图1 采动边坡稳定性远程在线监测预警系统结构
李博1， 张拥军1， 李乾龙1, 柴佳乐1, 杨登峰1,2
(1.青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 266033；2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院， 北京 100083)
摘要：针对现有矿山边坡监测方法存在监测周期长、监测精度较低、无法实现实时及自动化监测等缺陷，设计了采动边坡稳定性远程在线监测预警系统，详细介绍了系统的设计原则和结构组成。该系统可实时监测采动过程中岩质边坡位移场的变化状态，并通过无线网络将实时监测数据传送至监控主机，实现了监测数据的可视化。该系统设有预警功能，可根据需要设置预警阈值，当坡体位移超过预警阈值时，系统自动报警。实际应用证明了该系统的可靠性。
关键词：露天矿； 煤炭开采； 边坡稳定性； 位移场； 滑坡监测； 监测预警； 数据采集； 无线传输
(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)
在露天矿开采中，滑坡灾害在各类灾害中最为频繁，极易导致巨大的经济损失和人员伤亡。近年来，随着我国资源、能源开发工程的不断发展，矿山开采活动的持续增强，矿区滑坡地质灾害日趋严重[1-3]。滑坡监测预警是矿区风险控制的主要手段，具有成本低、易实施的特点[4]。目前，常用的滑坡监测技术有大地测量法、GPS技术、地面摄影摄像技术、卫星遥测技术等[5-8]，这些技术为滑坡灾害的监测预警提供了新的研究方法和思路。我国多数矿山边坡监测采用大地测量法[9]，但这种方法监测周期长,劳动强度高,监测精度易受外界因素影响，无法实现实时自动化监测。为了提高监测精度，实现自动化监测及实时预警，本文设计了一套采动边坡稳定性远程在线监测预警系统，该系统可对多级边坡内部位移场进行实时监测，并通过无线网络将实时监测数据传送至监控主机，实现了监测数据的可视化。
1.1 系统设计原则及任务
采动边坡稳定性远程在线监测预警系统在设计时，遵循以下原则：
(1) 无干扰和少干扰,即尽量避免施工和监测之间的相互干扰。
(2) 监测点的布置既要具有代表性，又要体现特殊性。
(3) 安装和监测操作方法简单实用、经济合理[10]。
采动边坡稳定性远程在线监测预警系统安装完成后，将完成以下任务：
(1) 监视边坡的状况变化和运行情况。在发现不正常现象时及时分析原因，采取措施，防止发生事故，以保证生产的安全运行。
(2) 随时对观测资料进行分析，对边坡重点部位应力应变状况进行监测，为制定安全措施和评价生产状况提供依据。
(3) 定期进行观测资料的整编，为相关类似工程的设计、施工、管理和科研提供资料。
1.2 系统结构及功能设计
针对岩质边坡的特点，系统采用测斜仪监测岩质边坡采动过程中的水平位移，以反映边坡的变形情况。主要施工过程包括在露天矿边坡钻孔、安装测斜管、在测斜管内布置测斜仪、将各测斜仪连接到数据采集箱。
采动边坡稳定性远程监测预警系统以边坡变形监测理论和计算机技术为基础，采用基于客户/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)的架构，结合现场边坡破坏特征和破坏机理，形成边坡破坏种类数据库，实现数据的提取、检验和转换。系统结构如图1所示。
图1 采动边坡稳定性远程在线监测预警系统结构
采动边坡稳定性远程在线监测预警系统的功能模块包括数据自动采集模块、边坡变形显示模块、采动卸荷分析模块、数据管理模块、数据实时显示和预警模块5个部分。
(1) 数据自动采集模块。系统的数据自动采集功能是通过自动采集箱实现的。在无人值守情况下，自动采集箱在自动采集时间点(每隔30 min)向埋置于坡体内部的传感器(测斜仪)发送采集命令，传感器响应命令并将采集数据存储于自身传感器上，实现自动采集。
(2) 边坡变形显示模块。该模块可根据监测数据对边坡内部位移场、单点沉降和倾斜进行分析。系统监控主机提供传感器的布局图，可对每个传感器的历史数据进行查询，并根据不同传感器采集到的实时数据绘制出对应的走势图，实时显示边坡的变形情况，为系统的预警分析提供依据。
(3) 采动卸荷分析模块。边坡在采动卸荷作用下，由于岩体应力释放,产生向临空面方向的回弹变形，在此过程中应力重新分布，在边坡开挖一定深度范围内的岩体产生变形破裂现象。受爆破和开挖的影响，岩体的边界条件和力学参数处于动态变化中，常规的计算方法没有考虑力学参数的变化。系统通过对采集数据进行实时分析，在边坡的不同开挖阶段选用合适的力学参数;通过分析露天矿边坡在采动卸荷作用下不同开挖阶段的稳定性，对边坡变形预警阈值进行修正。
(4) 数据管理模块。该模块具有数据自动备份功能，方便用户操作。通过对比和分析传感器不同阶段的数据，可以发现不同时期边坡的应变场变化规律。
(5) 数据实时显示和预警模块。该模块能够根据所采集的历史数据进行智能分析，从而给出坡体的变形状态在一定时间段内的发展趋势，使决策管理人员能够及早发现问题，及时采取措施将事故消灭在萌芽状态，提高坡体安全性和可控性。此外，该模块提供了预警功能，用户可根据需要设置预警阈值，当坡体位移超过预警阈值时，系统自动报警。
2.1 石英石采场边坡概述
金川露天石英石矿位于甘肃省金昌市金川区，矿区范围内出露的地层有第四系、石炭—二叠系和下古生界，其中下古生界上组第四层为白色砂状石英岩，为本矿区的含矿层位。该层位层理不明显，矿物成分主要为石英，含少量绢云母、氧化铁、碳酸盐及微量锆石、电气石等。矿区受区域构造控制和南西、北东向的挤压，使含矿岩系形成NWW向的紧闭褶皱和断裂，并有一系列北东和北西向的剪切断裂伴生，加上矿区受开采影响，地表岩石普遍松动，裂隙发育，所以，矿区岩体非常破碎，工程地质条件较差。
石英石露天采场边坡矿经过多年开采，已形成长为1 200 m、宽为500 m、高为100 m的阶梯形露天采场,如图2所示。其中1 744、1 732、1 720、1 708、1 696 m共5个水平进入凹陷开采。目前采场逐渐由山坡开采向凹陷开采过渡，边坡稳定性对矿山安全生产的影响也越来越大，矿区很多区段边坡存在着极大的安全隐患，主要有1 846 m平台西部出现多条裂缝，且有不断扩大的趋势；1 792 m平台岩石松散，出现垮塌或崩落现象。随着采场的不断延伸及暴雨、地震等潜在的地质灾害的威胁，边坡治理问题日益凸显。
图2 金川集团石英石矿露天边坡
2.2 监测点的布置
依据系统设计原则及现场工程地质条件，综合考虑岩体内部断面位置、节理发育情况、施工难易程度、安全等多项因素，根据工程地质资料和数值模拟结果，在边坡1 768、1 780、1 792、1 816和1 826 m共5个平台上拉网式布置21个监测点(图3)，布设5个横断面，断面间距为40～80 m，测点高差为10～22 m，测点钻孔深度为14～22 m，每个钻孔安装3—5个测斜仪，共安装84个测斜仪。现场采用太阳能供电，为了能提供稳定的电能，在1 816 m平台增加一个分段供电箱。
2.3 监测方法及精度分析
根据现场的工程地质条件，在具有滑坡趋势的边坡区段布置监测点，采用测斜仪对边坡内部的变形进行监测，数据通过总线实时传送到自动采集箱内，并通过无线网络传输到监控主机，可准确监测边坡动态失稳过程，判断边坡的稳定性，及时对危险情况做出预警。
测斜仪是测量仪器轴线与铅垂线夹角的传感器，当传感器相对于铅垂线方向产生倾角θ时，由于重力作用，传感器中敏感元件相对于铅锤线方向摆动一个相同的角度θ，该角度通过高灵敏的石英换能器转换成电信号，经过数据分析处理，可以直接用读数仪显示被测点的角度变化量。监测系统使用的测斜仪的测量倾斜范围为0～±30°，测量精度为0.01°。
在监测过程中，坡体发生滑动时，埋设在坡体内部不同深度的角位移传感器会记录该信息并通过无线网络发送至远程终端，主机作为终端进行数据分析，通过识别、筛选角度变化的时间点，结合历史数据,给出滑体位移随时间变化的曲线(图4)，以反映边坡的变形趋势。图4中,3,8,13,18,23表示钻孔中安置的5个传感器到坡顶的垂直距离分别为3，8，13，18和23 m。系统设有报警功能，当坡体位移超过系统设置的预警阈值时，系统自动报警。
图3 监测点布置
图4 滑体位移随时间变化的曲线
3.1 数据传输
系统采用总线型架构，布设1根总线电缆和若干分支线电缆。将数据自动采集箱布置在1768平台、1792平台和1816平台上，系统每隔30 min向传感器发送采集命令，传感器采集数据后通过分支线电缆汇总至总线电缆，并传输至自动采集箱。采集完数据后，自动采集箱断掉总线电源，将富足电能存储到蓄电池，不仅节省了电力，也增加了仪器的安全性。系统数据传输过程如图5所示。
图5 系统数据传输过程
数据通过GSM移动网络发送至监控主机，系统采用的无线设备具有组网方便、传输稳定的特点，可确保数据传输的稳定性，任何传感器出现故障不会影响其他断面数据的传输，不会出现个别传感器坏掉引起整个系统瘫痪的事故。监控主机通过对数据的处理分析来实时监测边坡稳定性。
3.2 数据处理
在边坡稳定性状态监测过程中，数据采集模块定时读取传感器的数据，保存角度等原始数据到Excel表格。同时边坡变形显示模块根据不同传感器采集到的实时数据绘制出对应的走势图，实现边坡变形可视化。数据实时显示和预警模块根据采集的历史数据进行智能分析，给出坡体的变形状态在一定时间段内的发展趋势。边坡变形数据处理流程如图6所示。
采动边坡稳定性远程在线监测预警系统可对多级边坡内部位移场进行实时监测，并通过无线网络将实时监测数据传送至监控主机，实现了监测数据的可视化。系统具有组网方便、模块相互独立的特点，一个传感器出现故障不会影响系统的正常运行，可保证数据传输的稳定性。系统设有预警功能，当坡体位移超过系统设置的预警阈值时，系统自动报警。
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LI Bo1, ZHANG Yongjun1, LI Qianlong1, CHAI Jiale1, YANG Dengfeng1,2
Abstract：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.
Key words：open pit; coal mining; slope stability; displacement field; slope monitoring; monitoring and early warning; data collection; wireless transmission
文章编号：1671-251X(2016)11-0005-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.002
李博，张拥军，李乾龙,等.采动边坡稳定性远程在线监测预警系统[J].工矿自动化，2016,42(11)：5-9.
收稿日期：2016-05-20；
修回日期：2016-08-24；责任编辑：张强。
基金项目：国家自然科学基金项目(51234005-01，51574153)；山东省自然科学基金项目(ZR2014EEM043)。
作者简介：李博(1990-)，男，山东聊城人，硕士研究生，主要研究方向为矿山和隧道的监测预警，E-mail：45188193@qq.com。
中图分类号：TD824.73
文献标志码：A
网络出版：时间：2016-10-28 16:21
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1621.002.html