露天矿边坡自动化监测关键技术探析

张永兵 付慧

（黑岱沟露天煤矿生产技术部，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

边坡问题是我国露天煤矿开采最为广泛的地质灾害类型，其特点是突发性强且危害及损失巨大。露天煤矿边坡安全越来越受到重视，边坡监测手段也越来越多样化。数学监测模型在露天矿边坡中得到广泛的应用，工程人员借助监测模型可以对被监测状态的变化规律进行定量描述，在一定情况下，可以揭示状态量与影响因素间的定量关系，还可以借助模型进行反演分析，而在监测模型上的预测已经成为目前应用最广的预测方法。边坡监测自动化程度地提高能够有效地节省人力、提高效率、更能达到实时监测和预警的目的。

一、露天矿边坡自动化监测系统组成

（一）应力监测系统

应力监测采用应力锚索进行远程监测。由于岩体受力发生变形，边坡内部的应力随之发生改变，当下滑力超出岩石的强度，滑体沿滑面下滑，从而发生滑坡事故，因此，通过锚索施加应力来监测岩体内部的应力状况，当内部应力发生变化时，应力传感器会记录应力情况，及时掌握边坡动态，从而对滑坡进行预警和及时采取治理措施。传感器装置直接安装在锚索端部，应力发生变化后，传感器记录应力数据由采集系统进行数据的采集，通过GPRS传输到接收端。此外，边坡还布设辅助支持系统，由太阳能、蓄电池组和避雷针等构成，电池组根据使用情况应定期检修。

（二）位移监测系统

1.传感器系统。由布置在边坡上监测点的GPS 监测单元组成，对所有可见GPS卫星进行连续的观测，实时反应监测站的三维空间变化情况，进行监测点范围内地表位移变化数据的采集。2.数据传输系统。GPS接收机将获得的卫星原始数据转化为RT17数据流(RT17包含了GPS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据)，传输给GPRS模块，再通过无线网络传到控制中心，数据传输到中心服务器需要加设防火墙保证系统的安全。控制中心根据数据对应的IP地址和端口号，获得相应监测点的原始实时数据流。

二、自动化监测系统设计

（一）自动化监测系统

系统包括监测传感器，摄像机，自动化监测站（可分为采集功能和采集/处理功能两类，即采集站和管理站），自动化监测站房，线缆，电源及防雷接地装置等。现场自动化监测系统可包含 1 个或多个自动化监测站。自动化监测站可划分为户外式和户内式。户外式多为自动化监测采集站；户内式多为自动化监测管理站。一般现场应用户外式自动化监测采集站居多。自动化监测站设置一般符合下列规定：自动化监测站不应设置在具有较强电磁干扰设备附近。自动化监测站应有防火、防盗、防电磁干扰等防护设施。自动化监测管理站应配置监测管理软件和网络通信软件，应能对整个自动化监测系统的采集进行设置和管理。自动化监测管理站应设置在边坡稳定区域。

（二）监测中心系统

1.监测中心系统配置要求。系统包括控制室、监测数据分析、处理、显示、存储的软件和硬件设施，如数据服务器、微机工作站、打印机、显示终端或大屏幕、专用软件、电源设备及防雷接地装置等。监测中心一般符合下列要求：监测中心宜设置在露天煤矿调度中心；监测中心应配备计算机管理用的软硬件设施，满足露天煤矿安全生产管理的需要，并具备同远程上级主管部门进行数据通信功能；监测中心应配置调度和行政电话；能对监测数据进行初步的分析和简单的评价，根据预先设定的预警值进行报警，可实现手机短信、邮件、声光报警器等方式。2.自动化监测数据存储要求。所有原始监测数据应全部储存入数据库。数据存储应采用开放型的标准关系数据库，并具有足够的数据库容量和网络共享功能，良好的可扩充性和快速的检索功能；存储的监测数据应能够便于维护、定期自动的备份和数据库应用开发，备份的数据与主数据库存放在不同服务器中；所有监测历史数据可转换为TXT、Excel 等多种文件格式保存，并能够满足监测中心数据库对数据的备份、共享和数据传递等操作。存储的数据需要时可方便地提取，并可在通用的计算机中读取。

三、露天矿边坡自动化监测关键技术

整个自动化边坡监测系统包括GNSS、GPS 位移监测。整个监测系统中采用了传感系统、信息采集、信息传递与接收、数据处理方面；GPS 位移监测系统中包括传感系统、数据传输、处理分析方面。系统中设置了辅助系统，保证自动化监测作业精度。

（一）GNSS 系统结构

GNSS 系统作为一个全球性位置、时间的测定系统，涵盖了接收机、卫星星座等，有效弥补了传统卫星导航系统的不足。GNSS 系统结构中主要包括了全球设施、区域设施、用户部分、外部设施等，其中全球设施作为主体设施，区域设施可以视为一个增强系统。边坡自动化监测采用了高精度卫星导航准动态算法等，每个监测点都可以获取精准的数据参数，如地表位移结算的载波相位数据、星历数据等，借助无线网桥将数据信息传递给办公室控制服务器中。服务器对每个监测点IP 端口进行数据采集，得到原始数据信息。在服务器软件中实时计算得出检测点三维坐标，根据坐标变化检测位移情况。

考虑到岩体受到力的作用时，边坡内部位移也会产生变化，如果岩石强度低于下滑力度，岩体就会沿着坡面下滑，产生滑坡事故。GNSS 系统监测岩体内部情况，如果内部位移发生了变化，则传感器就会记录实际变化情况，掌握变动的位移动态范围。GNSS 系统设置了预警系统，一旦位移变化幅度过大或超过设定阈值，则系统会自动报警。位移监测系统中有位移传感系统、信号发射系统、数据采集系统构成；客户端中主要由数据接收系统、处理系统、分析系统构成，信号通过4G 移动无线传输网络远距离传输，接收端负责对信息进行分析和处理。

（二）位移监测系统

位移监测系统采用了GNSS 位移监测系统，位移监测系中的核心技术为：计算机技术、现代化测量技术、网络通信技术，该技术组合形式可以在不同天气和环境下实时呈现边坡变形量，实时分析边坡位移数据，对所采集的数据信息进行存储、分类、提取、统计等，为中心站提供报表、图形等信息，同样设置了预警系统，根据变形量阈值判定是否报警，为了边坡处理提供了决策依据。

（三）数据传输系统

GPS 接收机能够得到RT17 数据流，将数据流传递给移动通信模块，借助无线通信模块传递给控制中心模块，为了保证中心系统运行安全性，需要在中心服务器上增设防火墙，数据要经过防火墙过滤才会到达中心模块。控制中心数据接收不同端口和IP 地址、端口号一一对应，负责获取相应监测点数据流。

（四）数据处理分析系统

在边坡表面位移监测系统当中，数据处理是非常重要的部分，本次自动化监测系统中采取了C/S 架构的HCmonitor 软件，其中包含了三差解算法、非线性Kalman滤波，为了让数据处理精度进一步增加，系统同时采用了电离层改进模型，模型设置在中心服务器的应用服务器中，将监测点采集的原始数据通过HCmonitor 直接转化为三维坐标信息，并在数据服务器上统一存储，用户只需要打开web 服务器即可实现信息的浏览，也可以利用智能手机APP 直接观测边坡位移情况。内部位移监测系统当中，采用了高精度、高分辨率、高抗冲击的数字倾斜加速度计，金属外壳保证了密封性，可以通过钻孔分层埋设，对检测到各类建筑结构倾斜角度、位移量传递给服务器软件中进行分析。

（五）辅助系统

辅助系统可以保证位移监测系统正常运行，主要包含了外场机柜、配电系统、防雷系统、太阳能电池组、防雷系统等构成。在供电层面上，采用了两块50W 太阳能电池板以及150Ah 蓄电池组合形式，主要是为了在阴天环境下持续供电，理论上150Ah 蓄电池可以让监测站持续工作7d 以上。防雷系统采用直击雷防护形式，避雷针长度为1.8m，与U 型钢、接地线连接，预埋深度为0.5m，之后和地下扁钢地网共同构建避雷网。

综上所述，为了能够全面提高露天矿采集的安全性，需要做好边坡监测工作，面对灾害可以快速做出反应。借助信息技术、传感器技术、GPS 技术、计算机技术等，构建边坡自动化监测平台，合理运用监测技术，通过辅助系统保持应用系统的稳定性，这样才能够实现边坡数据自动化采集的目标。