軟巖露天礦iSlope 系統(tǒng)平臺研究

王 勇，郭子鈺，張雷雷

（1.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.撫順石化工程建設(shè)有限公司，遼寧 撫順 113000）

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，我國新階段的工業(yè)發(fā)展模式發(fā)生了深刻變革[1－4]，作為我國最重要的能源支柱，煤炭行業(yè)迎來重要機遇期，如何趕上此次產(chǎn)業(yè)革命，是目前煤炭行業(yè)迫切需要解決的問題。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，“智能開采”、“智慧礦山”、“透明礦山”的提出[5]，為煤炭行業(yè)未來發(fā)展提供了方向，建設(shè)智慧礦山是未來煤礦發(fā)展的一個必然趨勢[6]。

我國露天煤礦產(chǎn)量約占全國煤炭總產(chǎn)量的15%～17%[7]，其中露天煤礦大多為軟巖露天煤礦。軟巖的單軸抗壓強度在0.5～30 MPa，而且軟巖在世界上分布廣泛，約為地球表面巖體的50%左右[8]，軟巖的力學特性復(fù)雜，具有黏性、彈性和塑性等單一或多種特性，對于邊坡的影響較大，在巖土工程界，軟巖一直是重要的研究課題。而隨著露天礦產(chǎn)資源的開采，高陡邊坡數(shù)量逐漸增加，再加上軟巖的特性，致使軟巖露天煤礦易發(fā)生滑坡事故，根據(jù)2001—2007 年數(shù)據(jù)統(tǒng)計，露天礦邊坡滑坡坍塌事故1 951起[9]，近年來隨著采礦工程活動以及外界環(huán)境影響，滑坡事故增多，嚴重影響我國露天煤礦安全生產(chǎn)、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展，煤炭行業(yè)急需研發(fā)、應(yīng)用、推廣能夠解決現(xiàn)存問題的關(guān)鍵技術(shù)，以服務(wù)于我國煤礦智能開采及智慧礦山建設(shè)的目標。軟巖露天礦邊坡模型的構(gòu)建和穩(wěn)定性分析是復(fù)雜的動態(tài)問題，評估露天礦邊坡安全性僅靠分析典型邊坡情況難以代表復(fù)雜的地形條件，而傳統(tǒng)上礦山穩(wěn)定性通過安全系數(shù)代表礦山穩(wěn)定情況，也很難評判礦山邊坡的穩(wěn)定性，尤其是軟巖邊坡。

目前，軟巖邊坡的傳統(tǒng)問題仍然存在，例如露天礦邊坡的三維建模、露天礦穩(wěn)定性分析、露天礦邊坡加卸載條件復(fù)雜、邊坡加固提穩(wěn)費用高以及預(yù)警難度大等問題，而且智能化方面受到復(fù)雜地形以及智能設(shè)備的制約，智能數(shù)字化難度高，由于以上等問題的制約，軟巖露天礦實時分析難以實現(xiàn)，針對這一系列復(fù)雜問題，提出了軟巖露天礦iSlope 系統(tǒng)。

1 iSlope 系統(tǒng)介紹

iSlope 系統(tǒng)是一個調(diào)查（investigation）、信息（information）、識別（identify）、交互（interaction）、智能（intelligence）、創(chuàng)新（innovation）的礦山邊坡智能控制平臺系統(tǒng)，系統(tǒng)框架融合了地質(zhì)信息、試驗、三維地質(zhì)模型、監(jiān)測預(yù)警與加固、智能決策大腦等多個體系，能夠?qū)崟r更新礦山狀態(tài)、多體系評判穩(wěn)定性狀況、與露天礦智能生產(chǎn)系統(tǒng)的信息交換、與生產(chǎn)管理系統(tǒng)協(xié)同管理的智能化系統(tǒng)。iSlope 系統(tǒng)框架示意圖如圖1。

圖1 iSlope 系統(tǒng)框架示意圖

iSlope 系統(tǒng)包括地質(zhì)信息系統(tǒng)、試驗系統(tǒng)、三維地質(zhì)模型系統(tǒng)以及智能決策大腦系統(tǒng)，其中地質(zhì)信息系統(tǒng)是iSlope 系統(tǒng)的核心重點，iSlope 系統(tǒng)中子系統(tǒng)都是在地質(zhì)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行下一步研究，子系統(tǒng)間相互反饋信息，實現(xiàn)實時分析軟巖露天礦的狀態(tài)，包括反饋礦山在各個階段時期的狀況，以及為后續(xù)工作提供基礎(chǔ)信息。iSlope 系統(tǒng)是重采集，重分析，重監(jiān)測，重反饋，集智能化、信息化、安全化、高效化于一體。

2 地質(zhì)信息系統(tǒng)

露天礦通常具有地形復(fù)雜、面積廣、深度大等特點，露天煤礦開挖形成的大多為軟巖邊坡，其滑坡的數(shù)量多、規(guī)模大，因此進行軟巖露天礦邊坡安全評判的前提就是對復(fù)雜邊坡地形進行智能識別，對地質(zhì)構(gòu)型進行感知，故iSlope 系統(tǒng)中最重要的組成部分為地質(zhì)信息搜集，包括人工、智能化、二者相結(jié)合勘察以及巡檢機器人輔助，通過這些手段來獲取露天礦的基本地質(zhì)信息，對一些比較重要的區(qū)域，可以提高勘察精度和頻度。例如在黑岱溝露天煤礦，已經(jīng)應(yīng)用傾斜攝影技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從1 個垂直、4 個傾斜等5 個不同的同步采集影像[10]，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界，黑岱溝露天煤礦應(yīng)用該技術(shù)智能識別排土場區(qū)域的地質(zhì)信息。后續(xù)地質(zhì)信息系統(tǒng)根據(jù)三維建模需求，加入其他遙感影響技術(shù)。

2.1 智能化勘察

針對復(fù)雜露天礦邊坡地形智能識別技術(shù)難題，擬利用衛(wèi)星定位無人機地形遙感技術(shù)以及地面雷達系統(tǒng)，對復(fù)雜露天礦地質(zhì)體定期進行全地形掃描，獲取不同時期軟巖露天礦邊坡的坡度發(fā)展、地形變化、地層信息、地質(zhì)構(gòu)造以及現(xiàn)場出水點等重要信息，通過擬開發(fā)自動化識別插件進行數(shù)字化數(shù)據(jù)處理，根據(jù)數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型并定時更新模型信息。將無人機掃描數(shù)據(jù)接入iSlope 系統(tǒng)平臺內(nèi)，平臺內(nèi)部采用機器學習、自動化處理等技術(shù)，對露天礦邊坡地形的智能分類、識別。智能化勘察示意圖如圖2。

圖2 智能化勘察示意圖

2.2 人工勘察

由于地質(zhì)體非常復(fù)雜，憑借現(xiàn)在智能化勘察技術(shù)，不能完全再現(xiàn)真實的礦山地質(zhì)環(huán)境，有些地質(zhì)信息需要進行人工勘察，采用傳統(tǒng)的勘察手段，例如鉆探、井探、槽探、硐探以及地球物理勘探等，除了上述的一些傳統(tǒng)勘察手段，針對復(fù)雜地質(zhì)體地層，提出分布感知技術(shù)，即結(jié)合傳統(tǒng)勘察與擬研發(fā)自掘進勘探機器人，對復(fù)雜地質(zhì)體地層分布、透鏡體形式等重要地層信息進行探知，在iSlope 軟件平臺內(nèi)搭建地質(zhì)信息系統(tǒng)，并采用機器學習技術(shù)，對感知獲取的地質(zhì)信息進行預(yù)測和處理，形成復(fù)雜地質(zhì)體地層分布情況。人工與智能化勘察示意圖如圖3。

圖3 人工與智能化勘察示意圖

3 三維地質(zhì)模型系統(tǒng)

三維地質(zhì)模型系統(tǒng)是在獲取地質(zhì)體的基本信息基礎(chǔ)上，建立三維地質(zhì)模型，故基于復(fù)雜地質(zhì)體智能識別與感知技術(shù)，獲得的軟巖露天礦邊坡地形和地層數(shù)據(jù)，搭接iSlope 智能數(shù)據(jù)整合分析平臺，結(jié)合BIM 進行模型底層設(shè)計和構(gòu)建，將地形構(gòu)型（profile）、地質(zhì)分布、水文情況、氣候變化以及模擬分析結(jié)果進行多通道整合，完整展示、分析露天礦邊坡或其他復(fù)雜地質(zhì)體情況。

三維地質(zhì)模型系統(tǒng)主要是人機交互的窗口，根據(jù)三維地質(zhì)模型系統(tǒng)瀏覽露天礦的實時狀況，根據(jù)監(jiān)測預(yù)警與加固系統(tǒng)、智慧決策大腦系統(tǒng)、試驗系統(tǒng)反饋的信息，更改礦山模型實時演算礦山穩(wěn)定狀態(tài)。在三維地質(zhì)模型系統(tǒng)中，數(shù)值分析是一個重要模塊，該模塊已經(jīng)應(yīng)用在哈密大南湖二號露天煤礦。通過商業(yè)軟件以及自編二維軟件分析其穩(wěn)定性，建立多剖面體系分析重點區(qū)域變形情況，后續(xù)建立完整三維實時更新模型。

4 試驗系統(tǒng)

在軟巖露天礦的iSlope 系統(tǒng)中，試驗系統(tǒng)是實時分析軟巖露天礦穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，試驗系統(tǒng)包括一些常規(guī)巖土體力學參數(shù)試驗，將試驗取得的結(jié)果數(shù)據(jù)，及時更新到iSlope 系統(tǒng)中；還有一些針對特殊的軟巖露天礦，開展復(fù)雜條件下的試驗研究。根據(jù)試驗特性研究其本構(gòu)理論，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型，總結(jié)到iSlope 數(shù)據(jù)庫里。

4.1 加卸載下露天礦邊坡靜動力特性及本構(gòu)理論

露天礦邊坡以軟巖為主，具有加卸載應(yīng)力條件復(fù)雜、易發(fā)生破碎導(dǎo)致能量耗散等特點。在考慮復(fù)雜加卸載條件下，露天礦邊坡的靜動力特性直接影響著邊坡安全性綜合評判的準確性。

擬采用大試樣靜、動三軸試驗儀和考慮復(fù)雜應(yīng)力路徑下（主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)）空心扭剪試驗儀等先進土工試驗設(shè)備，分析復(fù)雜應(yīng)力條件下的露天礦邊坡巖土體的靜動力特性，并基于顆粒破碎情況下的巖土體本構(gòu)模型，提出適用于復(fù)雜加卸載條件下露天礦邊坡巖土體的本構(gòu)模型。擬構(gòu)建修正的三維統(tǒng)一非線性強度理論，在子午平面上以及偏平面上的三維非線性強度準則，三維非線性橫觀各向同性強度準則，并建立三維各向異性強度準則以及考慮尺寸效應(yīng)的三維強度準則。擬構(gòu)建考慮中主應(yīng)力影響的三維邊界面本構(gòu)理論，以及考慮中主應(yīng)力影響的三維邊界面應(yīng)力標準化方程，進而建立三維應(yīng)力空間的邊界面本構(gòu)模型。擬構(gòu)建考慮破碎影響的狀態(tài)相關(guān)塑性本構(gòu)理論，提出破碎度量指標，提出三維臨界狀態(tài)面以及考慮破碎的應(yīng)力－孔隙耦合狀態(tài)方程，并建立考慮破碎影響的狀態(tài)相關(guān)塑性本構(gòu)模型。

4.2 復(fù)雜環(huán)境下露天礦邊坡災(zāi)變模型試驗系統(tǒng)

露天礦邊坡不同于一般工程邊坡，其環(huán)境作用和災(zāi)變威脅非常復(fù)雜，除了加卸載應(yīng)力狀態(tài)的變化，更受到溫度升降、降雨或排水導(dǎo)致的滲流、干濕循環(huán)、化學變化等環(huán)境影響，由于環(huán)境影響可能導(dǎo)致的滑坡會造成巨大經(jīng)濟損失和人員傷亡，需要綜合考慮復(fù)雜環(huán)境作用。

擬開展復(fù)雜環(huán)境作用下露天礦邊坡災(zāi)變模型試驗，研發(fā)溫度、滲流、力學、化學、生物多場耦合試驗系統(tǒng)，綜合考慮多種環(huán)境耦合作用對露天礦邊坡的影響，進行多種環(huán)境作用對露天礦邊坡穩(wěn)定性影響的敏感性分析，并以此為依據(jù)指導(dǎo)露天礦邊坡三維模擬分析影響因素權(quán)重設(shè)置，從而綜合評價露天礦邊坡安全性。同時，擬開發(fā)露天礦巖土體強度現(xiàn)場測試車，選取典型露天礦邊坡斷面，進行大型現(xiàn)場監(jiān)測與試驗研究，利用人為或自然災(zāi)害條件下的復(fù)雜環(huán)境影響（包括加載、卸載等應(yīng)力條件變化，降雨、積水等水力條件變化，以及露天礦邊坡加固方案施工的影響），研究邊坡的力學特性變化和穩(wěn)定性變化。

通過開展露天礦邊坡災(zāi)變模型試驗，驗證本構(gòu)想的正確性，在反饋到iSlope 系統(tǒng)中，實現(xiàn)軟巖露天礦穩(wěn)定性的實時分析，為后續(xù)預(yù)測和加固提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。相似的模型試驗也會記錄到iSlope 系統(tǒng)中，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，為智慧決策大腦系統(tǒng)提供參考。

5 監(jiān)測預(yù)警與加固系統(tǒng)

露天礦邊坡由于復(fù)雜的應(yīng)力條件以及復(fù)雜的環(huán)境作用，其穩(wěn)定性是實時變化的。針對這種問題，基于iSlope 軟件平臺進行的模型構(gòu)建，將商用有限元或有限差分數(shù)值模擬軟件接入iSlope 軟件平臺，建立用于力學分析和穩(wěn)定性分析的有限元或有限差分三維數(shù)值模型，并根據(jù)露天礦邊坡的靜動力特性及本構(gòu)理論，以及THMCB 多場耦合試驗系統(tǒng)得到的復(fù)雜環(huán)境影響因素權(quán)重設(shè)置，利用iSlope 軟件平臺提供的地形構(gòu)型（profile）、地質(zhì)分布、水文情況、氣候變化等環(huán)境參數(shù)，計算分析多場耦合、多尺度耦合、連續(xù)－離散耦合狀態(tài)下的露天礦邊坡穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上進行監(jiān)測與加固，并在此反饋到模型中進行分析研究，最后匯入到智慧決策大腦系統(tǒng)中。

在伊敏露天礦、神華寶日希勒露天礦、鶴崗新嶺露天礦等已經(jīng)實施了邊坡監(jiān)測平臺，后續(xù)將實現(xiàn)監(jiān)測平臺接入到iSlope 系統(tǒng)中。

5.1 圖像識別監(jiān)測體系

利用太陽能光纖實時監(jiān)測、圖像識別監(jiān)測等智能監(jiān)測設(shè)備及技術(shù)，對軟巖露天礦邊坡演變進行監(jiān)測和模型校準，數(shù)據(jù)反饋接入iSlope 軟件平臺，根據(jù)數(shù)據(jù)更新，在原有的復(fù)雜地質(zhì)體邊坡綜合模型的基礎(chǔ)上進行重構(gòu)，準確反映軟巖露天礦邊坡模型的演變和發(fā)展。

1）傳感器監(jiān)測體系。利用在邊坡可能發(fā)生災(zāi)變的重點部位布置的加速度、動位移、動孔壓、動土壓力等傳感器，采用無線傳輸、動態(tài)采集、信號處理等技術(shù)，建立邊坡災(zāi)害響應(yīng)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，并根據(jù)iSlope 軟件平臺進行的模型演變重構(gòu)，對三維綜合露天礦邊坡模型進行實時更新和反演。

2）加固體系。為響應(yīng)國家低碳化、綠色化、生態(tài)化號召，研發(fā)并規(guī)?；幌盗行滦途G色露天礦邊坡加固和修復(fù)方案（如微生物加固、環(huán)保高聚物加固、虹吸排水、聯(lián)合抗剪洞、環(huán)保材質(zhì)地下嵌固墻工法等），并將露天礦邊坡加固工法所適用的環(huán)境條件、地層條件，以及加固工法的加固效果等進行數(shù)據(jù)化，接入iSlope 軟件平臺，后臺根據(jù)露天礦邊坡三維實時穩(wěn)定性分析結(jié)果，對需要加固的露天礦邊坡的環(huán)境條件、地層條件、加固效果等進行篩選，推薦合適的綠色生態(tài)加固工法和具體方案。

在扎哈淖爾露天煤礦、神華寶日希勒露天礦實現(xiàn)橫采內(nèi)排加固；在小龍?zhí)堵短烀旱V實現(xiàn)錨索加固；在平莊露天煤礦也實現(xiàn)了錨索監(jiān)測系統(tǒng)。

6 智慧決策大腦系統(tǒng)

基于已有露天礦邊坡災(zāi)害情況的大數(shù)據(jù)分析以及iSlope 軟件平臺建立露天礦邊坡滑坡風險和災(zāi)情評估數(shù)據(jù)庫，根據(jù)露天礦邊坡的三維實時穩(wěn)定性分析結(jié)果，研發(fā)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與滑坡災(zāi)情評估的對比技術(shù)，分析露天礦邊坡及周邊地區(qū)的災(zāi)變模式、失效范圍、影響區(qū)域及災(zāi)情區(qū)劃，并提供露天礦邊坡災(zāi)害發(fā)生后的減災(zāi)措施和風險預(yù)報，形成基于iSlope 軟件平臺的露天礦邊坡安全綜合評判體系與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)的結(jié)果，反饋到人工專家再綜合評判軟巖露天礦，保證從礦山的基建、設(shè)計、施工、生產(chǎn)、治理等全過程評價，保證其露天礦高效、安全、智能化生產(chǎn)。

7 結(jié)語

iSlope 系統(tǒng)現(xiàn)在處于初級階段，但系統(tǒng)框架已經(jīng)搭建完成，部分系統(tǒng)功能已經(jīng)應(yīng)用到實際露天煤礦。iSlope 系統(tǒng)重采集，重分析，重監(jiān)測，重反饋，系統(tǒng)集智能化、信息化、安全化、高效化于一體，iSlope系統(tǒng)研發(fā)成功后，會大大提高礦山的智能化建設(shè)，也能夠把握露天礦山不同建設(shè)階段的各種信息，實時監(jiān)測分析露天礦狀態(tài)，并依據(jù)系統(tǒng)反饋的信息，提出合理高效的應(yīng)對措施，進而提高露天礦的經(jīng)濟效益和社會效益，因此必須注重系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。