2）所示。

（2）

式中：αs為擬合參數(shù)；A0為邊坡土體的彈性模量；mk為數(shù)據(jù)間的多元聯(lián)系數(shù)。

在系統(tǒng)運行過程中，需要根據(jù)邊坡的實時狀態(tài)對邊坡屬性進行修改，以對邊坡空間數(shù)據(jù)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(shù)。

確定當前邊坡的最大位移量，如公式（4）所示。

（4）

式中：τc為監(jiān)測點預測值與實測值之間的聯(lián)系數(shù)；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(wěn)狀態(tài)；如果L≤ψ，就表明邊坡為安全狀態(tài)。由此實現(xiàn)對邊坡安全的監(jiān)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(jiān)測技術對研究區(qū)域的礦山邊坡進行持續(xù)、高精度的位移監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過智能遙測終端機MGTR-W4G實時傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。運用專業(yè)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件對接收的位移數(shù)據(jù)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(fā)風險預警機制。預警信息將通過多種渠道進行發(fā)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(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，平臺將運用數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(huán)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(fā)送至相關部門和人員，供其參考和決策。同時，平臺還將持續(xù)監(jiān)測邊坡的安全狀況，并根據(jù)實際情況調整和完善風險管控方案，確保邊坡的安全穩(wěn)定。風險等級劃分見表2。

平臺根據(jù)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(jiān)測邊坡動態(tài)，利用高精度傳感器和實時數(shù)據(jù)傳輸技術，確保能夠實時反饋數(shù)據(jù)。一旦監(jiān)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(wěn)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(jiān)測，通過增加監(jiān)測點來提高監(jiān)測的覆蓋范圍和精度，并增加監(jiān)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(tǒng)和改善邊坡植被等加固措施，可以有效減少水害對邊坡穩(wěn)定性的影響，并增強邊坡的自然穩(wěn)定性。3）三級風險。定期評估和監(jiān)測邊坡的穩(wěn)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(qū)域，例如填補裂縫、加固松動土體等。同時，加強排水系統(tǒng)的維護，確保排水暢通，防止水害影響邊坡穩(wěn)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(tài)。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(tǒng)。建立邊坡安全檔案，記錄邊坡的狀態(tài)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(jù)。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(wěn)定的狀態(tài)。

管控平臺根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性、地質條件、環(huán)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(wěn)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(wěn)定性監(jiān)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(qū)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(jù)近期的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)，邊坡整體穩(wěn)定性較好，但局部區(qū)域存在小范圍滑坡和崩塌的風險。

3.2 測試準備

試驗環(huán)境包括邊坡監(jiān)測設備、數(shù)據(jù)傳輸設備、數(shù)據(jù)處理服務器等；軟件部分包括數(shù)據(jù)接收、處理、分析和預警模塊。試驗過程中對邊坡的監(jiān)測頻率為1次/h，并實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)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(fā)預警機制。

試驗過程如下：在邊坡區(qū)布設7個監(jiān)測點位，并安裝測斜儀、位移儀、應力儀等監(jiān)測設備，確保其穩(wěn)定性和可靠性，并將其連接到數(shù)據(jù)采集器上；啟動傳感器，開始對各種坡度數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務器；數(shù)據(jù)處理服務器在接收到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提供實時警報，并根據(jù)分析結果調整監(jiān)測參數(shù)或采取相應的加固措施。

3.3 測試結果

為體現(xiàn)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(jiān)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(wěn)定性監(jiān)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(jiān)測邊坡的安全性，并根據(jù)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(jiān)測技術、數(shù)據(jù)分析算法和預警機制，實現(xiàn)了邊坡安全狀況實時監(jiān)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(wěn)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(chǎn)領域的進步和發(fā)展。

參考文獻

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