摘 要：为保证露天矿采、排场固定帮边坡的稳定，不同露天矿根据自身的边坡稳定因素和现有的测量设备等多种因素，设计不同的边坡监测方法。本文介绍了GPS位移在线监测与预警在露天煤矿的应用，总结经验，并对运行过程中出现的问题，提出了改进措施。
关键词：固定边坡；自动化监测；滑坡预警；
1、引言
露天采矿是我国煤炭工业的优先发展战略露天矿的规模也得到了迅速的扩张和发展，露天矿采场和排土场边坡频繁滑坡等地质灾害事故频繁发生,不仅扰乱了矿山的正常生产秩序,致使经济财产蒙受巨大损失,而且对作业人员的生命安全也构成了严重的威胁。露天煤矿采场、排土场边坡稳定性监测和预警预报问题成为露天煤矿安全生产的关键问题，有效地边坡稳定性监测和滑坡预警预报是进行露天矿边坡治理和稳定控制的前提。因此滑坡监测尤为重要，但近年来滑坡监测主要局限于人工定期监测层面上，无法满足滑坡灾害监测效果，存在监测预报的滞后性，而在线监测则全天24 h 监测，能实时监测到滑坡的变化情况，为准确、及时预报滑坡灾害提供了有效依据，为露天煤矿开采防灾减灾提供技术保障。
2、黑山露天矿概况
黑山露天矿位于新疆托克逊县西北约90千米处，北距乌鲁木齐市约65千米，东距南疆铁路鱼儿沟车站约55千米。行政区划属新疆托克逊县管辖，属后峡煤田黑山矿区。地势北高南低，西高东低，地层为倾斜地层，倾角一般为13°～25°。矿区内海拔标高一般为2400m～2900m，最低海拔标高为2365m，最高海拔标高为3023m。
本矿可采煤层总厚较大，资源量丰富，煤层平均总厚50.97米，开采境界特征为：地表走向平均长15.84km，地表倾向平均宽2.14km，可采原煤量1141.09Mt。按建设规模为4.00Mt/a,均衡服务年限259年。
3、首采区北帮滑坡概况
2013年9月黑山露天矿首采区北帮（非工作帮）发生大面积滑坡，滑坡方量为873万立方，滑坡区域南北倾向宽约600m，东西走向长约550m，滑动方向为由北向南，滑坡前缘推进距离约30m，后缘最大落差约13m，采场底部有地下水出露。底部煤层开采台阶被压占，直接影响了原煤生产及西部露煤剥离工程，给露天矿的正常生产造成了重大影响。
首采区北帮（非工作帮）为最终开采境界，边坡倾向与地层倾向相同，走向基本一致，边坡角度大于地层倾角，导致边坡切断地层，不同地层在边坡坡面出露，极易形成在层理面控制下的顺层滑坡。非工作帮区从地表至煤层顶板之间广泛分布着烧变岩，烧变岩主要为棕红色，母岩为砂岩，岩块坚硬，但是从现场出露情况可以看出烧变岩节理裂隙极其发育，结构面错综复杂且结合不好，受节理裂隙切割岩体完整性极差，类似于松散介质。在成坡过程中，一旦临空面形成，裂隙极容易贯通导致边坡失稳。
4、在线监测系统精度及报警方式
根据现场实际情况主要监测项目：①降雨量监测；②GPS沉降监测；③裂缝监测。并确定采用统一报警方法：①应急指挥中心负责人、监控管理中心值守人及主要负责人短信、邮件报警；②监控管理中心声光报警。
5、自动化在线监测原理及预警值设置
5.1.降雨量监测方法及预警值设置
在现场开阔避风处设置雨量监测点，降雨量监测点布置满足现场实际要求。
1、系统工作原理：采集数据可以通过通信接口电缆直接接入服务器电脑无线网络等方式传入服务器。
2、降雨量预警值设置：
（1）一级预警值：降雨速率1.0mm/min、小时降雨量15mm、日降雨量50mm。
（2）二级预警值：降雨速率2.0mm/min、小时降雨量30mm、日降雨量100mm。
（3）三级预警值：降雨速率4.0mm/min、小时降雨量60mm、日降雨量200mm。
监测系统运行可根据当地水文气象资料以及实际监测数据对预警参数进行优化调整。
5.2.GPS位移监测方法及预警值设置
1、点位布置：测点和基点的自身结构和基础必须坚固可靠，且冰冻区测墩基础应深入冰冻层以下0.5m。根据《滑坡防治工程勘查规范》（中华人民共和国地质矿产行业标准）规定滑坡长度大于1Km时，测点间隔为180-220m；长度为500-1000m时，测点间隔为100-180m；长度为300-500m时，测点间隔为70-100m；长度为100-300m时，测点间隔为40-70m。
2、系统工作原理：GPS监测点相对于基准点的三维坐标变化，从而获得变形体的变形量。
3、预警值设置
（1）一级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过1mm/d且位移方向基本一致；5日累计位移超过6mm、期间日平均位移速率超过0.5mm/d且方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。
（2）二级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过1.5mm/d且位移方向基本一致；5日累计位移超过9mm、期间日平均位移速率超过0.8mm/d且方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。
（3）三级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过2mm/d且位移方向基本一致；5日累计位移超过15mm、期间日平均位移速率超过1mm/d且方向一致并未见收敛。垂直方向上按水平方向的2倍值控制。
监测系统运行可将实际监测数据对预警值进行重新计算和优化调整。
5.3.裂缝在线监测方法及预警值设置
1、点位布置：表面裂缝监测主要监测滑坡体表面明显裂缝位移情况，及时了解滑坡体滑动位移，监测点主要布置在已经产生明显裂缝的滑坡体处；沿边坡布置，测试边坡上一定距离间的位移变化，达到监测整个边坡稳定性的目的。
2、系统工作原理：具体方法为在边坡表面有明显裂缝处开挖10-30米长，深为0.5米的沟槽，沟槽内布置单点位移计，然后引线至自动测试系统。位移计由位移计本体，延长测杆，两端锚固钉组成。监测数据接入GPS采集单元中，监测数据随GPS数据一起采用GPRS传输到监控中心。
3、预警值设置
（1）一级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过40mm/d；5日累计位移超过200mm、期间日平均位移速率超过40mm/d且方向一致并未见收敛。
（2）二级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过50mm/d；5日累计位移超过250mm、期间日平均位移速率超过50mm/d且方向一致并未见收敛。
（3）三级预警值：水平方向上连续5天日平均位移速率超过60mm/d且位移方向基本一致；5日累计位移超过300mm、期间日平均位移速率超过60mm/d且方向一致并未见收敛。
监测系统运行可将实际监测数据对预警值进行重新计算和优化调整。
5.4.在线监测系统通讯设备
综合考虑实际情况，采用简单使用的GPRS通讯方式，将监测点的数据传输到基站，再由基站用网络传输至中心监控室。
5.5.系统供电
选用单晶、12v、100W的太阳能电池板，以及100AH，12V免维护蓄电池，蓄电池在正常光照情况下，供电时间T=Q/I=100/0.3=333h，理想情况下可以保证监测点10天正常供电需求。
5.6.监控中心
显示设备宜选用大尺寸液晶数字显示器，配置专业数据服务器，并配备可给数据服务器提供至少延续12小时电力能力的大功率后备电源，分析数据有连续记录3年以上数据量的存储能力。
5.7.系统软件
系统选用GNSS Monitor高精度解算软件，GNSS Monitor服务器软件是一款提供实时单历元高精度变形信息的服务器软件，软件可长时间实时通过网络接收变形监测项目中所有基准站和监测站的GPS原始观测数据，采用先进的卡尔曼滤波器进行数据处理，生成高精度单历元变形信息，并将变形信息实时导入数据库，供分析预警系统调用。
滑坡在线监测预警系统软件，本软件简洁、直观、方便、实用，数据详实、过程细致、报表完善，既能自动预警，也能远程发布；它允许用户在已经接入互联网的计算机的浏览器中登录到监测服务器上，查看监测现场信息（监测区域地图、监测点分布列表、监测工程信息）、监测位移变化趋势、水位数据、雨量数据、浸润线等等其它不同的监测数据图表及变化趋势，可设置报警阈值与报警方式等，浏览报警日志与操作日志以及生成报表等。
6、在线监测系统效果及改进
在线监测系统设计符合要求，仪器、参数选择合理，实现对滑坡体重要运行数据的实时采集、传输、计算、分析，包括山体降雨量、土壤含水率、内部变形、GPS沉降、土压力以及滑坡体视频等，实时掌握滑坡体整体运行的安全状态。
直观显示各项监测、监控信息数据的历史变化过程及当前状态，为滑坡区安全生产管理人员提供简单、明了、直观、有效的信息参考。一旦出现紧急异常情况（如特大暴雨、滑坡体土壤含水率超过预警值、滑坡体内部变形异常、滑坡体沉降位移或位移变化速率超过预警值等），系统能及时发出预警信息（包括声音报警、系统动画闪烁警报、监控大屏幕警报提示、相关管理人员和主管领导手机短信/邮件分级发布等）。
全天候作业，在大风、大雨、大雾、低温等极度恶劣气候条件下也能真正实现连续实时观测。直接提供三维坐标及其绝对或相对变化量，没有量程限制，网络通讯方式灵活，系统自动化程度高，可以方便实现远程控制、远程监测、远程数据下载与共享。利用该该系统中的中心基站，作为RTK测量基站，为露天矿的RTK测量服务。
7、结语
由于变形所导致的各种工程难题甚至事故中，高精度变形监测技术更加受用，这种新技术不但使用方便，更加节约成本，给我们提供真实可靠的数据，更多的应用于监测各种灾难性事故以防范于未然。
参考文献：
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[2] 郭铕君. 黑岱沟露天煤矿GPS智能调度系统的建设与应用[J]. 文摘版:工程技术, 2015(40):277-277.
[3] 郭铕君. 黑岱沟露天煤矿GPS智能调度系统的设计与应用[D]. 华北电力大学, 2016.
[4] 李旭. GPS钻机导航系统在黑岱沟露天矿的应用[J]. 露天采矿技术, 2014(6):37-39.
论文作者:陈兴茂
论文发表刊物:《科技中国》2017年11期
论文发表时间:2018/5/2
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