张贵永、张昇明
紫金矿业集团股份有限公司
摘要：边坡在发生滑坡前，一般会有一个缓慢发展的过程。因此，通过对边坡进行实时监测，可以掌握边坡的稳定性状态，实现在边坡发生滑坡前进行有效的预防措施。传统的边坡稳定性监测方法大都是依靠经纬仪、水准仪或全站仪等仪器进行人工监测，精度低且效率不高。随着网络技术和测绘技术的发展，测量机器人、三维激光扫描、GNSS技术和物联网技术等先进技术已经逐渐应用于露天矿边坡稳定性监测中。为矿山安全生产提供了强有力的保障，提高了矿山安全生产水平。本文通过实例分析自动化监测预警系统在边坡监测工程中的应用。
关键词：自动化监测预警系统；边坡监测；应用
1工程概况及安全监测等级划分
某矿区位于单面山，总体地势呈现东高西低。矿区采用台阶式分层采矿法，采区自上而下按15m高的台阶逐层开采，采矿场分为22个开采平台。矿区最终开采高度约315m，边坡地层主要为顺层灰岩。
根据相关规范规定可知：该边坡属于高边坡（200～500m），高度等级指数H为2级；开采设计的顺向坡最终边坡角为40°～44°，反向坡最终边坡为49°～55°，根据露天采场边坡总边坡角等级划分，坡度等级指数A为1级；根据地质报告和边坡工程勘察报告，该矿区地质条件较为简单，地质条件等级指数G为3；根据边坡安全系数F对露天矿山采场边坡稳定性进行滑坡风险分级，该矿区采场边坡滑坡风险等级为4。
露天矿山采场边坡安全监测等级按边坡的变形指数和滑坡风险等级共同确定，当边坡变形指数和风险指数取值不在同一监测等级时，取两者中较高等级。其中变形指数由式（1）确定。
D=H+A+G （1）
式中，D为变形指数；H为高度等级指数；A为坡度等级指数；G为地质条件指数。综上所述，矿区边坡的变形指数D为6级，滑坡风险等级为4。当边坡变形指数和风险指数取值不在同一监测等级时，取变形指数和风险等级中较高的。因此，该矿区边坡安全监测等级为2级。
2自动化监测预警系统设计与实施
2.1监测内容
基于北斗卫星系统定位、传感器及4G通信功能构建了露天矿边坡自动化监测系统，实现了对矿区边坡实时高效的自动化监测。借助北斗系统的定位功能以及传感器，获得边坡监测点的三维坐标等信息，并利用4G通信，将监测点的监测信息传输到数据处理平台进行分析处理，可及时掌握边坡稳定性的动态以及发展趋势。根据相关规范要求，边坡安全监测等级为2级的边坡安全监测主要包括：表面位移、爆破震动、地下水位、降雨量、视频监控。因此，结合矿区边坡为顺层边坡特点，确定的监测内容为表面位移、深部位移、爆破震动、地下水位、降雨量和视频监控。
2.2监测系统构架
该矿区高边坡自动化监测系统由监测区域观测点、通信子系统和数据中心组成，三部分组成一个有机的整体，实现系统的整体建设目标。监测区域观测点是对各观测点进行监测，并进行GNSS及传感器数据采集；通信子系统是通过4G对传感器数据采集数据进行传输；数据中心工作是对所有监测数据进行解算、数据的集中存储、统一分析及预警发布。具体监测系统构架见图1。
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2.3监测数据采集及通讯
各监测点的传感器通过太阳能与风能联合提供电力，进行监测数据自动化采集。GNSS监测站数据采集频率为每3min1次；深部位移计设备数据采集频率为1h1次；地下水位监测设备数据采集频率为1h1次；雨量站数据采集频率为1h1次；爆破监测数据采集频率为每3min1次；视频监测数据采集为24h实时采集。数据采集频率可根据实际情况调整监测频率。监测设备通讯采用无线通信方式，采用分布式、RS-485与无线通讯方式综合组网，测站内的数据采集装置之间采用RS485总线连接，监测站与数据中心之间采用星型连接无线通信的网络拓扑形式。监测区域间的设备均采用无线4G网络组网方式，并将传感器的监测数据通过4G/DTU无线网络传输给监测系统解算软件，服务器接收来自监测点的监测数据，经HCR解算得出监测数据，并将监测数据传输至分析平台。
2.4监测数据处理
监测数据通过无线网络传输至分析平台，然后分析平台运用多种方法对不同监测指标的监测数据进行分析处理。针对GNSS数据处理采用GPS短基线高精度解算的方法，解算监测点至基准点的相对位置。并根据GNSS监测数据的类型，对累计位移量、位移速率和位移加速度进行分析并将监测数据图表化显示。针对视频数据，通过实时图像形式在监测站电脑中显示出来，通过遥控台对现场爆破环境等进行实时跟踪和画面记录。针对爆破振动监测数据，以自动触发并绘制表格的形式显示出来。针对降雨量数据，以自动绘制柱状图的形式显示。针对地下水和深度位移的监测数据以自动绘制曲线图的形式显示出来。通过对监测数据的处理，分析平台通过多监测信息联合判据对边坡进行三级预警，当监测数据异常时，预警平台会自动通过短信、警报等方式通知矿区的负责人和监测人员做好预防措施，为矿区的安全生产提供了保障。
2.5监测系统实施及效果
自动化监测系统一期建设于2019年8月完成，目前进行了为期4个月的设备试运行。在试运行期间，采集了大量的监测数据，并平稳传输到了分析平台，设备运行正常，数据稳定。各监测设备采集的数据经平台分析显示未出现异常值，矿区日常开采活动正常进行，未发生大面积滑坡等灾难性事件，与监测数据相符合。通过监测数据与现场矿区情况的对比可知，该自动化监测系统对矿区进行了精准、高效的监测，为矿区的安全生产提供了强有力的保障。
3结语
综上所述 ，基于北斗卫星的露天矿自动化监测系统，实现了对露天矿边坡稳定性的自动化、全天候的实时监测，且管理维护简单，还可实现远程监控、短信报警等功能；高清视频监测作为监测技术的补充，实现了矿区全覆盖视频监控，可以更加直观地了解边坡实时情况。该系统在该矿区的投入运行，提高了矿区安全管控和预警水平，为矿区的正常生产提供了有力保障。同时也可为类似地质条件的露天矿场安全监测提供参考。
参考文献
[1]露天矿山高陡边坡智能在线监测及预警系统研究[J].杨忠林,薄建芬,黄永强.矿业工程.2016(02)
[2]自动监测与预警系统在高边坡监测中的应用研究[J].李奎良,龚秋全,董武钟,程森.建筑安全.2019(08)