大數(shù)據(jù)在露天礦山邊坡安全中的應用

康恩勝，趙澤熙，龐文娟

(1.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院；2.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)研究院；3.包鋼股份有限公司 煤焦化工分公司 研究室，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

在信息高速發(fā)展的今天，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算已經(jīng)逐步成熟。歐陽秋梅等基于安全大數(shù)據(jù)應用的3個價值來源，提煉出安全大數(shù)據(jù)應用的9條基礎原理，原理具有普適性，能夠適用于不同行業(yè)的安全相關問題[1]。露天開采是較為經(jīng)濟的開采方式，隨著開采深度的增加，礦山邊坡的高度和角度也逐漸增大，礦山邊坡的穩(wěn)定性越來越差[2]。對露天礦山邊坡數(shù)據(jù)加以監(jiān)測、收集與分析，進而采取有效地安全決策和控制措施，以減少邊坡安全事故帶來的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

1 對礦山邊坡大數(shù)據(jù)的采集

在大量的數(shù)據(jù)面前，如何更有效地采集、挖掘數(shù)據(jù)，是安全大數(shù)據(jù)有效利用的基礎。根據(jù)安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的5W2H采集法[3]，對礦山邊坡安全數(shù)據(jù)進行采集，篩選出有利用價值的安全大數(shù)據(jù)。

1.1 Why(采集原因)

露天礦山邊坡安全大數(shù)據(jù)的采集以傳感器采集為主，數(shù)據(jù)全面多樣，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)相比能更好地反應安全數(shù)據(jù)信息。大數(shù)據(jù)可以使用不同部門，如地質(zhì)、測繪、采礦等工程技術人員收集的數(shù)據(jù)，或不同類型、不同放置地點的傳感器采集的礦山邊坡數(shù)據(jù)，將不同來源的數(shù)據(jù)進行有效關聯(lián)整合。大數(shù)據(jù)采集方法可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不間斷采集與及時更新，大數(shù)據(jù)技術能夠快速、有效地發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值和事物的本質(zhì)[4]。因此，利用大數(shù)據(jù)技術采集礦山邊坡安全數(shù)據(jù)是有必要的。

1.2 Who(使用主體、采集者及采集對象)

數(shù)據(jù)使用主體包括安全監(jiān)督管理部門、礦山企業(yè)和相關研究機構等。數(shù)據(jù)的采集者即自動化的采集設備，可以通過邊坡災害監(jiān)測預警網(wǎng)絡系統(tǒng)對礦山邊坡數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實現(xiàn)礦山邊坡數(shù)據(jù)的可靠采集。采集者可以對多個傳感器或不同系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測，提高采集數(shù)據(jù)的精準度。采集對象包括礦山邊坡的巖體結(jié)構參數(shù)；位移、傾斜；應力應變、地形變化；地震、爆破震動；降雨量、氣溫、地表水和地下水的水位、水質(zhì)、水溫、泉流量、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的采集對象使用不同的采集方式，將采集到的礦山邊坡數(shù)據(jù)通過云計算進行匯總與整理。

1.3 What(采集數(shù)據(jù)類型)

礦山邊坡數(shù)據(jù)在采集時需要明確數(shù)據(jù)類型，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，分析確定礦山邊坡穩(wěn)定性，減少因節(jié)理、裂隙、層理、斷層和破碎帶以及極不穩(wěn)定的軟巖夾層和遇水膨脹的軟巖石等引起的邊坡的穩(wěn)定性降低，防止滑坡事故的發(fā)生。

①對礦山地質(zhì)數(shù)據(jù)的不間斷采集。包括采集巖石的物理力學性質(zhì)數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)、地質(zhì)構造數(shù)據(jù)。②在巖層進行開挖時，對上部變形數(shù)據(jù)進行采集。其變形量是隨斷層前部礦層開挖量的變化而變化的，查找不利于邊坡穩(wěn)定的巖體結(jié)構、構造和軟弱巖層。③對地表位移觀測線的數(shù)據(jù)進行采集。包括地表境界線數(shù)據(jù)、地下位移監(jiān)測線數(shù)據(jù)、邊坡上隨時間推移可移動的地面位移觀測線數(shù)據(jù)。④對滑坡數(shù)據(jù)進行采集。包括滑坡的周期及滑動規(guī)律數(shù)據(jù)、滑坡裂縫測量及調(diào)繪數(shù)據(jù)。

1.4 Where(采集邊界)

邊界可由項目實施人員完成，將多個傳感器(一般為60個以上)按一定間距(2m～15m)排列，通過無線網(wǎng)絡或電纜與傳感器相連接，利用物聯(lián)網(wǎng)技術采集數(shù)據(jù)，以增大傳感器的覆蓋面積和探測深度，保證在強干擾的環(huán)境下也能取得可靠數(shù)據(jù)[5]。通過采集數(shù)據(jù)與同地區(qū)礦山數(shù)據(jù)的比較，結(jié)合地質(zhì)模型和設計資料，進行三維地質(zhì)模型繪制，使用FLAC3D等軟件進行模擬計算，評估礦山邊坡穩(wěn)定性。

1.5 When(采集時間)

邊坡數(shù)據(jù)的采集時間，可以通過礦山邊坡上的傳感器進行實時監(jiān)控采集。礦山爆破作業(yè)會不同程度的影響邊坡巖體的穩(wěn)定，通過對邊坡巖體的爆破實時監(jiān)控，掌握爆破對邊坡的破壞情況，確保邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；雨季前或春季凍融時期，對有滑動跡象的邊坡進行實時數(shù)據(jù)采集，提出預報和處理意見，以便及時采取防護措施。

1.6 How much(采集數(shù)據(jù)量)

采集的邊坡安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)并非越多越好，應當根據(jù)礦山企業(yè)的需要按需求量采集數(shù)據(jù)。如礦山企業(yè)不同年份的邊坡安全數(shù)據(jù)，同一地區(qū)不同礦山企業(yè)的邊坡數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術，從海量的交互、高維、無序的自變量數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)潛在的，且能夠?qū)蛞蜃兞康挠杏眯畔?，將不必要的?shù)據(jù)省略或不采集，提高礦山邊坡數(shù)據(jù)的采集效率和精度[6]。

1.7 How(采集方法)

在采集礦山邊坡數(shù)據(jù)時，應根據(jù)經(jīng)濟承受能力合理選擇監(jiān)測設備，不同地區(qū)也應根據(jù)不同的地理條件選擇適合的設備[7]。

1.7.1 采集方式和工具。礦山邊坡大數(shù)據(jù)的采集將以傳感器為主，人工采集為輔助的采集方式。采用智能數(shù)據(jù)采集設備，解決網(wǎng)絡監(jiān)測功能與第三方應用需求分離的問題及重復建設數(shù)據(jù)采集平臺的問題[8]。利用網(wǎng)絡在大數(shù)據(jù)采集方面的作用與價值，選取高效的數(shù)據(jù)采集工具，以達到數(shù)據(jù)采集的目的。

1.7.2 采集技術。目前，對采集技術的研究集中在表面位移監(jiān)測技術、深部位移監(jiān)測技術、深部滑動力監(jiān)測技術。韋忠跟等采用邊坡雷達技術具有大范圍、高密度、快速掃描的特性，很快辨識并確認滑坡可能發(fā)生的位置和規(guī)模；臨滑階段速度倒數(shù)曲線的擬合能夠預報可能發(fā)生滑坡的時間，是滑坡預測預報的切實、有效的新方法[9]。孫光林等采用恒阻大變形錨索技術，通過振弦式載荷傳感器對邊坡下滑力的測量與提取，在加固邊坡的同時，能夠進行滑坡全過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測[10]。

2 礦山邊坡安全大數(shù)據(jù)采集中物聯(lián)網(wǎng)、云計算的應用

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的應用

物聯(lián)網(wǎng)技術的先進性、系統(tǒng)性和經(jīng)濟性特點使其能夠有效整合分散信息，在礦山安全預警領域均取得了明顯的應用成果[11、12]。將物聯(lián)網(wǎng)技術應用到露天礦山安全生產(chǎn)中，可以把礦山邊坡監(jiān)測設備建設成一個礦山物聯(lián)網(wǎng)，對礦山邊坡進行全天候監(jiān)控，保證數(shù)據(jù)的實時傳輸[13]。

2.1.1 對礦山邊坡全面感知。 利用邊坡雷達技術和GPS衛(wèi)星定位等技術，組成礦山邊坡傳感器系統(tǒng)，對邊坡面進行分區(qū)域掃描。將每個區(qū)域的掃描結(jié)果與此前獲得的數(shù)據(jù)進行對比分析，為礦山邊坡的穩(wěn)定性分析提供具有參考價值的數(shù)據(jù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 利用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)，實現(xiàn)礦山邊坡安全信息的分發(fā)和共享。由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡所有者。WSN中的傳感器通過無線方式通信，網(wǎng)絡設置靈活，可以將礦山邊坡監(jiān)測設備根據(jù)不同的開采時間、地點、方式隨時更換安放位置。

2.1.3 信息技術對數(shù)據(jù)的處理。 目前對信息的管理和利用，都是通過信息系統(tǒng)來完成的，各種系統(tǒng)也只有集成為綜合系統(tǒng)才能充分發(fā)揮作用。因此，可以利用信息系統(tǒng)技術，對采集到的礦山邊坡數(shù)據(jù)進行分析和處理，針對具體問題提出解決方法，實現(xiàn)決策和智能控制。

2.2 云計算的應用

大數(shù)據(jù)的管理和處理是云計算設施的用武之地。云計算利用廉價的節(jié)點來構成“云”，其超大規(guī)模的特性可以處理數(shù)以億計的數(shù)據(jù)；并且云計算使用了數(shù)據(jù)多副本容錯、計算節(jié)點同構可互換等措施來保障收集到的礦山邊坡數(shù)據(jù)的可靠性。云計算的自動化、集中式的管理模式使企業(yè)無須負擔數(shù)據(jù)中心管理成本，其通用性使資源的利用率較之傳統(tǒng)系統(tǒng)大幅提升[14]。

3 結(jié)束語

隨著信息化時代的來臨，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)及云計算技術的優(yōu)勢也日益明顯，而它們也將成為提高露天礦山安全水平的重要技術。礦山邊坡的安全離不開邊坡的實時監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術可以進行實時監(jiān)測，得到礦山企業(yè)需要的邊坡安全大數(shù)據(jù)，加之以云計算技術的處理能有效地為礦山企業(yè)提供支持，防止邊坡事故的發(fā)生。