露天采场边坡在线监测与物联网对接的研究与应用

李爱民

（河钢集团司家营矿山分公司，河北 唐山 063000）

1 项目概况

本项目主要应用于露天采场边坡在线监测。

1.1 立项背景

司家营铁矿位于河北省滦州市城南3km，地理坐标为118°45′40″，北纬39°38′20″～39°39′42″。2017年3月，司家营铁矿采场最低生产标高为-142m水平，最大边坡高度已达210m，高大边坡对露天采场的安全生产存在威胁，边坡一旦滑坡将会导致边坡一侧作业面上的人员和设备受到伤害，造成不可估量的经济损失。

国内多数金属及非金属露天矿山，其边坡高度达到200m时，均开展地表水平位移和垂直位移裂缝错位和边坡深度变形监测内容，其中采用GPS系统和全站仪设备对边坡不稳定部位监测的占大多数。国外矿山诸如智利丘基卡马塔铜矿、加拿大帕拉博拉铜矿均采用边坡在线监测系统对边坡变形进行监测，监测系统通常需要在边坡钻孔放入同轴电缆使测试仪与监测设备相连，随着边坡的移动，边坡岩体的位移和变形使埋置其中的同轴电缆产生局部剪切、拉伸变形。为了获得边坡变形和位移的准确变化，获得高精度的三维网变形信息，准确对边坡位移进行形变分析，课题组决定引入物联网新技术，改变传统GPS系统和全站仪设备测量方式，并克服边坡位移破坏测量仪与监测设备连接线缆的缺点，实现新一代的边坡在线监测与物联网对接技术，对露天采场实现准确的边坡位移监测和安全预警。

1.2 主要内容

课题组对司家营铁矿露天采场边坡进行了细致研究和分析。

（1）在对露天采场滑坡事故进行总结分析后，地质勘查是第一个难点。

课题组用一年时间对露天采场内地质进行全面勘查并建立司家营铁矿地质模型和网络模型，根据赤平投影运动分析方法，初步分析了边坡潜在破坏模式，确定出边坡监测区域。紧后则对边坡监测设备进行市场调研，确定边坡监测设备选用型号、监测方案和监测位置。

（2）第二个难点则是变形监测系统的选用。

在对比目前应用较多的各种变形监测系统后，课题组决定选用RocMos自动化变形监测安全预警系统，因其数据传输模块支持多种通讯模式，是克服边坡位移破坏测量仪与监测设备连接线缆的缺点的优选方式。

（3）物联网技术的应用是第三个难点。

物联网作为新兴技术，课题组成员对物联网技术采取了理论学习和市场交流多种方式，逐步掌握了物联网技术要点，最终确定以服务器装在RocMos自动化变形监测安全预警系统，实现边坡监测设备与RocMos自动化变形监测安全预警系统的物物互联。

（4）第四个难点则是边坡预警思路的确定。

露天采场边坡滑动面的位置、平整程度、力学参数、上部载荷大小、地下水活动情况等均难以得到准确数值，不确定性因素和无法量化的数据使预警值难以提出，而且不同的边坡，边坡角和地质情况均不相同，临界的监测预警值也有很大差异。最终，课题组成员对大量国内矿山滑坡事故数据进行研究，决定采用工程类比、在线监测时间轴曲线确定预警值，将预警值录入RocMos自动化变形监测安全预警系统后，系统可对边坡位移进行准确预警。

1.3 特点及应用推广情况

露天采场边坡监测系统与物联网对接的研究和应用过程中，分别取得了如下成果。

1.3.1 层状岩质边坡工程地质勘察与潜在破坏模式

司家营铁矿露天采场东帮边坡出露的变质岩系自下而上地层层序为，钾长石化白云母片岩、黑云变粒岩。其中，位于下层的钾长石化白云母片岩经风化后呈土黄色，极易破碎，遇水后呈泥状，是易造成边坡失稳滑塌的岩石类型。

通过赤平投影运动分析方法，初步分析了边坡潜在破坏模式。分析表明东帮边坡主要破坏模式为顺层滑移—平面破坏模式，西帮边坡主要破坏模式为反倾破碎岩体倾倒崩塌破坏，第四系特厚冲积层在降雨、地下水渗流等不利因素作用下，发生圆弧滑坡破坏。在此基础上，对局部滑坡进行抗剪强度参数反算，对强风化岩体进行反算确定其抗减强度参数。

1.3.2 地质模型的建立

利用3dmine建立起司家营铁矿地质模型及网络模型，该地质模型包括黑云变粒岩、强风化黑云变粒岩、中风化黑云变粒岩、微风化黑云变粒岩、石英砂岩、白云母片岩及磁铁石英岩这7种岩性，网络模型包括现状境界、开挖至2022年境界及最终境界。以下为2022年司家营铁矿露天采场境界图。

图1 地质模型的建立

1.3.3 各向异性渗流-应力耦合数值模拟及排水方案优化

通过应力及渗流场分析，结合边坡潜在破坏模式及对岩层倾角进行敏感性分析发现，各向同性模型计算表明上部风化岩破坏模式多呈单台阶破坏，由台阶坡面角控制，折减系数较小时，未出现岩层面贯穿多台阶破坏。各向异性模型计算所得边坡损伤区在风化带出现平面型破坏区，这与采用滑面应力法计算结果所搜索的滑动区域相吻合，各向异性模型更适用于顺层岩质边坡破坏机理分析。

1.3.4 引入物联网，搭建边坡在线监测系统

在研究过程中，从监测数据的获取、传输到监测数据在云服务器的简易处理和存储，实现了监测点与服务器和自动化变形监测系统的对接，形成物物相连的互联网，并利用云计算技术对物联网的应用赋能，实现了物联网的完美对接。对物联网的应用提升了边坡的安全系数，也使边坡位移监测更加方便快捷，节省大量人力物力及时间，极大程度上适应现在社会发展的需求，对矿山行业也将产生深远影响。

1.3.5 实施效果

在实际运行过程中，自动化变形监测安全预警系统提供的监测数据与人工测量的监测点数据误差均在《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》要求允许的范围内（对于岩质边坡，水平位移监测相邻点位中误差不大于6mm，垂直位移监测高程中误差不大于3mm，对于土质边坡，水平位移监测相邻点位中误差不大于12mm，垂直位移监测高程中误差不大于10mm），可以实现对边坡水平位移和沉降位移的准确监测，使人更为科学的掌握边坡的安全状况和运行状况。在研究过程中，根据边坡潜在破坏模式的分析，司家营铁矿对潜在危险区域进行提前治理，消除边坡安全隐患，同时开展生态护坡工作，绿化面积达50000余平方米，栽种树苗上万棵，成活率高达90%，将露天采场边坡改造成青山绿林。

1.3.6 推广实施

此套露天采场边坡在线监测与物联网对接的新技术已经在司家营露天采场东帮靠界边坡和西帮靠界边坡得到应用，按照目前技术水准，露天采场边坡在线监测与物联网对接解决了利用GPS系统和全站仪设备进行人工测量的通视程度低、准确度低、无法预测滑坡发生的难点，并引入物联网技术，攻克了边坡位移破坏测量仪与监测设备连接线缆的关键技术难题，已经达到了边坡在线监测的新水平，可以在同类露天矿山中推广应用。

2 结语

综上所述，目前国内外露天煤矿边坡监测技术多以GPS监测技术为主，其主要优点是价格较低，设备安装较容易，而近几年也陆续有使用雷达监测技术及三维激光扫描系统，实现实时监测、远距离监测，但价格相比GPS较贵，设备多为国外引进设备。