尖山鐵礦高陡邊坡智能在線監測及預警系統

楊忠林　薄建芬　黃永強

(太鋼集團礦業公司尖山鐵礦)

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尖山鐵礦高陡邊坡智能在線監測及預警系統

楊忠林薄建芬黃永強

(太鋼集團礦業公司尖山鐵礦)

摘要尖山鐵礦投產以來已形成的邊坡高度近280 m，原邊坡監測管理方式為對77個監測點采用人工定期測量、人工統計上報的作業方式，但該觀測方式受天氣、管理、技術等各類因素的限制，數據準確性、可追溯性、連續性較差。為實時掌握邊坡安全狀況，開發了邊坡智能在線監測及預警系統，詳細介紹了該系統的架構及各子系統的基本功能，實踐表明，該系統運行穩定，效果明顯，可供類似礦山參考。

關鍵詞高陡邊坡監測管理智能在線監測及預警系統

隨著露天開采技術的進步和大型設備的逐步應用，我國露天鐵礦的規模不斷擴大。隨著開采深度增加，邊坡高度逐步加大，國內大型骨干露天鐵礦已大都轉入深凹或凹陷開采，目前最大邊坡高度已達200～300 m，部分礦山設計的最大總體邊坡高度達600 m，隨著技術裝備水平的進一步提高和勘探深度的增加，甚至可能達到700 m左右。隨著露天開采合理深度的不斷增加，露天礦固定邊坡也逐漸出露和擴展，相應的露天邊坡維持時間也在增長，邊坡的不穩定因素也隨之增加。礦山邊坡穩定性直接影響了礦山人員及生產設備的安全，并對礦山生產及運輸通道、排水系統功能發揮、礦山排巖系統的安全運行有較大影響[1-3]。對此，針對尖山鐵礦邊坡特征，開發了高陡邊坡智能在線監測及預警系統，該系統可精確、實時、全天候、全自動獲取變形觀測點的有關三維坐標信息，通過工程技術人員結合礦山實際情況進行進一步的分析、處理與判斷，得出最終變形的分析成果報告，為安全決策提供有力支持。本研究對該系統的各子系統功能進行詳細分析，為類似礦山邊坡治理提供參考。

1尖山鐵礦邊坡概況

尖山鐵礦邊坡巖體松散、巖石滑落，預留的清掃平臺堆積了大量的松散巖石。受地質條件、爆破等因素影響，陸續發育了一些危害變形區，2012年完成了西端幫向斜核部滑坡區、北幫不穩定區和北排土場滑坡區3個邊坡治理工程的施工，但新的危害變形區仍在不斷發育，表現為安全平臺出現了一些平行于巖層走向的裂縫，以及邊坡上發生的局部坍塌、滑坡等現象，嚴重影響了采場的安全生產。隨著礦山不斷開采(特別是近地表開采)，巖石應力結構不斷變化，地表因建設導致的地貌變化、爆破地震波對地表的影響以及礦區地質特征等均會對礦區地表建(構)筑物、邊坡造成嚴重影響(如變形、沉降、扭曲等)。自2009年開始，尖山鐵礦逐步在邊坡上建設了10多個監測點，每月進行監測，2011年開始逐步增加至77個監測點，每月進行1次監測，并對監測數據進行人工分析。

2系統設計

2.1系統設計依據

《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)、《滑坡防治工程設計與施工技術規范》(DZ 0240—2004)、《國務院安委會辦公室關于貫徹落實<國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知>精神進一步加強非煤礦山安全生產工作的實施意見》等均對邊坡監測系統的建設提出了明確要求。根據國家安全生產監督管理總局《關于在非煤礦山推廣使用安全生產先進適用技術和裝備的指導意見》(安監總管一[2009]177號)第3部分高陡邊坡安全監測技術的規定：露天礦山應通過GPS或其他傳感、遙感技術，自動實現邊坡位移等相關參數的實時監測，為高陡邊坡安全預測預警提供技術支撐。2012年12月，山西省安全生產監督管理局明確要求尖山鐵礦實施邊坡在線監測的技術方案。

2.2系統架構及功能設計2.2.1系統架構

高陡邊坡智能在線監測及預警系統采用總體設計、分項實施的架構模式，包括邊坡表面位移監測子系統、氣象監測子系統、防雷與供電系統、通訊系統，視頻監控系統、紅外入侵告警子系統等。所有子系統的數據采集終端(前端數據處理器)布置于監測區域內，用于在線實時采集各監測站點的數據信息。監控中心子系統設置于礦業公司的辦公區內，實現數據的實時自動采集、分析、顯示、綜合預警、數據存儲及Web數據發布等。

2.2.2系統功能設計

(1)測量系統。①完成150個監測點，精度要求：水平位移監測的點位中誤差不大于6 mm；垂直位移監測的高程中誤差不大于3mm，測量周期2～24 h(可調)。②完成1套雨量監測系統，測量準確度：降水量小于10 mm，測量誤差±0.2 mm；降水量不小于10 mm，測量誤差±(0.2 mm+1%)。③完成10套太陽能無線視頻監測系統及18套光網絡視頻監測系統，技術要求：200萬像素、36倍光學變焦，紅外光束傳輸距離100 m。

(2)綜合分析預警系統。①按實時變形與累計變形分別顯示，將不同變形程度的區域按顏色或采取其他方式區分，確保清晰可見；②滑坡區域的可視化(與采場現狀圖疊加)；③實時報告變形值與變形速率，形成固定格式報表，可繪制各點位的歷史曲線。

(3)預警報警功能。監控系統設有自動預警、報警功能，當監測參數有向危險狀態演變的趨勢時，系統發出預警信息；當監測參數超過預設警戒值時，系統發出報警信息。在預警、報警發生時，系統將進行語音提示預警、報警信息，文字提示預警、報警信息，手機短信提示預警、報警信息。該類信息可同步傳輸至現場值班室、總調度室、安環部等部門。

2.3系統技術性能

巡測采樣時間小于10 min，單點采樣時間小于1 min，系統具有人為設定功能。測量周期為10 min～30 d(可調)。工作電壓220(±10%)V，故障率不大于5%。防雷電感應不小于1 000 V。系統接地電阻不大于10 Ω。傳感器具有溫度補償等功能，避免各種情況下影響精度的零點漂移現象的出現。數據采集裝置的測量范圍滿足被測對象有效工作范圍的要求。通信方式為光纖通信或無線傳輸。系統數據采集設備具備室外防護等級，滿足風沙、溫度、日照、雷電等惡劣環境下工作參數要求。

3子系統功能

3.1監測子系統3.1.1表面位移測量原理

礦山邊坡地表位移極坐標測量法是將儀器架設于己知坐標的穩定點上，利用己知點進行定向，觀測未知點的水平角、垂直角和斜距，結合該類測量數據和己知點數據可計算出未知點的三維坐標。智能機器人是一種可進行自動搜索、跟蹤、辨識和精確找準目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的智能型電子全站儀。利用智能機器人進行邊坡自動化變形監測，即1臺智能全站儀與監測點目標(照準棱鏡)及上位控制計算機組成變形監測系統，可實現全天候無人值守監測，其實質為自動極坐標測量系統。該系統無需人工干預，自動采集、傳輸和處理變形點的三維數據，利用因特網或其他局域網，還可實現遠程監控管理。該系統的監測點布設成本低、系統維護管理簡單、監測精度高，監測測距精度可達±(1 mm+1×10-6D)(D為監測點與基點的距離)。

3.1.2監測點布置

結合邊坡實際情況，參考相關規范及類似工程經驗，邊坡每30～60 m高差布設1排監測點(圖1)。監測點距離：邊坡長度小于300 m時，宜取20～100 m；邊坡長度300～1 000 m時，宜取0～200 m；邊坡長度大于1 000 m時，宜取100～300 m。結合現場實際情況，邊坡面共設置監測棱鏡點位150個，在邊坡面堅固的山體上設置2臺智能全站儀對監測點位進行監測，每臺全站儀與所測測點間須通透，每臺全站儀上設置1套GPS校準系統，用GPS長期數據對全站儀自身的坐標數據進行校準，另外，每臺全站儀位置固定1個棱鏡，作為另1臺全站儀的后視點。系統將部分監測點由2臺測量機器人同時進行監測，通過相關軟件進行解算，進一步提高監測精度。

圖1　邊坡監測點分布(局部)

3.2高清視頻監測子系統

3.2.1監測原理

高清視頻監測子系統可實現對邊坡面實時視頻監控，能對監控圖像進行實時存儲，整個視頻監控系統需提供不小于2個網絡監控客戶端。視頻監控系統具有回放、錄像以及預置位功能，通過現場攝像頭實時拍攝并傳輸至調度室顯示屏上，可直觀地顯示邊坡運行情況。該系統數據采集模式為高清數字攝像機、硬盤錄像機、PC客戶端(圖2)，其中硬盤錄像機自帶數據存儲硬盤，PC客戶端通過交換機網絡調用存儲于硬盤錄像機中的視頻文件。攝像機與硬盤錄像機的連接線為光纜或485傳輸線，硬盤錄像機與PC客戶端之間為交換機網絡，連線為網線或網線轉光纖再轉網線。針對邊坡入口部署的紅外入侵監測系統，進行了視頻監控連鎖，只要紅外入侵系統某點被觸發，鄰近視頻自動按預設要求進行旋轉跟蹤。

圖2　視頻監測原理

3.2.2測點布置

在邊坡面具有代表性的或重要的區域設置視頻監測點，實時監測區域內的視頻影像。本研究共設置了28個視頻監測點，針對土場、采場道路關鍵節點等變化頻繁，大型運礦車輛行走等不便于線路架設視頻監控系統的區域，采取了風電互補的清潔能源供電技術與無線網橋傳輸技術，大幅度擴展了視頻監測的范圍。

3.3降雨量監測子系統3.3.1監測原理

降雨量監測子系統可及時掌握野外邊坡區域詳細、精準的降雨信息，根據降雨量進行演算，為邊坡監測和預警提供科學依據。該系統主要對邊坡區域降雨量進行監測，在監測區域內布設一定數量的雨量站，及時掌握降雨情況。在合理布設雨量監測站后，對各站的雨量閾值進行分析計算，確定滑坡的臨界雨量范圍，一旦降雨達到臨界雨量，系統自動發布滑坡警報。

3.3.2測點布置

由于邊坡區域面積相對較小，本研究僅布置1個降雨量監測點即可滿足監測要求。降雨量監測設備為MTR-02翻斗式雨量計，要求儀器的承雨口高度與地平面的距離為70 cm，確保儀器周圍3～5 m無高于儀器承雨口的遮蔽物，雨量計固定于基座上即可。

3.4紅外入侵告警子系統

紅外對射探測器的紅外光每秒可不間歇地發射1 000束光束，該類光束傳輸距離較短(600 m內)。安裝光束遮斷方式的探測器后，當有人橫跨過監控防護區時，遮斷不可見的紅外線光束從而可引發警報。在采場邊坡平臺入口位置建設15套紅外入侵監測高分貝語音告警系統，當有人、車闖入未經許可的入口時，可高音警報提示，同時鄰近攝像頭切換至預設位置進行實時監控，并將報警信號傳回監控中心。

3.5專家軟件系統

專家軟件系統是整個系統的靈魂，不僅可直觀查看實時采集的數據，組織成各種生產報表，而且可結合專家軟件模型，綜合處理各種數據，得到科學的分析結果，從而指導生產，確保邊坡安全運行。高陡邊坡智能在線監測及預警系統采用B/S結構架構，支持IE多種瀏覽器訪問模式，軟件使用樹狀結構+菜單欄結構設置，礦山企業可將下屬各邊坡的信息進行統一管理發布。該系統預留TCP/IP協議端口，并支持Server、Client 2種傳輸模式，可將實時采集的數據按縣、市等相關平臺接口定義發送。該軟件系統操作簡單、智能化程度高，其中內置表面位移、內部位移、降雨量的三級預警值，允許用戶根據實際情況隨時調整干灘、浸潤線、庫水位的三級預警值，可最大限度地滿足用戶需求。該軟件系統具有如下特點：

(1)可實時顯示各種監測設備狀態、測量數據及相關信息，用戶可自定義采樣間隔及記錄頻率，系統也可根據雨量大小及各種季節的氣候條件自動調整設備的采樣記錄間隔，最大限度地保障邊坡系統安全。

(2)采用最新的SQL2008開放式數據庫為數據存儲方式，數據庫不僅記錄各類采樣數據信息，而且記錄時、周、月、季、年的數據平均值，便于用戶隨時調用。

(3)提供多種諸如位移、內部位移、水位水壓、降雨量等采集設備的時程曲線，并可根據要求提供單向曲線、多項復合曲線、直方圖等，最大限度地滿足用戶需求。

(4)可輸出多種文件格式，方便用戶對數據進行打印、分析、提交。

(5)具有自動跑馬燈式報警功能，一旦某一項發生預警，會立即在醒目位置進行提示，同時將預警數據傳輸至縣、市管理平臺，并根據相關設置，發出聲光、短信等報警通知。

(6)提供靜態以及人工巡檢數據輸入功能，管理者可隨時調閱企業的各類信息，同時對需要人工巡檢的數據提供數據庫支持，最大限度地滿足企業需求。

(7)對系統中每個用戶進行分類，對不同用戶的權限進行設定，用戶登錄信息自動計入系統日志，保障系統安全穩定運行。

(8)綜合預警模塊具有設置各種報警參數的功能，包括位移、水位水壓等傳感器的信息。

4應用成果

尖山鐵礦在邊坡上建設了150個位移監測點、28個視頻監測點、15套紅外入侵告警系統、1個降雨量監測點。每小時對全部150個監測點進行1次測量分析，在發現異常位移時可智能調整監控頻次，增加對異常區域的監控力度，發揮了及時監測、及時預警的作用。監測點水平、垂直位移數據如圖3、圖4所示。

圖3　水平位移數據

圖4　垂直位移數據

5結語

針對尖山鐵礦邊坡特征，開發了高陡邊坡智能在線監測及預警系統，該系統特征有：①采用智能機器人可實現邊坡穩定性監測預警的自動化、智能化，系統可全天候運行，監測成本低，監測精度高，監測可靠性高，且管理維護簡單，還可實現遠程監控、短信報警等高級功能。②高清視頻監測作為智能機器人的補充，可實現對邊坡面的全區域覆蓋實時視頻監控，避免了點監測存在的弊端。該系統的投入運行，大幅度提高了采場安全管控和預警水平，為確保尖山鐵礦的安全生產提供了有力保障。

參考文獻

[1]陳梵，章光，王丹丹，等.基于GA-GRNN的露天礦山邊坡穩定性評價[J].現代礦業，2016(1)：196-197.

[2]陳慶坤.烏拉根露天邊坡穩定性分析及優化設計[J].現代礦業，2016(1)：199-200.

[3]王琰.基于摩爾-庫侖準則的邊坡穩定性分析[J].現代礦業，2016(1):196-198.

Intelligent Online Monitoring and Warning System of the High and Steep Side Slope of Jianshan Iron Mine

Zhang ZhonglinBo JianfenHuang Yongqiang

(Jianshan Iron Mine, Taisteel Group Mining Company Co.,Ltd.)

AbstractThe height of the side slope has been reached to 280 m since Jianshan iron mine put into operation.The previous management and monitoring method of the side slope is based on the regular manual measurement of 77 monitoring points and analysis of the data collected from the 77 monitoring points,which is affected easily by the factors of weather,management,technique and so on.In addition,the accuracy,traceability and consistency of the data collected from the 77 monitoring points are not accurate.In order to get the security situation information timely of the side slope of Jianshan iron mine,the intelligent online monitoring and warning system of the high and steep side slope of Jianshan iron mien is developed,the system architecture is analyzed and the functions of the subsystems of the system are discussed in detail.The application results show that the operation of the system developed in this paper is stable,the effects is significant,therefore,it can provide some reference for the similar mine.

KeywordsHigh and steep side slope, Monitoring and management, Intelligent online monitoring and warning system

(收稿日期2016-01-07)

楊忠林(1969—)，男，高級工程師，030304 山西省太原市。