北斗系统在矿山边坡变化监测系统中的应用研究

2022-09-13马道鸣

能源与环保 2022年8期

康锋，马道鸣

（河南省航空物探遥感中心，河南郑州 450053）

露天煤矿是煤矿开采的重要形式之一，在露天矿开采过程中不可避免地会形成很多矿山边坡[1]。边坡如果不加以处理，时间长久后容易发生山体滑坡、水土流失等地质灾害，威胁煤矿生产安全，给生态环境造成一定程度的影响[2]。如何确保露天矿边坡稳定是煤矿企业面临的关键问题，边坡变形通常是一个非常缓慢的过程，所以需要对其进行长时间的持续监测[3]。基于监测结果掌握矿山边坡变形的规律，并预测后续可能出现的变化趋势。针对该问题，有必要结合实际情况设计研究矿山边坡监测系统，应用监测系统对边坡的变化情况进行实时连续监测[4]。当变形量超过系统设定的安全阈值时，会向外发出安全警报，提示工作人员及时采取措施进行处理[5]。研究主要结合北斗系统中的定位功能和短报文功能构建了监测系统，将其运用到工程实践中，效果较好，对于保障露天矿边坡的安全性具有重要的现实意义。

1 边坡变化监测系统功能框架设计

1.1 整体框架设计

系统功能框架是进行整体方案设计的基础，框架设计的优劣会对系统运行的质量和效果产生很重要的影响。设计的基于北斗系统的边坡变化监测系统的原理如图1所示。从图1中可以看出，整个框架由4大部分构成，每个部分为一个子系统，分别为数据采集、数据传输、数据解析处理、数据综合管理。其中，数据采集子系统的作用主要是对基准点和边坡其他位置的变形情况进行监测；数据传输子系统主要是实现与北斗系统的双向通信；数据解析处理子系统主要是对采集得到的数据进行解析处理，并将数据信息存储到数据库中，方便后续调取查询；数据综合管理子系统主要是对相关数据信息进行实时显示，并利用数据进行分析，得到想要的结果。

图1 基于北斗系统的边坡变化监测系统原理Fig.1 Principle of slope deformation monitoring system based on Beidou system

1.2 子系统设计

（1）数据采集子系统。在监测中需要结合矿山边坡的实际情况，在代表性位置设置监测点，对监测点的三维坐标信息进行检测，所有监测点的数据进行汇总便可以分析出整个边坡的变化情况。监测点的布置会对建筑系统的监测质量和效果产生非常重要的影响，因此必须对边坡的整体状态进行现场勘查，在此基础上科学设置边坡监测网。

（2）数据传输子系统。数据采集子系统获得的数据信息需要利用传输子系统将其输送到解析处理子系统中。目前，可供选择的数据传输方式主要包含3类，分别为有线传输、无线传输和卫星通信传输，其中卫星通信主要指基于北斗系统的通信。与有线和无线通信方式相比较，北斗通信具有安全性高、传输实时性好、覆盖范围广等优势[6]，虽然传输速率相对较低，但是完全能够满足监测系统的实际使用需要，因此选用北斗系统通信方式。

（3）数据解析处理子系统。为了便于监测系统后续的维护工作，将数据解析处理与综合管理分别进行开发。前者主要是对数据进行解析，并将其存储到数据库中，后者是对数据进行综合分析以判断矿山边坡的变化情况。数据解析子系统可以自动接收基于北斗系统通信获得的监测数据信息，然后按照系统设定的通信协议对数据进行解析，获得各个监测点的三维坐标信息，按照不同的数据类型存储到数据库中。

（4）数据综合管理子系统。数据综合管理子系统功能原理如图2所示。由图2可知，数据管理系统共可划分成为4部分，分别为北斗终端管理、监测点管理、数据统计分析、实时显示。该子系统共包含2台应用服务器，分别作为系统的前端和后端。后端的作用是与数据库进行连接，从数据库中调取数据进行分析与处理；前端的作用是将处理的结果呈现在客户端上，工作人员利用客户端可实时查看矿山边坡的变化结果。

图2 数据综合管理子系统功能原理Fig.2 Functional block diagram of data integrated management subsystem

2 监测系统的预测和预警功能设计

2.1 预警功能设计

基于监测系统可以对系统中设定的监测点三维坐标信息进行实时采集并与原始坐标进行比较分析，反映各个监测点的位移变形情况[7]。另外，系统中还设定了不同方向上的变形量安全阈值，一旦位移变形量超过了安全阈值，系统会向外发出警报，监测系统预警功能工作流程如图3所示。由图3可知，监测系统的前端（客户端）每次发送Ajax请求时，一旦请求成功，系统会将各个监测点的位移变形量与安全阈值进行对比分析。如果发现超过了系统设定的阈值，立即会在页面上弹出安全警告。如果请求不成功，页面也会弹出请求失败的提示。

图3 监测系统预警功能工作流程Fig.3 Work flow chart of early warning function of monitoring system

2.2 预测功能设计

由于矿山边坡的结构非常复杂，且很多因素都会对其变形情况产生影响。比如人为因素、近期气候条件、煤矿整体结构等，不同因素之间没有特定的影响关系，所以很难建立机理模型对矿山边坡的位移变形量进行准确预测[8]。针对这种没有特定关系的情况学者们建立了多种预测模型，其中最常见的包括GM（1，1）模型、新陈代谢模型以及Verhulst模型，不同的模型适用于不同的场景。为了选用最佳的模型对边坡变形量进行预测，同时将3种模型内置到系统中。利用多种模型开展变形量预测工作，并将结果与实际变形量进行对比分析，得到不同模型的预测精度及误差大小。最终选用精度提高、误差最小的预测模型，并将预测结果作为最终的结果。监测系统中预测结果会与实际监测结果一起存储到服务器中，并在客户端页面呈现。监测系统预测功能工作流程如图4所示。

图4 监测系统预测功能工作流程Fig.4 Work flow chart of prediction function of monitoring system

3 监测系统的开发与实现

3.1 系统的技术框架

就目前的技术形式而言，进行应用系统开发时使用较多的主要包含2种模式，分别为B/S架构模式和C/S架构模式[9]。对于后者需要同时对客户端和服务器进行开发，后期运行时也需要同时维护，因此后期升级维护难度和成本都相对较高。B/S架构模式是基于Internet的发展而出现的模式，是在C/S模式基础上优化改进后的结果。基于此，本系统中选用B/S架构模式对应用程序进行开发，能够确保监测系统运行过程的安全性、可靠性以及后续的拓展性能。

监测系统的技术框架如图5所示。由图5可知，就技术结构层面而言，整个系统可以划分成为3个层级，分别为数据访问层、业务逻辑层以及数据展现层。其中，数据展现层的作用是将采集得到的数据信息以及分析结果通过客户端的Web浏览器进行显示，另外还需要对Web页面中相关的数据进行获取，通过封装以后传递给业务逻辑层进行分析处理。业务逻辑层是整个系统框架结构中最重要的环节，是对数据访问层和数据展现层进行连接的纽带。数据访问层的作用是对存储在数据库中的数据进行提取访问。存储在数据库的数据类型有很多种，包括二进制文件、数据库文件、文本文件等。各个层级中使用的技术已在图中列出。

图5 监测系统的技术框架Fig.5 Technical structure of the monitoring system

3.2 数据采集功能的实现

矿山边坡变形相关数据的采集主要基于数据采集子系统来实现。主要内容包括变形监测网络的设计以及监测硬件设施的选择。监测网络设计时涉及基准监测点和变形监测点两方面，监测硬件设施方面主要利用北斗系统实现数据的传输。基准监测点的作用是作为其他变形监测点的基准，所以需要选择在监测范围以外且地势比较平整的区域。变形监测点需要设置在容易发生地质灾害的危险位置，以便更加准确地掌握矿山边坡的变形情况及其存在的安全隐患。

监测过程中需要用到的硬件设施主要包括供电设备以及支持北斗系统的接收机。供电设备的作用是对其他硬件设施进行供电，确保各硬件能够稳定运行。接收机的作用是准确地获取各监测点的三维坐标信息，接收机内部通常包含有通信模块，接收机对获得的数据进行解析后，再借助北斗系统将其发送到数据库中进行存储。结合实际情况，监测系统中选用差分测量型接收机，具有较高的测量精度和兼容性，可同时支持BDS、GPS等多个系统，定位精度可以达到1 cm，最多支持120个动态通道进行数据传输。环境温度为-40～75 ℃时能正常工作。

3.3 数据传输功能的实现

考虑到本案例中的露天煤矿属于山区，所处的地形地势环境相对复杂。如果采用有线方式进行数据传输通信，实施难度相对较大，且成本很高[10]。若基于无线方式进行通信，山区的信号难以保证。综合考虑多方面因素，最终确定基于北斗系统实现数据信息的传输。因为利用北斗系统不仅可以进行定位，还可以利用北斗卫星实现数据信息的传输。在本监测系统中只需要对各个监测点的ID编号以及三维坐标信息进行获取，虽然北斗系统能够传输的数据量比较小，但是完全能够满足监测系统的实际使用需要。

4 工程实践应用

4.1 矿山边坡基本情况

某露天煤矿在长时间开采中形成了大量矿山边坡，边坡主要以大理岩、夕卡岩和多角岩等围岩属性为主，整体力学性能较好，岩石致密度比较坚硬。但由于边坡长时间暴露在复杂的空气环境中，很多岩石出现了严重的风化现象。再加上煤矿开采的无序性，露天矿范围内存在很多采空区，特别是在富矿区域采场内部留下的煤柱相对较少，对边坡围岩的稳定性构成的严重威胁。通过对矿山边坡进行现场地质勘查，发现在西北区域的边坡地形相对较高、整体坡度较大、岩石破碎，已经出现了多条裂隙，裂隙倾角超过了稳定边坡的临界角，存在很大的风险。为了确保煤矿开采过程的安全性，需要利用矿山边坡变化监测系统对此区域边坡的变化情况进行持续跟踪并预警。

4.2 监测系统的工程部署

（1）系统框架设计。根据图1所示的监测系统原理框图，结合矿山边坡实际情况对监测系统部署总体框架结构进行的设计，结果如图6所示。可以看出，监测系统主要是利用北斗系统实现监测数据的传输，能够确保数据传输过程的安全性和时效性。

（2）系统的部署。系统部署包含硬件部署和软件部署。其中，硬件部分主要包括基准监测点和变形监测点相关的硬件设施安装。在安装监测点之前需要在矿山边坡现场做好勘查工作，并基于全球定位系统测量国家规范标准，明确基准监测点和变形监测点的具体位置。本系统中结合实际情况在边坡范围以外设置了2个基准监测站，分别作为监测基站和校验基站。通过静态方法对基准点进行联测，确保基准点数据的正确性。考虑到边坡中已经出现了4条裂缝，属于危险区域，因此这4个位置分别布置变形监测点。矿山边坡变化监测网如图7所示。

图6 监测系统部署整体框架结构Fig.6 Monitoring system deployment overallframework structure

图7 矿山边坡变化监测网Fig.7 Mine slope change monitoring network

软件方面，整个监测系统共包含3部分软件内容，分别为数据库、数据解析处理子系统、数据综合管理子系统。共需要部署4台服务器，其中前两者各1台、后者2台。数据库基于SQL Server 2008进行搭建，2个子系统基于B/S架构进行应用程序开发。工作人员利用客户端的浏览器可以运行综合管理子系统，查看边坡变形的这种情况，对系统进行设置等。

4.3 监测系统的应用情况

根据矿山边坡变化监测网的布置情况，将各个基准监测点和变化监测点的位置坐标录入到监测系统中，此环节需要利用监测系统的监测点新增功能。根据监测点的录入顺序，系统会对不同监测点进行自动编号。另外，还需要将各监测点的终端属性录取到系统中，此环节需要利用系统的北斗终端新增功能。系统运行过程中会周期性地对各个监测点的三维坐标信息进行采集，并且与其原始坐标值进行比较分析，从而获得各监测点在X、Y、Z方向上的位移变形量。为了确保矿山边坡的安全性，系统中设置了3个方向的位移变形量安全阈值，分别为60、50、40 mm。如果实际变形量超过了该阈值，向外发出安全警报。1号变形监测点在Y方向的变形量统计情况如图8所示。可以看出，该监测点在Y方向上的变形量没有超过系统设定的安全阈值，目前属于安全状态。

图8 1号变形监测点在Y方向的变形量统计Fig.8 Deformation statistics of No.1 deformationmonitoring point in the Y direction

从图8中可以看出，系统不仅可以对监测点的位移变形量进行检测，还可以基于前期的检测结果对后续可能出现的位移变形量进行预测。基于图8中数据发现系统的位移量预测值与实测值之间误差较小，预测精度很高，误差可以控制在5%范围内。通过在露天煤矿边坡中部署监测系统，可以实时掌握边坡的变化基本情况，及时发现边坡存在的安全隐患，并采取措施进行处理，为煤矿边坡的安全提供了很好的保障，安全效益显著。