基于边坡滑移的选煤厂贮煤筒仓位移监测系统研究

刘利波 曹艳军

(神华准格尔能源集团有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010300)

1 前言

筒仓在煤炭、电力的港口等多行业有着广泛的应用，主要用于短期贮存原料和产品等物料，具有环境污染小以及按质分储等特点。但由于地质变化或者设计不当等原因，会引起筒仓建筑变形问题。针对存在的问题，学术上有针对软质岩屑地基对建筑物的破坏机理及治理分析研究，也有针对贮煤筒仓安全检测系统的有关研究，这些研究对保障超大型筒仓的安全至关重要。周留才对石景山热电厂3万t贮煤筒仓安全监控系统的预防措施、检测控制和处理手段进行了研究分析；吴世佳通过强度折减法对边坡进行了数值计算，分析了边坡的变形破坏机制，综合评判了边坡的整体性情况；王静等人的研究表明，钢支撑没有预加轴力对围护桩的受力和变形影响较大，桩体嵌固深度不足对位移影响不明显，但对桩体应力增大明显，对桩体受力性能十分不利；曾二贤等人的研究表明，边坡坡脚存在较大应力集中，且开挖坡脚是影响滑坡稳定的重要因素；张利朋等人采用GNSS、传感器和测斜仪联合监测边坡，通过检测结果可知，在滑动较大的地方采取改河道和削坡减载等综合治理措施能够实现边坡灾害防范降灾；蔡同祥等人研究表明，筒仓卸料时增压比与径向位移比变化基本一致，增压比与料仓内颗粒流动速度存在一定的线性关系，静、动态时侧压峰值出现在直筒壁与漏斗壁过渡处靠近直筒壁一侧，侧压增压比在筒仓中上部达到最大值，必须强化过渡处和筒仓上部的结构设计；卢坤林等人采用模型槽对素土和加筋土边坡的破坏过程进行了试验，用数码摄像机记录了边坡破坏的全过程，为边坡的治理提高了依据。

由于神华准能集团选煤厂(以下简称准能选煤厂)的贮煤筒仓处在特殊地质条件的位置上，并受到露天矿爆破采煤扰动以及周围新建工程的影响，1993年以来，针对选煤厂贮煤仓边坡因失稳滑移和偏移现象进行了多次工程治理。为了保证贮煤筒仓安全可靠，建立了基于边坡失稳滑移地形下贮煤筒仓位移监测系统，并结合2015年的监测数据对仓体荷载(半仓、满仓)变化、仓体偏载季节性温度的变化等因素与仓体沉降和偏移的关系进行了研究。

2 准能选煤厂贮煤筒仓概况

准能选煤厂位于露天首采区北侧，高程为1205～1153 m，场地自然地形南高北低，坡度约为10%。场地为黄土地貌，由于地表径流冲刷侵蚀作用，场地冲沟发育，沟壁陡峭，地形复杂。表土层为黄土且表土层较厚，其下为紫色亚粘土卵石、粗砂等。准能选煤厂工业场地是以自然地形条件进行设计，呈竖向排列，采用台阶式平场方式分台阶布置。产品仓均采用钢筋混凝土筒式结构，产品仓零平面标高为1172.3 m，仓高为35 m，总仓容为3.89万t。产品仓一字排开，自西向东排列，与铁路装车站平行布置。位于准能选煤厂场地内的最低一个台阶，产品仓平场标高比铁路装车站下轨面标高为18.8 m，高差较大，使产品仓北侧与装车站铁路之间形成了较大的边坡。

3 贮煤筒仓位移监测系统架构研究思路和在线监测原理

3.1 贮煤筒仓位移监测系统架构研究思路

为了准确地检测贮煤筒仓实时危险动态，及时掌握仓体偏移和沉降情况，需对准能选煤厂产品仓进行仓体倾斜、基础沉降及位移、地下水位变化、温度对仓体位移影响等项目的研究。通过选用合适的监测仪器对相应的监测点数据进行监测，建立软硬件系统对在线监测数据进行自动化采集，通过软件系统进行统计和分析处理，形成一套数据监测反馈机制，及时关注报警信息，实现自动化监控、远程在线查看、在线分析和预报警四大功能。

该系统能够实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析及综合预警，并具备在各种气候条件下实现适时监测的能力。另外，企业各级安全管理职能部门可以通过网络实现对筒仓各项在线监测参数的查看；安全监测管理分析模块还具备基础资料管理、各项监测内容适时显示发布、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能，其中数据分析部分包括各项监测内容趋势分析、综合过程线分析等内容。通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警和邮件报警，提醒相关人员采取措施，预防事故发生。

3.2 在线监测原理

贮煤筒仓在线检测包括倾斜监测、沉降监测、地下水位监测、温度监测以及仓贮煤量监测5个方面。

(1)倾斜监测。倾斜监测采用双轴倾斜仪，同时测定两个正交方向上的倾斜量。可同时测定在平面xoz和yoz两个垂直平面内的倾角如图1所示。筒仓倾斜监测的原理是将筒仓最下面的一点作为参考点，通过仓体在xoz以及yoz平面直接偏移量的采集，在垂直偏移仪器上进行显示，从而监测仓筒的倾斜状态，通过在筒仓侧壁上安装多只倾斜仪可以更加准确地监测仓筒变形情况。位移采用的计算公式见式(1)：

S=(X0-X)×G+K×(Z-H)

(1)

式中：S——位移变化量，mm；

X0——为初始仪器读数，mm；

X——当前读数，mm；

G——设备提供的仪器系数；

K——传感器修正系数；

Z——初始温度， ℃；

H——当前温度， ℃。

(2)沉降监测。沉降监测采用静力水准沉降监测系统，该系统由一系列含有液位传感器的容器组成，容器之间由充液管互相连通。基准容器位于一个稳定的基准点，其它容器位于与基准容器大约相同标高的不同位置上，任何一个容器与基准容器之间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。静力水准组成示意图如图2所示。

图1 在平面xoz和yoz两个垂直平面内测定倾角

图2 静力水准组成示意图

静力水准沉降监测系统运用连通器原理，即连通管两端口液面保持同一水平面，当观测人员在观测房内测出测管端液面高程时，便可知道另一端(测点)的液面高程。前后两次高程测量读数之差即为该测点的沉降量，计算公式见式(2)：

S1=H1-H0

(2)

式中：S1——测点的沉降量，mm；

H1——当前测量读数，mm；

H0——初始测量读数，mm。

(3)地下水位监测。采用振弦式渗压计进行地下水位监测，在钻孔里放置渗压计(与测压管结合使用)，通过测量渗压计的压力，再转化为水头高度，结合安装深度以及孔口高程即可得到地下水位高度(地下水位高度为安装仪器的安装高度与渗压计测量高度的差值)。地下水位监测点位置选择在贮煤筒仓附近，设计几个监测剖面，需要钻孔深度一般为见水2～4 m以下。地下水位设计示意图如图3所示。

图3 地下水位设计示意图

(4)温度监测。采用半导体热敏电阻传感器对筒仓温度进行监控。

(5)仓储煤量监测。通过仓下胶带秤以及仓内料位计的配合使用，对仓内的物料进行监测，了解筒仓在空仓、半仓、满仓不同状态下的偏移和沉降变化。

4 监测设备选型及安装

(1)固定式倾角计。由于筒仓直径较大，煤仓的倾斜属于刚性的，因此采用双轴倾斜仪，在产品仓高度为35 m和10 m的位置处设置传感器，从仓体上的倾斜仪就可以直接得到仓体的倾斜角和倾斜方向。

(2)沉降监测。在产品仓的每个仓体侧壁上设置1个静力水准仪，结合测斜仪测出的仓体倾斜量，得出仓体任意位置的沉降量。

(3)振弦式渗压计。选择型号为BGK-4500S的渗压计，透水石浸透完成后，将渗压计提至水面位置，此时用采集软件或读数仪读出渗压计的初始频率并做记录。

(4)温度监测。产品仓按照一个选用半导体热敏电阻温度传感器，传感器型号为BGK-3700。

(5)煤仓物位测量。煤仓物位监测采用超声波煤位监测仪器，采用RS232和RS485等数据格式进行传输。

5 软件系统设计

软件系统由采集软件MDSS和煤仓在线监测系统NetMonitor组成。 MDSS是一套连接传感器和采集器的上位机软件，将采集到的传感器数据进行解析，结合环境参数解算出最终结果，并在MDSS界面上显示，然后发送给其他显示平台并存入数据库。NetMonitor为选煤厂煤仓在线监测系统，是一款监测煤仓倾斜度、内部料位、沉降、外部温度的综合管理系统。本系统提供了数据展示、报警、用户管理、日志查询、传感器管理等功能。贮煤筒仓位移监测系统由贮煤筒仓现场监测点传感器系统、选煤厂监控中心和数据传输三大部分组成。贮煤筒仓位移监测系统拓扑图如图4所示。

图4 贮煤筒仓位移监测系统拓扑图

6 贮煤筒仓位移监测系统数据分析

6.1 料位对仓体沉降、倾斜的影响

温度在16℃～18℃之间，偏载在-2～2 m范围内，控制自变量温度和偏载不变，得到料位的变化对仓体的沉降和倾斜的影响曲线如图5和图6所示。

从图5和图6可以看出，产品仓实测点与中心点的测量数据相较而言比较接近且相差较小；其总体走势为：在料位介于0～12 m之间时，沉降量有些许波动，但波动范围较小；料位为13 m时，沉降量约为10 mm，随后出现大幅沉降，最低在料位在16 m时达到-2 mm，随后大幅上升，最高在料位18.5 m时接近16 mm，总体来看沉降曲线较为稳定。二号北倾角计随料位变化不大，一号北倾角计数据最大，并持续保持在-0.03°～-0.04°之间，一号东倾角计围绕0°波动较大，二号东倾角计与一号东倾角计基本保持同一波动情况，倾斜范围主要在-0.01°～-0.025°之间。

图5 料位对仓体沉降的影响曲线

图6 料位对仓体倾斜的影响曲线

6.2 偏载对仓体沉降、倾斜的影响

6.2.1 半仓

温度在16℃～18℃之间，料位在8～12 m范围内(半仓)，控制自变量温度和仓体工作状态不变，得到偏载对仓体的沉降和倾斜的影响曲线如图7和图8所示。

从图7和图8可以看出，测试仓体的实测点和中心点在偏载变化过程中，两组数据相差较小，趋势基本保持同步，偏载在-17～-5 m之间时，沉降量较稳定在-3～3 m之间波动，随后急剧上升，在偏载为-4.7 m左右达到最大值15 m，此后在偏载为5.7～15 m时沉降量出现峰值，其他时间主要波动于-1～3 m之间。二号北、东倾角计所测的倾斜角度与偏载的关系不大，但是一号北、东倾角计所测倾斜角在偏载逐渐增大的过程中，倾斜角度波动较大，整体出现略微减小的趋势。

图8 偏载对仓体倾斜的影响曲线

6.2.2 满仓

温度在16℃～18℃之间，料位在16～20 m范围内(满仓)，控制自变量温度和仓体工作状态不变，得到偏载对仓体的沉降和倾斜的影响曲线如图9和图10所示。

图9 偏载对仓体沉降的影响曲线

图10 偏载对仓体倾斜的影响曲线

从图9和图10可以看出，测试仓体的实测点和中心点在偏载变化过程中，两组数据相差较小，趋势基本保持同步，偏载在-5～1.5 m之间时，沉降量稳定在0附近波动，随后急剧上升，在偏载为2 m左右时达到最大值15，此后又迅速下降于偏载为2.5 m时达到0。随后在偏载为3 m时，沉降量又一次出现峰值，而后同样迅速下降到0，之后稳定在0附近。二号北倾角计所测的倾斜角度与偏载的关系不大，但是二号东和一号北、东倾角计所测倾斜角在偏载逐渐增大的过程中，倾斜角度波动较大，整体出现略微减小的趋势。

6.3 温度对仓体沉降、倾斜的影响

6.3.1 半仓

偏载在-2～2 m之间，料位在8～12 m范围内(半仓)，控制自变量偏载和仓体工作状态不变，得到温度对仓体的沉降和倾斜的影响曲线如图11和图12所示。

图11 温度对仓体沉降的影响曲线

图12 温度对仓体倾斜的影响曲线

从图11和图12可以看出，测试仓体的实测点和中心点在温度的变化过程中，在6℃～10℃温度区间，沉降值迅速增大，在温度为10℃时，沉降值迅速减小，在10℃～20℃温度区间，沉降值稳步上升，期间略有波动。在20℃时，沉降值有较大的下降，而后沉降值较为稳定。一号倾角计所测北倾斜角度和东倾斜角度在整个温度变化区间变化不大。二号倾角计所测北倾斜角度和东倾斜角度随着温度的增加，倾斜角度整体出现缓慢增大的趋势，其中由数据的误差及其他各种因素使得曲线产生波动。

6.3.2 满仓

偏载在-2～2 m之间，料位在16～20 m范围内(满仓)，控制自变量偏载和仓体工作状态不变，得到温度对仓体的沉降和倾斜的影响曲线如图13和图14所示。

从图13和图14可以看出，测试仓体的实测点和中心点在温度的变化过程中，沉降值在初期稳定，沉降值在-1 mm左右。在温度为12℃时，沉降值增大，在温度为16℃时，沉降值有着巨大的增大，然后迅速回落，之后维持在一个稳定的水平。一号倾角计所测东倾斜角度和北倾斜角度随着温度的增加，倾斜角度整体稳定，曲线变化不大。二号倾角计所测东倾斜角度和北倾斜角度出现缓慢增大的趋势，其中由于数据的误差及其他各种因素使得曲线产生波动。

图13 温度对仓体沉降的影响曲线

图14 温度对仓体倾斜的影响曲线

7 结论

(1)针对准能选煤厂建立的集现场实时自动化监控功能、远程在线查看功能、在线分析功能、预报警四大功能的贮煤筒仓在线监测系统，整体上实现了总体功能的预期。

(2)随着料位的增大，仓体沉降逐渐增大，仓体往东倾斜幅度会先增大后减小，而往北倾斜幅度变化较小。半仓时，随着偏载的增大，仓体沉降变化幅度较小，而仓体往东倾斜变化较大，往北倾斜变化较小；满仓时，随着偏载的增大，仓体沉降和倾斜变化幅度均较小。

(3)随着温度的增大，仓体沉降变化较小，而倾斜幅度逐渐增大，在20℃以上时增量较小。在15℃～20℃范围内时，仓体沉降和倾斜变化幅度均较大。

(4)基于边坡失稳滑移地形下贮煤筒仓位移监测系统的成功开发及应用解决了对贮煤筒仓实时监测和监控的技术安全难题，填补了筒仓在线位移监测技术空白，对周边相同地质条件下的建筑位移安全监测具有借鉴和指导意义。