海州露天煤礦邊坡變形監測系統

李 勝 鄔珂瑞 韓永亮 齊嘉義

(遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000)

海州露天煤礦邊坡變形監測系統

李 勝 鄔珂瑞 韓永亮 齊嘉義

(遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000)

為及時掌握露天礦邊坡變形規律，基于GPS監測技術、網絡通訊技術和計算機等技術，建立了一套實時動態反映邊坡變形的自動化監測系統。系統采用高精度GPS獲取監測點的三維坐標，利用GPRS通訊模塊將數據打包發送至計算機，并通過軟件處理自行解算成圖，實現邊坡變形的自動化監測。以海州露天礦北幫為監測對象，經過一段時間的監測，監測結果表明：邊坡平均水平位移變形為52.6 mm，平均垂直位移變形為17.3 mm，平均水平位移速率為0.33 mm/d，平均垂直位移速率為0.11 mm/d。邊坡變形監測系統的構建實現了邊坡變形的高精度、自動化監測，為災害的動態預警和安全決策的及時制定提供了有效的技術支持。

GPS 邊坡穩定 自動化監測 邊坡變形監測系統

露天煤礦開采作為我國煤炭工業的優先發展戰略，其規模正在迅速擴張和發展[1]。隨著露天礦開挖邊坡逐漸增高、開采范圍越來越大，也導致滑坡等地質災害頻繁發生，嚴重威脅著人民的生命財產安全，造成了巨大的經濟損失[2]。可見露天開采邊坡的安全穩定對露天礦山的安全生產具有重大意義[3]。傳統的監測方法主要依靠人工定期監測，而且受到天氣、觀測時段和頻率等因素制約，監測的周期長，精度低，耗費大量的人力物力財力，不能滿足快速、實時、準確、自動獲取數據的需求，同時存在監測數據處理的過程復雜繁瑣，分析周期長等缺點[4-5]。盡管相關部門對部分露天開采邊坡的監測方法和數據處理進行了改進，包括監測數據庫系統、網絡系統的開發研制等，但普遍存在自動化程度不高等不足[6]。

隨著GPS技術、網絡通訊技術、計算機技術等的迅速發展，工程測量、監測的作業方法更是發生了歷史性的變革[7]。本研究通過三者的有機結合，建立了一套實時動態反映邊坡變形的自動化監測系統，不僅克服了傳統變形監測方法工作量大、效率低、受外界環境影響等缺點，也滿足了露天礦邊坡監測對精度的要求，具有全天候、連續性和實時性等特點，實現露天開采邊坡地質災害監測遠程自動化監測[8-10]。

1 監測系統總體設計

系統的總體構建需要軟硬件的相互作用，系統按照其功能可劃分為4大組成部分：①傳感器子系統。由布置監測點上的GPS監測單元組成，對所有可見GPS衛星進行連續的觀測，實時反應監測站的三維空間變化情況。系統采用的是X300M雙頻GPS接收機作為傳感器進行數據的實時收集，水平精度±(2.5+1×10-6×D) mm，垂直精度±(5+1×10-6×D) mm(D為監測距離，m)。②通訊子系統。整個監測系統中包括有線傳輸和無線傳輸，該系統光纖作為有線傳輸主要以光纖形式進行傳輸，GPRS作為無線傳輸的形式。③數據處理系統。由布置在監控中心的監控終端、高性能服務器，結合HCmonitor軟件來完成數據的實時接收、存儲、實時數據處理成圖顯示、歷史數據查詢、監測數據統計分析和監測預警預報等功能。④輔助支持系統。包括外場機柜、配電及UPS、防雷和太陽能電池板。監測系統的總體結構設計見圖1。

圖1 監測系統總體結構設計

1.1 系統通訊子系統

變形監測系統中，GPS接收機將獲得的衛星原始數據轉化為RT17數據流(RT17包含了GPS解算的所有必要的載波相位數據、星歷等數據)，傳輸給GPRS模塊，再通過無線網絡傳到控制中心，數據傳輸到中心服務器需要加設防火墻保證系統的安全。控制中心在根據數據對應的IP地址和端口號，獲得相應監測點的原始實時數據流，具體通訊流程見圖2。

1.2 數據處理子系統

數據處理是邊坡變形監測系統的重要組成部分，系統采用基于C/S架構的HCmonitor軟件，以非線性Kalman濾波、三差解算法為核心，同時增加了先進的電離層改正模型使數據處理精度大大提高，經測驗平面精度<3 mm，高程精度<5 mm。在控制中心服務器的應用服務器上，利用HCmonitor軟件可以準實時解算出各監測點的三維坐標，所有數據最后存儲在數據服務器上，通過web服務器來進行網上實時瀏覽。本系統采用SQL2008數據庫管理子系統，用以完成數據的存儲工作，包括坐標數據，監測信息和用戶信息等，方便隨時調取查詢，數據處理的具體流程見圖3。

圖2 通訊流程

圖3 數據處理流程

1.3 輔助支持子系統

輔助支持子系統包括外場機柜、配電及UPS、防雷和太陽能電池板。監測點的墩柱同樣采用鋼筋混凝土結構。采用兩塊50 W太陽電池板和150 Ah蓄電池組合的供電方式，這樣的好處是安全、容易避雷、省工，而且在沒有太陽的情況下可以連續工作7 d。變形監測系統采用直擊雷防護，需要在GPS觀測墩安裝1.8 m避雷針，避雷針通過U型鋼、接地線連接至地下0.5 m處，再與地下焊接扁鐵地網連接形成避雷網，所有地下焊接處需要涂刷防銹防腐蝕的油漆。避雷針安裝完成后，保證接地電阻小于1 Ω。觀測墩包含了輔助支持子系統的大部分設備(見圖4)。

2 工程應用

2.1 露天礦背景

海州露天煤礦礦場東西長4 km，南北寬2 km，垂直深度350多m，總占地面積達30多km2。礦坑周圍有5萬多居民、4所小學、3所中學、20余家工礦企業、86萬m2民用建筑。自開礦以來，共發生大的滑坡近百次，滑坡巖體的總量2 081.7萬m3，由此造成的人員傷亡和財產損失達到上億元。目前，采場周邊巖體產生滑移，導致地表出現嚴重變形，甚至產生明顯的裂縫，給周邊企業和居民造成了較大的經濟損失和嚴重的生命安全隱患，尤其對坐落在海州露天礦北幫的阜新發電廠的安全形成嚴重威脅[11]。對露天邊坡利用GPS技術進行邊坡實時監測，為預防災害的發生提供重要依據，可降低海州露天礦災害造成的危害，減少露天礦周邊建筑物、構筑物等保護對象的損失。

2.2 監測網點布置

露天開采邊坡區GPS自動化監測系統的監測單元包括參考站和監測站，根據實際環境布置高精度GPS監測網，按以下要求布置各站點。

(1)參考站。參考站與露天開采邊坡體的距離不宜超過3 km，應選擇地質條件良好、穩定、視野比較開闊且易于長期保存的地方，可以建設在基巖、建筑物屋頂等。根據上述原則，結合海州露天礦實際情況，最終將參考站布置到附近的一座樓頂上，觀測墩采用鋼結構柱體，外部用金屬罩保護，供電采用該樓內的220 V市電，通過適配器轉化成12 V為設備供電。

(2)監測站。位移側線布置與滑坡主軸方向一致，測點布置在邊坡內應力變化的敏感位置，如易隆起、下沉和容易產生裂縫坡腳等部位，總體要求是監測點所形成的區域要涵蓋采場邊坡和排土場邊坡所在區域，完全控制內排土場與采場之間端幫邊坡區。在海州露天礦北幫邊坡為露天礦山公園，建筑物多聚于此，礦山公園休閑廣場南部至博物館、紀念碑平臺一帶，見有地裂縫十幾條，所以將對北幫邊坡的監測作為重點，監測站P1～P6的布置情況見圖5，現場安裝見圖6。

圖5 監測站點分布示意

圖6 現場安裝示意

2.3 實測數據分析

通過對監測點的累計水平位移、累計垂直位移、水平位移速率、垂直位移速率4個指標的監測，可反映出邊坡的穩定性。對6個監測站進行24 h連續監測，每隔8 h記錄1組數據，每天3組數據，至今系統已經穩定運行半年多。選取從2014年11月1日到2015年4月10日，共5個月的數據進行分析說明。根據實測數據，分別做出了各監測點的時間與水平位移累計量、時間與垂直位移累計量，見圖7、圖8，選取P1、P6監測站的時間與水平位移速率以及時間與垂直位移速率的曲線圖，見圖9、圖10。

由圖7、圖8可以看出：各監測站水平方向上的位移逐漸增大，邊坡平均水平位移變形為52.6 mm，P6水平位移最大為76 mm，P1最小為25 mm。平均垂直位移變形為17.3 mm，P6垂直位移最多為25 mm，P1垂直位移最少為11 mm，由此可以看出，P6位置形變較大，該地區較其他監測點穩定性差，應重點監測。由圖9、圖10看出水平、垂直位移速率的變化都不大，各點水平位移速率穩定在-1～2 mm/d，平均值為0.33 mm/d、垂直位移速率穩定在-2～2 mm/d，平均值為0.11 mm/d。從總體來看，目前海州露天礦的北幫暫處于穩定狀態，由于邊坡的穩定性受多種因素的復合作用，包括本身的地質構造，幾何形態等內在因素，同時也包括降雨、地震以及人類工程活動等外在因素。基于以上考慮海州露天礦北幫仍然處于變形的集中區，需采用GPS實時監測系統加強對相關地區的位移、位移速率的監測工作，同時也要加強地質巡查工作，達到提前預警的目的，確保該地區的安全，降低地質災害帶來的損失。

圖7 水平位移累計量

圖8 垂直位移累計量

圖9 水平位移速率

圖10 垂直位移速率

3 結 論

(1)基于GPS監測技術、網絡通訊技術及計算機等技術，結合海州露天礦的具體情況，建立了實時動態反映邊坡變形的自動化監測系統。

(2)從半年多的使用情況來看，該監測系統完全適應惡劣的氣候變化，系統運行穩定，監測精度高，實現了全天候的實時監測，真實精確地反映了邊坡實際變形情況。

(3)結合系統監測數據，對海州露天礦北幫的邊坡穩定情況進行了科學分析，結果表明目前北幫暫處于穩定變形狀態。

[1] 許 博．基于GPS的邊坡監測數據處理系統研究與實現[D]．沈陽：沈陽航空航天大學，2013． Xu Bo．Research and Implementation of Slope Monitoring Data Processing System Based on GPS[D]．Shenyang：Shenyang Aerospace University，2013．

[2] 付國龍，王長軍，陶志剛，等．順層巖質邊坡開挖致滑的滑動力監測[J]．金屬礦山，2012(9)：154-157． Fu Guolong，Wang Changjun，Tao Zhigang，et al．Sliding force monitoring of cut tests on a bedding rock slope[J]．Metal Mine，2012(9)：154-157．

[3] 曹蘭柱，張秀平，王 東，等．含斷層露天礦逆傾層狀邊坡穩定性數值模擬[J]．金屬礦山，2015(3)：178-182． Cao Lanzhu，Zhang Xiuping，Wang Dong，et al．Numerical simulation on the stability of anti-dip layered slope at open-pit mine with faults[J]．Metal Mine，2015(3)：178-182．

[4] 張 飛，孟祥甜，溫賀興．露天礦邊坡監測方法研究[J]．煤炭科技，2014(1)：15-19． Zhang Fei，Meng Xiangtian，Wen Hexing．Study on monitoring method of open-pit mine slope[J]．Coal Science & Technology Magazine，2014(1)：15-19．

[5] 趙宜行．GPS變形監測技術及其數據處理方法研究[D]．西安：西安科技大學，2009． Zhao Yihang．Deformation Monitoring Technology with GPS and the Research of Its Data Processing Method[D]．Xi'an：Xi'an University of Science and Technology，2009．

[6] 吳玉財，徐衛亞，趙志峰，等．邊坡監測信息數據庫分析系統的開發及應用[J]．中外公路，2005，25(6)：46-49． Wu Yucai，Xu Weiya，Zhao Zhifeng，et al．The slope monitoring information database analysis system development and application[J]．Journal of China & Foreign Highway，2005，25(6)：46-49．

[7] 汪燈林．GPS定位技術在工程測量中的應用[J]．中國高新技術企業，2009(22)：33-34． Wang Denglin．The application of GPS technology in the engineering survey[J]．China Hi-tech Enterprises，2009(22)：33-34．

[8] 楊 軍，宋 磊，張 鵬．露天礦邊坡位移監測GIS可視化分析研究[J]．金屬礦山，2012(11)：113-115． Yang Jun，Song Lei，Zhang Peng．Research on slope displacement monitoring data GIS visualization analysis of an open-pit mine[J]．Metal Mine，2012(11)：113-115．

[9] 王翠珀，陳躍月．GPS實時監測技術在撫順西露天礦邊坡變形監測中的應用[J]．地質與資源，2010，19(2)：180-183． Wang Cuipo，Chen Yueyue．GPS real-time monitoring technology in the application of Fushun west open pit slope deformation monitoring[J]．Geology and Resources，2010，19(2)：180-183．

[10] 楊志勇，劉建宇．露天邊坡監測可視化分析系統的構建與應用[J]．現代礦業，2014，30(5)：104-108． Yang Zhiyong，Liu Jianyu．Construction and application of the slope monitoring visualization analysis system[J]．Modern Mining，2014，30(5)：104-108．

[11] 李 巍，張 維．阜新海州露天礦邊坡滑坡原因分析[J]．西部探礦工程，2011，23(4)：44-46． Li Wei，Zhang Wei．Analyze on the causes of Fuxin Haizhou open-pit slope[J]．West-China Landslide Exploration Engineering，2011，23(4)：44-46．

(責任編輯 徐志宏)

Slope Deformation Monitoring System of Haizhou Open-pit Mine

Li Sheng Wu Kerui Han Yongliang Qi Jiayi

(CollegeofMines，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)

In order to grasp the deformation regularity of open-pit slope in time，a set of real-time dynamic to reflect the auto-monitoring system of slope deformation was established based on the GPS (Global Positioning System) monitoring technology，network communication technology and computer technology，etc.The system adopts high precision GPS to obtain the 3D(3 Dimensions) coordinates of the monitoring points，and then uses GPRS(General Packet Radio Service) communication module to send data package to the computer.The data can be calculated into image data processing software to realize the automation of the slope deformation monitoring.Taking the North Haizhou open-pit as the object of monitoring，the monitoring results show that after a period of monitoring，the average slope horizontal displacement deformation is 52.6 mm，the average slope vertical displacement deformation is 17.3 mm，the average horizontal displacement rate was 0.33 mm/d，the average vertical displacement rate was 0.11 mm/d.The Construction of slope deformation monitoring system has achieved high precision and auto-monitoring，thus providing effective technical support for dynamic disaster warning and timely making safety decisions.

GPS，Slope stability，Auto-monitoring，Slope deformation monitoring system

2015-05-23

遼寧省高等學校優秀人才支持計劃項目(編號：LJQ2011029)，國家自然科學基金項目(編號：51004063)。

李 勝(1976—)，男，教授，博士，博士研究生導師。

TD164

A

1001-1250(2015)-09-126-05