露天礦邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

李玲玲等

摘 要：該文在科學原則下設計邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用GPS地表位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測相結(jié)合的方式，具有傳感器、數(shù)據(jù)通訊、現(xiàn)場輔助系統(tǒng)、控制中心四大功能模塊，能為礦山安全生產(chǎn)提供至關(guān)重要的監(jiān)測手段。

關(guān)鍵詞：邊坡 GPS 綜合監(jiān)測

中圖分類號：TB122 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0059-01

隨著露天礦礦山開采規(guī)模的增大，會形成人為的高大邊坡，高大邊坡的存在對露天礦的安全生產(chǎn)存在威脅，邊坡一旦滑坡直接導致附近工作的人員與設備受到傷害，對露天礦造成不可估量的經(jīng)濟損失，必須建立實時監(jiān)測措施，保障礦山安全生產(chǎn)。

礦山邊坡監(jiān)測的手段較多，最為常見的為地表位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測相結(jié)合的監(jiān)測方式。這是因為地表位移的變化是地下位移積累到一定程度在地表的體現(xiàn)，地下弱層的力學平衡的失調(diào)導致錯層的發(fā)生是前因，地表位移滑動體現(xiàn)是后果，由于地下弱層變化的發(fā)生到地表滑坡位移的發(fā)生有著一點的時間差異，地下位移發(fā)生之后的幾天或甚至更長時間才會在地表發(fā)生變化，所以地下位移監(jiān)測可很好的為地表位移的變化之間可相互印證。

地下位移與地表位移監(jiān)測方式的相互結(jié)合，將為礦山安全生產(chǎn)提供至關(guān)重要的監(jiān)測手段。

1 邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)設計原則

（1）邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)中需要建立主基準站，基準站應該并入礦區(qū)高精度的區(qū)域控制網(wǎng)中，以便于獲得的監(jiān)測點數(shù)據(jù)即為高精度的礦區(qū)坐標，便于應用。

（2）高精度GPS控制網(wǎng)要定時和國際IGS網(wǎng)聯(lián)測，然后通過GAMIT或Bernese軟件解算，每年可進行一次解算，判斷基站是否發(fā)生位移。

（3）系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集應該具備實時性，準確性與高精度性。避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包隱患，為災害預警提供準確依據(jù)。

（4）系統(tǒng)監(jiān)測點的布設應滿足露天礦相關(guān)安全標準，確保監(jiān)測效果的可靠有效。

（5）任何系統(tǒng)的建立，都不會盡善盡美，需要預留后續(xù)研發(fā)接口，使得系統(tǒng)具有開放性與可擴展性，同時，也最大限度的減少系統(tǒng)資金投入。

2 邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)應具備以下四大模塊。

（1）傳感器模塊：為表面GPS監(jiān)測設備、地下位移傳感器。

（2）數(shù)據(jù)通訊模塊：現(xiàn)場采集的GPS、地下位移傳感器數(shù)據(jù)由有線、無線等方式傳輸?shù)娇刂浦行模籊PS自動化監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主要通過以下方式：各監(jiān)測站和參考站原始GPS數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)娇刂浦行?。采用線纜進行數(shù)據(jù)通信時容易受到破壞，因此擬采用無線通訊的辦法。

（3）現(xiàn)場輔助模塊：包括現(xiàn)場雙太陽能供電、避雷系統(tǒng)、UPS機房供電系統(tǒng)、野外機柜等。

（4）控制中心模塊：由控制中心計算機服務器部分、數(shù)據(jù)解算部分和數(shù)據(jù)展示部分組成。

鑒于此，邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)由GPS地表位移監(jiān)測子系統(tǒng)和地下位移監(jiān)測子系統(tǒng)構(gòu)成。

3 GPS地表位移監(jiān)測子系統(tǒng)

地表位移監(jiān)測子系統(tǒng)由以下三部分組成。

（1）傳感器子系統(tǒng)：即由各GPS監(jiān)測單元組成，負責排土場邊坡不穩(wěn)定區(qū)位移監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集；

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸方式包括有線傳輸和無線傳輸，本方案設計采用GPRS無線傳輸方式，通過GPRS數(shù)據(jù)終端，將傳感器子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

（3）輔助支持系統(tǒng)：由監(jiān)測外場及監(jiān)控中心輔助整個GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)正常運行的設備組成，包括配電及UPS、防雷、綜合布線及外場機柜等子系統(tǒng)組成。

地表監(jiān)測點的布設應該確保場地平穩(wěn)，視野開闊的地帶，周圍障礙物的減少便于衛(wèi)星信號的接收，也便于數(shù)據(jù)的傳輸，同時監(jiān)測點要遠離大功率的無限發(fā)射設備防止電磁干擾，造成數(shù)據(jù)采集的不準確。

4 地下位移監(jiān)測子系統(tǒng)

地下監(jiān)測位置的選點盡量選擇與GPS監(jiān)測點相近的位置，這有利于驗證地下位移的變化與地表位移之間的關(guān)系。

（1）地下位移監(jiān)測-固定測斜方式。

該方式由四部分組成。

固定測斜傳感器：有布設在監(jiān)測孔中的傳感器組成，傳感器的數(shù)量根據(jù)孔深來確定，一般為2～5m一個傳感器，但有的為了節(jié)省成本可做到10m一個傳感器，數(shù)據(jù)形成的曲線細膩與否與傳感器數(shù)量成正比。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由通道數(shù)不等的數(shù)據(jù)采集器組成，采集器通道數(shù)與采用的傳感器的類型（單/雙軸）和數(shù)量有關(guān)，單軸傳感器占用一個通道，雙軸傳感器占用兩個通道，以此類推。

數(shù)據(jù)傳輸及輔助系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳輸采用無線的方式進行，采用太陽能系統(tǒng)進行供電。

數(shù)據(jù)處理與控制子系統(tǒng)：由布置在監(jiān)控中心的小型機系統(tǒng)、服務器系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。

（2）地下位移監(jiān)測之大量程位移監(jiān)測。

如果通過先期地質(zhì)勘探能夠得知滑層所在的位置，通過大量程位移計便可實時監(jiān)測滑坡的滑動量，由于大量程位移計地下位移監(jiān)測主要傳感器部分在地上，地下為5mm的鋼絲，故即使發(fā)生大范圍的滑動，系統(tǒng)仍能正常工作，繼續(xù)監(jiān)視滑坡的滑動情況。

大量程位移計監(jiān)測地下位移的特點：①系統(tǒng)抗拉能力較強，主要傳感器位移位移地表以上不易損壞；②量程大最大可達數(shù)米，功耗較低；③可實時監(jiān)測滑坡體的內(nèi)部位移情況；④測孔可以打的很深，安裝簡單易于操作。

5 邊坡綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能

（1）實時顯示功能。

系統(tǒng)監(jiān)控界面能夠讀取礦區(qū)地形文件，展現(xiàn)監(jiān)測點在地形文件中所處的實際位置，獲取的數(shù)據(jù)，實時在界面中顯示非常直觀。

（2）綜合預警功能。

系統(tǒng)分為三級預警閾值設定，分別代表三級不同破壞程度，當數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，能夠及時進行預警，預警采用聲光報警方式，同時可以針對不同級別的報警設計通知不同級別的礦領(lǐng)導，以便于做出及時決策。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)的保存功能。

系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)滿足5年的數(shù)據(jù)存儲，長期的觀測數(shù)據(jù)積累，對于邊坡變形情況分析有很大幫助

（4）系統(tǒng)報表功能。

系統(tǒng)可以按照需求生成不同形式的報表，可以是觀測數(shù)據(jù)報表，也可以是匯總報表，可以按時間段輸出，也可以按監(jiān)測點輸出，確保輸出形式多樣性。

（5）系統(tǒng)基礎信息錄入功能。

系統(tǒng)可以對監(jiān)測點進行增加、刪除、修改操作，可以設置報警值。

（6）系統(tǒng)曲線分析功能。

曲線分析能夠反映一段時間內(nèi)邊坡的變化情況，系統(tǒng)能夠生成沉降曲線、速度曲線、加速度曲線等，準確的反映出數(shù)據(jù)的變化趨勢，便于領(lǐng)導決策。

參考文獻

[1] 陳杰.GPS數(shù)據(jù)處理及其在邊坡沉降監(jiān)測中的應用[D].昆明：昆明理工大學，2008.

[2] 史博，楊國華.哈爾烏素露天煤礦邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)的應用[J].露天采礦技術(shù)，2014（9）：82-84.

[3] 鈕景付.哈爾烏素露天礦地質(zhì)災害在線監(jiān)測技術(shù)[J].煤礦安全，2014（9）：89-91.