露天采場邊坡在線監測與物聯網對接的研究與應用

李愛民

（河鋼集團司家營礦山分公司，河北 唐山 063000）

1 項目概況

本項目主要應用于露天采場邊坡在線監測。

1.1 立項背景

司家營鐵礦位于河北省灤州市城南3km，地理坐標為118°45′40″，北緯39°38′20″～39°39′42″。2017年3月，司家營鐵礦采場最低生產標高為-142m水平，最大邊坡高度已達210m，高大邊坡對露天采場的安全生產存在威脅，邊坡一旦滑坡將會導致邊坡一側作業面上的人員和設備受到傷害，造成不可估量的經濟損失。

國內多數金屬及非金屬露天礦山，其邊坡高度達到200m時，均開展地表水平位移和垂直位移裂縫錯位和邊坡深度變形監測內容，其中采用GPS系統和全站儀設備對邊坡不穩定部位監測的占大多數。國外礦山諸如智利丘基卡馬塔銅礦、加拿大帕拉博拉銅礦均采用邊坡在線監測系統對邊坡變形進行監測，監測系統通常需要在邊坡鉆孔放入同軸電纜使測試儀與監測設備相連，隨著邊坡的移動，邊坡巖體的位移和變形使埋置其中的同軸電纜產生局部剪切、拉伸變形。為了獲得邊坡變形和位移的準確變化，獲得高精度的三維網變形信息，準確對邊坡位移進行形變分析，課題組決定引入物聯網新技術，改變傳統GPS系統和全站儀設備測量方式，并克服邊坡位移破壞測量儀與監測設備連接線纜的缺點，實現新一代的邊坡在線監測與物聯網對接技術，對露天采場實現準確的邊坡位移監測和安全預警。

1.2 主要內容

課題組對司家營鐵礦露天采場邊坡進行了細致研究和分析。

（1）在對露天采場滑坡事故進行總結分析后，地質勘查是第一個難點。

課題組用一年時間對露天采場內地質進行全面勘查并建立司家營鐵礦地質模型和網絡模型，根據赤平投影運動分析方法，初步分析了邊坡潛在破壞模式，確定出邊坡監測區域。緊后則對邊坡監測設備進行市場調研，確定邊坡監測設備選用型號、監測方案和監測位置。

（2）第二個難點則是變形監測系統的選用。

在對比目前應用較多的各種變形監測系統后，課題組決定選用RocMos自動化變形監測安全預警系統，因其數據傳輸模塊支持多種通訊模式，是克服邊坡位移破壞測量儀與監測設備連接線纜的缺點的優選方式。

（3）物聯網技術的應用是第三個難點。

物聯網作為新興技術，課題組成員對物聯網技術采取了理論學習和市場交流多種方式，逐步掌握了物聯網技術要點，最終確定以服務器裝在RocMos自動化變形監測安全預警系統，實現邊坡監測設備與RocMos自動化變形監測安全預警系統的物物互聯。

（4）第四個難點則是邊坡預警思路的確定。

露天采場邊坡滑動面的位置、平整程度、力學參數、上部載荷大小、地下水活動情況等均難以得到準確數值，不確定性因素和無法量化的數據使預警值難以提出，而且不同的邊坡，邊坡角和地質情況均不相同，臨界的監測預警值也有很大差異。最終，課題組成員對大量國內礦山滑坡事故數據進行研究，決定采用工程類比、在線監測時間軸曲線確定預警值，將預警值錄入RocMos自動化變形監測安全預警系統后，系統可對邊坡位移進行準確預警。

1.3 特點及應用推廣情況

露天采場邊坡監測系統與物聯網對接的研究和應用過程中，分別取得了如下成果。

1.3.1 層狀巖質邊坡工程地質勘察與潛在破壞模式

司家營鐵礦露天采場東幫邊坡出露的變質巖系自下而上地層層序為，鉀長石化白云母片巖、黑云變粒巖。其中，位于下層的鉀長石化白云母片巖經風化后呈土黃色，極易破碎，遇水后呈泥狀，是易造成邊坡失穩滑塌的巖石類型。

通過赤平投影運動分析方法，初步分析了邊坡潛在破壞模式。分析表明東幫邊坡主要破壞模式為順層滑移—平面破壞模式，西幫邊坡主要破壞模式為反傾破碎巖體傾倒崩塌破壞，第四系特厚沖積層在降雨、地下水滲流等不利因素作用下，發生圓弧滑坡破壞。在此基礎上，對局部滑坡進行抗剪強度參數反算，對強風化巖體進行反算確定其抗減強度參數。

1.3.2 地質模型的建立

利用3dmine建立起司家營鐵礦地質模型及網絡模型，該地質模型包括黑云變粒巖、強風化黑云變粒巖、中風化黑云變粒巖、微風化黑云變粒巖、石英砂巖、白云母片巖及磁鐵石英巖這7種巖性，網絡模型包括現狀境界、開挖至2022年境界及最終境界。以下為2022年司家營鐵礦露天采場境界圖。

圖1 地質模型的建立

1.3.3 各向異性滲流-應力耦合數值模擬及排水方案優化

通過應力及滲流場分析，結合邊坡潛在破壞模式及對巖層傾角進行敏感性分析發現，各向同性模型計算表明上部風化巖破壞模式多呈單臺階破壞，由臺階坡面角控制，折減系數較小時，未出現巖層面貫穿多臺階破壞。各向異性模型計算所得邊坡損傷區在風化帶出現平面型破壞區，這與采用滑面應力法計算結果所搜索的滑動區域相吻合，各向異性模型更適用于順層巖質邊坡破壞機理分析。

1.3.4 引入物聯網，搭建邊坡在線監測系統

在研究過程中，從監測數據的獲取、傳輸到監測數據在云服務器的簡易處理和存儲，實現了監測點與服務器和自動化變形監測系統的對接，形成物物相連的互聯網，并利用云計算技術對物聯網的應用賦能，實現了物聯網的完美對接。對物聯網的應用提升了邊坡的安全系數，也使邊坡位移監測更加方便快捷，節省大量人力物力及時間，極大程度上適應現在社會發展的需求，對礦山行業也將產生深遠影響。

1.3.5 實施效果

在實際運行過程中，自動化變形監測安全預警系統提供的監測數據與人工測量的監測點數據誤差均在《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》要求允許的范圍內（對于巖質邊坡，水平位移監測相鄰點位中誤差不大于6mm，垂直位移監測高程中誤差不大于3mm，對于土質邊坡，水平位移監測相鄰點位中誤差不大于12mm，垂直位移監測高程中誤差不大于10mm），可以實現對邊坡水平位移和沉降位移的準確監測，使人更為科學的掌握邊坡的安全狀況和運行狀況。在研究過程中，根據邊坡潛在破壞模式的分析，司家營鐵礦對潛在危險區域進行提前治理，消除邊坡安全隱患，同時開展生態護坡工作，綠化面積達50000余平方米，栽種樹苗上萬棵，成活率高達90%，將露天采場邊坡改造成青山綠林。

1.3.6 推廣實施

此套露天采場邊坡在線監測與物聯網對接的新技術已經在司家營露天采場東幫靠界邊坡和西幫靠界邊坡得到應用，按照目前技術水準，露天采場邊坡在線監測與物聯網對接解決了利用GPS系統和全站儀設備進行人工測量的通視程度低、準確度低、無法預測滑坡發生的難點，并引入物聯網技術，攻克了邊坡位移破壞測量儀與監測設備連接線纜的關鍵技術難題，已經達到了邊坡在線監測的新水平，可以在同類露天礦山中推廣應用。

2 結語

綜上所述，目前國內外露天煤礦邊坡監測技術多以GPS監測技術為主，其主要優點是價格較低，設備安裝較容易，而近幾年也陸續有使用雷達監測技術及三維激光掃描系統，實現實時監測、遠距離監測，但價格相比GPS較貴，設備多為國外引進設備。