海州露天煤矿边坡变形监测系统

李 胜 邬珂瑞 韩永亮 齐嘉义

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

海州露天煤矿边坡变形监测系统

李 胜 邬珂瑞 韩永亮 齐嘉义

(辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000)

为及时掌握露天矿边坡变形规律，基于GPS监测技术、网络通讯技术和计算机等技术，建立了一套实时动态反映边坡变形的自动化监测系统。系统采用高精度GPS获取监测点的三维坐标，利用GPRS通讯模块将数据打包发送至计算机，并通过软件处理自行解算成图，实现边坡变形的自动化监测。以海州露天矿北帮为监测对象，经过一段时间的监测，监测结果表明：边坡平均水平位移变形为52.6 mm，平均垂直位移变形为17.3 mm，平均水平位移速率为0.33 mm/d，平均垂直位移速率为0.11 mm/d。边坡变形监测系统的构建实现了边坡变形的高精度、自动化监测，为灾害的动态预警和安全决策的及时制定提供了有效的技术支持。

GPS 边坡稳定 自动化监测 边坡变形监测系统

露天煤矿开采作为我国煤炭工业的优先发展战略，其规模正在迅速扩张和发展[1]。随着露天矿开挖边坡逐渐增高、开采范围越来越大，也导致滑坡等地质灾害频繁发生，严重威胁着人民的生命财产安全，造成了巨大的经济损失[2]。可见露天开采边坡的安全稳定对露天矿山的安全生产具有重大意义[3]。传统的监测方法主要依靠人工定期监测，而且受到天气、观测时段和频率等因素制约，监测的周期长，精度低，耗费大量的人力物力财力，不能满足快速、实时、准确、自动获取数据的需求，同时存在监测数据处理的过程复杂繁琐，分析周期长等缺点[4-5]。尽管相关部门对部分露天开采边坡的监测方法和数据处理进行了改进，包括监测数据库系统、网络系统的开发研制等，但普遍存在自动化程度不高等不足[6]。

随着GPS技术、网络通讯技术、计算机技术等的迅速发展，工程测量、监测的作业方法更是发生了历史性的变革[7]。本研究通过三者的有机结合，建立了一套实时动态反映边坡变形的自动化监测系统，不仅克服了传统变形监测方法工作量大、效率低、受外界环境影响等缺点，也满足了露天矿边坡监测对精度的要求，具有全天候、连续性和实时性等特点，实现露天开采边坡地质灾害监测远程自动化监测[8-10]。

1 监测系统总体设计

系统的总体构建需要软硬件的相互作用，系统按照其功能可划分为4大组成部分：①传感器子系统。由布置监测点上的GPS监测单元组成，对所有可见GPS卫星进行连续的观测，实时反应监测站的三维空间变化情况。系统采用的是X300M双频GPS接收机作为传感器进行数据的实时收集，水平精度±(2.5+1×10-6×D) mm，垂直精度±(5+1×10-6×D) mm(D为监测距离，m)。②通讯子系统。整个监测系统中包括有线传输和无线传输，该系统光纤作为有线传输主要以光纤形式进行传输，GPRS作为无线传输的形式。③数据处理系统。由布置在监控中心的监控终端、高性能服务器，结合HCmonitor软件来完成数据的实时接收、存储、实时数据处理成图显示、历史数据查询、监测数据统计分析和监测预警预报等功能。④辅助支持系统。包括外场机柜、配电及UPS、防雷和太阳能电池板。监测系统的总体结构设计见图1。

图1 监测系统总体结构设计

1.1 系统通讯子系统

变形监测系统中，GPS接收机将获得的卫星原始数据转化为RT17数据流(RT17包含了GPS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据)，传输给GPRS模块，再通过无线网络传到控制中心，数据传输到中心服务器需要加设防火墙保证系统的安全。控制中心在根据数据对应的IP地址和端口号，获得相应监测点的原始实时数据流，具体通讯流程见图2。

1.2 数据处理子系统

数据处理是边坡变形监测系统的重要组成部分，系统采用基于C/S架构的HCmonitor软件，以非线性Kalman滤波、三差解算法为核心，同时增加了先进的电离层改正模型使数据处理精度大大提高，经测验平面精度<3 mm，高程精度<5 mm。在控制中心服务器的应用服务器上，利用HCmonitor软件可以准实时解算出各监测点的三维坐标，所有数据最后存储在数据服务器上，通过web服务器来进行网上实时浏览。本系统采用SQL2008数据库管理子系统，用以完成数据的存储工作，包括坐标数据，监测信息和用户信息等，方便随时调取查询，数据处理的具体流程见图3。

图2 通讯流程

图3 数据处理流程

1.3 辅助支持子系统

辅助支持子系统包括外场机柜、配电及UPS、防雷和太阳能电池板。监测点的墩柱同样采用钢筋混凝土结构。采用两块50 W太阳电池板和150 Ah蓄电池组合的供电方式，这样的好处是安全、容易避雷、省工，而且在没有太阳的情况下可以连续工作7 d。变形监测系统采用直击雷防护，需要在GPS观测墩安装1.8 m避雷针，避雷针通过U型钢、接地线连接至地下0.5 m处，再与地下焊接扁铁地网连接形成避雷网，所有地下焊接处需要涂刷防锈防腐蚀的油漆。避雷针安装完成后，保证接地电阻小于1 Ω。观测墩包含了辅助支持子系统的大部分设备(见图4)。

2 工程应用

2.1 露天矿背景

海州露天煤矿矿场东西长4 km，南北宽2 km，垂直深度350多m，总占地面积达30多km2。矿坑周围有5万多居民、4所小学、3所中学、20余家工矿企业、86万m2民用建筑。自开矿以来，共发生大的滑坡近百次，滑坡岩体的总量2 081.7万m3，由此造成的人员伤亡和财产损失达到上亿元。目前，采场周边岩体产生滑移，导致地表出现严重变形，甚至产生明显的裂缝，给周边企业和居民造成了较大的经济损失和严重的生命安全隐患，尤其对坐落在海州露天矿北帮的阜新发电厂的安全形成严重威胁[11]。对露天边坡利用GPS技术进行边坡实时监测，为预防灾害的发生提供重要依据，可降低海州露天矿灾害造成的危害，减少露天矿周边建筑物、构筑物等保护对象的损失。

2.2 监测网点布置

露天开采边坡区GPS自动化监测系统的监测单元包括参考站和监测站，根据实际环境布置高精度GPS监测网，按以下要求布置各站点。

(1)参考站。参考站与露天开采边坡体的距离不宜超过3 km，应选择地质条件良好、稳定、视野比较开阔且易于长期保存的地方，可以建设在基岩、建筑物屋顶等。根据上述原则，结合海州露天矿实际情况，最终将参考站布置到附近的一座楼顶上，观测墩采用钢结构柱体，外部用金属罩保护，供电采用该楼内的220 V市电，通过适配器转化成12 V为设备供电。

(2)监测站。位移侧线布置与滑坡主轴方向一致，测点布置在边坡内应力变化的敏感位置，如易隆起、下沉和容易产生裂缝坡脚等部位，总体要求是监测点所形成的区域要涵盖采场边坡和排土场边坡所在区域，完全控制内排土场与采场之间端帮边坡区。在海州露天矿北帮边坡为露天矿山公园，建筑物多聚于此，矿山公园休闲广场南部至博物馆、纪念碑平台一带，见有地裂缝十几条，所以将对北帮边坡的监测作为重点，监测站P1～P6的布置情况见图5，现场安装见图6。

图5 监测站点分布示意

图6 现场安装示意

2.3 实测数据分析

通过对监测点的累计水平位移、累计垂直位移、水平位移速率、垂直位移速率4个指标的监测，可反映出边坡的稳定性。对6个监测站进行24 h连续监测，每隔8 h记录1组数据，每天3组数据，至今系统已经稳定运行半年多。选取从2014年11月1日到2015年4月10日，共5个月的数据进行分析说明。根据实测数据，分别做出了各监测点的时间与水平位移累计量、时间与垂直位移累计量，见图7、图8，选取P1、P6监测站的时间与水平位移速率以及时间与垂直位移速率的曲线图，见图9、图10。

由图7、图8可以看出：各监测站水平方向上的位移逐渐增大，边坡平均水平位移变形为52.6 mm，P6水平位移最大为76 mm，P1最小为25 mm。平均垂直位移变形为17.3 mm，P6垂直位移最多为25 mm，P1垂直位移最少为11 mm，由此可以看出，P6位置形变较大，该地区较其他监测点稳定性差，应重点监测。由图9、图10看出水平、垂直位移速率的变化都不大，各点水平位移速率稳定在-1～2 mm/d，平均值为0.33 mm/d、垂直位移速率稳定在-2～2 mm/d，平均值为0.11 mm/d。从总体来看，目前海州露天矿的北帮暂处于稳定状态，由于边坡的稳定性受多种因素的复合作用，包括本身的地质构造，几何形态等内在因素，同时也包括降雨、地震以及人类工程活动等外在因素。基于以上考虑海州露天矿北帮仍然处于变形的集中区，需采用GPS实时监测系统加强对相关地区的位移、位移速率的监测工作，同时也要加强地质巡查工作，达到提前预警的目的，确保该地区的安全，降低地质灾害带来的损失。

图7 水平位移累计量

图8 垂直位移累计量

图9 水平位移速率

图10 垂直位移速率

3 结 论

(1)基于GPS监测技术、网络通讯技术及计算机等技术，结合海州露天矿的具体情况，建立了实时动态反映边坡变形的自动化监测系统。

(2)从半年多的使用情况来看，该监测系统完全适应恶劣的气候变化，系统运行稳定，监测精度高，实现了全天候的实时监测，真实精确地反映了边坡实际变形情况。

(3)结合系统监测数据，对海州露天矿北帮的边坡稳定情况进行了科学分析，结果表明目前北帮暂处于稳定变形状态。

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[11] 李 巍，张 维．阜新海州露天矿边坡滑坡原因分析[J]．西部探矿工程，2011，23(4)：44-46． Li Wei，Zhang Wei．Analyze on the causes of Fuxin Haizhou open-pit slope[J]．West-China Landslide Exploration Engineering，2011，23(4)：44-46．

(责任编辑 徐志宏)

Slope Deformation Monitoring System of Haizhou Open-pit Mine

Li Sheng Wu Kerui Han Yongliang Qi Jiayi

(CollegeofMines，LiaoningTechnicalUniversity，Fuxin123000，China)

In order to grasp the deformation regularity of open-pit slope in time，a set of real-time dynamic to reflect the auto-monitoring system of slope deformation was established based on the GPS (Global Positioning System) monitoring technology，network communication technology and computer technology，etc.The system adopts high precision GPS to obtain the 3D(3 Dimensions) coordinates of the monitoring points，and then uses GPRS(General Packet Radio Service) communication module to send data package to the computer.The data can be calculated into image data processing software to realize the automation of the slope deformation monitoring.Taking the North Haizhou open-pit as the object of monitoring，the monitoring results show that after a period of monitoring，the average slope horizontal displacement deformation is 52.6 mm，the average slope vertical displacement deformation is 17.3 mm，the average horizontal displacement rate was 0.33 mm/d，the average vertical displacement rate was 0.11 mm/d.The Construction of slope deformation monitoring system has achieved high precision and auto-monitoring，thus providing effective technical support for dynamic disaster warning and timely making safety decisions.

GPS，Slope stability，Auto-monitoring，Slope deformation monitoring system

2015-05-23

辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(编号：LJQ2011029)，国家自然科学基金项目(编号：51004063)。

李 胜(1976—)，男，教授，博士，博士研究生导师。

TD164

A

1001-1250(2015)-09-126-05