康 鋒，馬道鳴

（河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053）

露天煤礦是煤礦開采的重要形式之一，在露天礦開采過程中不可避免地會形成很多礦山邊坡[1]。邊坡如果不加以處理，時間長久后容易發(fā)生山體滑坡、水土流失等地質(zhì)災害，威脅煤礦生產(chǎn)安全，給生態(tài)環(huán)境造成一定程度的影響[2]。如何確保露天礦邊坡穩(wěn)定是煤礦企業(yè)面臨的關鍵問題，邊坡變形通常是一個非常緩慢的過程，所以需要對其進行長時間的持續(xù)監(jiān)測[3]?；诒O(jiān)測結果掌握礦山邊坡變形的規(guī)律，并預測后續(xù)可能出現(xiàn)的變化趨勢。針對該問題，有必要結合實際情況設計研究礦山邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，應用監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡的變化情況進行實時連續(xù)監(jiān)測[4]。當變形量超過系統(tǒng)設定的安全閾值時，會向外發(fā)出安全警報，提示工作人員及時采取措施進行處理[5]。研究主要結合北斗系統(tǒng)中的定位功能和短報文功能構建了監(jiān)測系統(tǒng)，將其運用到工程實踐中，效果較好，對于保障露天礦邊坡的安全性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 邊坡變化監(jiān)測系統(tǒng)功能框架設計

1.1 整體框架設計

系統(tǒng)功能框架是進行整體方案設計的基礎，框架設計的優(yōu)劣會對系統(tǒng)運行的質(zhì)量和效果產(chǎn)生很重要的影響。設計的基于北斗系統(tǒng)的邊坡變化監(jiān)測系統(tǒng)的原理如圖1所示。從圖1中可以看出，整個框架由4大部分構成，每個部分為一個子系統(tǒng)，分別為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)解析處理、數(shù)據(jù)綜合管理。其中，數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的作用主要是對基準點和邊坡其他位置的變形情況進行監(jiān)測；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要是實現(xiàn)與北斗系統(tǒng)的雙向通信；數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)主要是對采集得到的數(shù)據(jù)進行解析處理，并將數(shù)據(jù)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便后續(xù)調(diào)取查詢；數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)主要是對相關數(shù)據(jù)信息進行實時顯示，并利用數(shù)據(jù)進行分析，得到想要的結果。

圖1 基于北斗系統(tǒng)的邊坡變化監(jiān)測系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of slope deformation monitoring system based on Beidou system

1.2 子系統(tǒng)設計

（1）數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。在監(jiān)測中需要結合礦山邊坡的實際情況，在代表性位置設置監(jiān)測點，對監(jiān)測點的三維坐標信息進行檢測，所有監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行匯總便可以分析出整個邊坡的變化情況。監(jiān)測點的布置會對建筑系統(tǒng)的監(jiān)測質(zhì)量和效果產(chǎn)生非常重要的影響，因此必須對邊坡的整體狀態(tài)進行現(xiàn)場勘查，在此基礎上科學設置邊坡監(jiān)測網(wǎng)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)信息需要利用傳輸子系統(tǒng)將其輸送到解析處理子系統(tǒng)中。目前，可供選擇的數(shù)據(jù)傳輸方式主要包含3類，分別為有線傳輸、無線傳輸和衛(wèi)星通信傳輸，其中衛(wèi)星通信主要指基于北斗系統(tǒng)的通信。與有線和無線通信方式相比較，北斗通信具有安全性高、傳輸實時性好、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢[6]，雖然傳輸速率相對較低，但是完全能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的實際使用需要，因此選用北斗系統(tǒng)通信方式。

（3）數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)。為了便于監(jiān)測系統(tǒng)后續(xù)的維護工作，將數(shù)據(jù)解析處理與綜合管理分別進行開發(fā)。前者主要是對數(shù)據(jù)進行解析，并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，后者是對數(shù)據(jù)進行綜合分析以判斷礦山邊坡的變化情況。數(shù)據(jù)解析子系統(tǒng)可以自動接收基于北斗系統(tǒng)通信獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，然后按照系統(tǒng)設定的通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行解析，獲得各個監(jiān)測點的三維坐標信息，按照不同的數(shù)據(jù)類型存儲到數(shù)據(jù)庫中。

（4）數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)功能原理如圖2所示。由圖2可知，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共可劃分成為4部分，分別為北斗終端管理、監(jiān)測點管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、實時顯示。該子系統(tǒng)共包含2臺應用服務器，分別作為系統(tǒng)的前端和后端。后端的作用是與數(shù)據(jù)庫進行連接，從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)進行分析與處理；前端的作用是將處理的結果呈現(xiàn)在客戶端上，工作人員利用客戶端可實時查看礦山邊坡的變化結果。

圖2 數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)功能原理Fig.2 Functional block diagram of data integrated management subsystem

2 監(jiān)測系統(tǒng)的預測和預警功能設計

2.1 預警功能設計

基于監(jiān)測系統(tǒng)可以對系統(tǒng)中設定的監(jiān)測點三維坐標信息進行實時采集并與原始坐標進行比較分析，反映各個監(jiān)測點的位移變形情況[7]。另外，系統(tǒng)中還設定了不同方向上的變形量安全閾值，一旦位移變形量超過了安全閾值，系統(tǒng)會向外發(fā)出警報，監(jiān)測系統(tǒng)預警功能工作流程如圖3所示。由圖3可知，監(jiān)測系統(tǒng)的前端（客戶端）每次發(fā)送Ajax請求時，一旦請求成功，系統(tǒng)會將各個監(jiān)測點的位移變形量與安全閾值進行對比分析。如果發(fā)現(xiàn)超過了系統(tǒng)設定的閾值，立即會在頁面上彈出安全警告。如果請求不成功，頁面也會彈出請求失敗的提示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)預警功能工作流程Fig.3 Work flow chart of early warning function of monitoring system

2.2 預測功能設計

由于礦山邊坡的結構非常復雜，且很多因素都會對其變形情況產(chǎn)生影響。比如人為因素、近期氣候條件、煤礦整體結構等，不同因素之間沒有特定的影響關系，所以很難建立機理模型對礦山邊坡的位移變形量進行準確預測[8]。針對這種沒有特定關系的情況學者們建立了多種預測模型，其中最常見的包括GM（1，1）模型、新陳代謝模型以及Verhulst模型，不同的模型適用于不同的場景。為了選用最佳的模型對邊坡變形量進行預測，同時將3種模型內(nèi)置到系統(tǒng)中。利用多種模型開展變形量預測工作，并將結果與實際變形量進行對比分析，得到不同模型的預測精度及誤差大小。最終選用精度提高、誤差最小的預測模型，并將預測結果作為最終的結果。監(jiān)測系統(tǒng)中預測結果會與實際監(jiān)測結果一起存儲到服務器中，并在客戶端頁面呈現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)預測功能工作流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)預測功能工作流程Fig.4 Work flow chart of prediction function of monitoring system

3 監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)的技術框架

就目前的技術形式而言，進行應用系統(tǒng)開發(fā)時使用較多的主要包含2種模式，分別為B/S架構模式和C/S架構模式[9]。對于后者需要同時對客戶端和服務器進行開發(fā)，后期運行時也需要同時維護，因此后期升級維護難度和成本都相對較高。B/S架構模式是基于Internet的發(fā)展而出現(xiàn)的模式，是在C/S模式基礎上優(yōu)化改進后的結果?；诖耍鞠到y(tǒng)中選用B/S架構模式對應用程序進行開發(fā)，能夠確保監(jiān)測系統(tǒng)運行過程的安全性、可靠性以及后續(xù)的拓展性能。

監(jiān)測系統(tǒng)的技術框架如圖5所示。由圖5可知，就技術結構層面而言，整個系統(tǒng)可以劃分成為3個層級，分別為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務邏輯層以及數(shù)據(jù)展現(xiàn)層。其中，數(shù)據(jù)展現(xiàn)層的作用是將采集得到的數(shù)據(jù)信息以及分析結果通過客戶端的Web瀏覽器進行顯示，另外還需要對Web頁面中相關的數(shù)據(jù)進行獲取，通過封裝以后傳遞給業(yè)務邏輯層進行分析處理。業(yè)務邏輯層是整個系統(tǒng)框架結構中最重要的環(huán)節(jié)，是對數(shù)據(jù)訪問層和數(shù)據(jù)展現(xiàn)層進行連接的紐帶。數(shù)據(jù)訪問層的作用是對存儲在數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行提取訪問。存儲在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)類型有很多種，包括二進制文件、數(shù)據(jù)庫文件、文本文件等。各個層級中使用的技術已在圖中列出。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)的技術框架Fig.5 Technical structure of the monitoring system

3.2 數(shù)據(jù)采集功能的實現(xiàn)

礦山邊坡變形相關數(shù)據(jù)的采集主要基于數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)來實現(xiàn)。主要內(nèi)容包括變形監(jiān)測網(wǎng)絡的設計以及監(jiān)測硬件設施的選擇。監(jiān)測網(wǎng)絡設計時涉及基準監(jiān)測點和變形監(jiān)測點兩方面，監(jiān)測硬件設施方面主要利用北斗系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸?；鶞时O(jiān)測點的作用是作為其他變形監(jiān)測點的基準，所以需要選擇在監(jiān)測范圍以外且地勢比較平整的區(qū)域。變形監(jiān)測點需要設置在容易發(fā)生地質(zhì)災害的危險位置，以便更加準確地掌握礦山邊坡的變形情況及其存在的安全隱患。

監(jiān)測過程中需要用到的硬件設施主要包括供電設備以及支持北斗系統(tǒng)的接收機。供電設備的作用是對其他硬件設施進行供電，確保各硬件能夠穩(wěn)定運行。接收機的作用是準確地獲取各監(jiān)測點的三維坐標信息，接收機內(nèi)部通常包含有通信模塊，接收機對獲得的數(shù)據(jù)進行解析后，再借助北斗系統(tǒng)將其發(fā)送到數(shù)據(jù)庫中進行存儲。結合實際情況，監(jiān)測系統(tǒng)中選用差分測量型接收機，具有較高的測量精度和兼容性，可同時支持BDS、GPS等多個系統(tǒng)，定位精度可以達到1 cm，最多支持120個動態(tài)通道進行數(shù)據(jù)傳輸。環(huán)境溫度為-40～75 ℃時能正常工作。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸功能的實現(xiàn)

考慮到本案例中的露天煤礦屬于山區(qū)，所處的地形地勢環(huán)境相對復雜。如果采用有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸通信，實施難度相對較大，且成本很高[10]。若基于無線方式進行通信，山區(qū)的信號難以保證。綜合考慮多方面因素，最終確定基于北斗系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。因為利用北斗系統(tǒng)不僅可以進行定位，還可以利用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。在本監(jiān)測系統(tǒng)中只需要對各個監(jiān)測點的ID編號以及三維坐標信息進行獲取，雖然北斗系統(tǒng)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小，但是完全能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)的實際使用需要。

4 工程實踐應用

4.1 礦山邊坡基本情況

某露天煤礦在長時間開采中形成了大量礦山邊坡，邊坡主要以大理巖、夕卡巖和多角巖等圍巖屬性為主，整體力學性能較好，巖石致密度比較堅硬。但由于邊坡長時間暴露在復雜的空氣環(huán)境中，很多巖石出現(xiàn)了嚴重的風化現(xiàn)象。再加上煤礦開采的無序性，露天礦范圍內(nèi)存在很多采空區(qū)，特別是在富礦區(qū)域采場內(nèi)部留下的煤柱相對較少，對邊坡圍巖的穩(wěn)定性構成的嚴重威脅。通過對礦山邊坡進行現(xiàn)場地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)在西北區(qū)域的邊坡地形相對較高、整體坡度較大、巖石破碎，已經(jīng)出現(xiàn)了多條裂隙，裂隙傾角超過了穩(wěn)定邊坡的臨界角，存在很大的風險。為了確保煤礦開采過程的安全性，需要利用礦山邊坡變化監(jiān)測系統(tǒng)對此區(qū)域邊坡的變化情況進行持續(xù)跟蹤并預警。

4.2 監(jiān)測系統(tǒng)的工程部署

（1）系統(tǒng)框架設計。根據(jù)圖1所示的監(jiān)測系統(tǒng)原理框圖，結合礦山邊坡實際情況對監(jiān)測系統(tǒng)部署總體框架結構進行的設計，結果如圖6所示。可以看出，監(jiān)測系統(tǒng)主要是利用北斗系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性和時效性。

（2）系統(tǒng)的部署。系統(tǒng)部署包含硬件部署和軟件部署。其中，硬件部分主要包括基準監(jiān)測點和變形監(jiān)測點相關的硬件設施安裝。在安裝監(jiān)測點之前需要在礦山邊坡現(xiàn)場做好勘查工作，并基于全球定位系統(tǒng)測量國家規(guī)范標準，明確基準監(jiān)測點和變形監(jiān)測點的具體位置。本系統(tǒng)中結合實際情況在邊坡范圍以外設置了2個基準監(jiān)測站，分別作為監(jiān)測基站和校驗基站。通過靜態(tài)方法對基準點進行聯(lián)測，確保基準點數(shù)據(jù)的正確性?？紤]到邊坡中已經(jīng)出現(xiàn)了4條裂縫，屬于危險區(qū)域，因此這4個位置分別布置變形監(jiān)測點。礦山邊坡變化監(jiān)測網(wǎng)如圖7所示。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)部署整體框架結構Fig.6 Monitoring system deployment overallframework structure

圖7 礦山邊坡變化監(jiān)測網(wǎng)Fig.7 Mine slope change monitoring network

軟件方面，整個監(jiān)測系統(tǒng)共包含3部分軟件內(nèi)容，分別為數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)解析處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)綜合管理子系統(tǒng)。共需要部署4臺服務器，其中前兩者各1臺、后者2臺。數(shù)據(jù)庫基于SQL Server 2008進行搭建，2個子系統(tǒng)基于B/S架構進行應用程序開發(fā)。工作人員利用客戶端的瀏覽器可以運行綜合管理子系統(tǒng)，查看邊坡變形的這種情況，對系統(tǒng)進行設置等。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)的應用情況

根據(jù)礦山邊坡變化監(jiān)測網(wǎng)的布置情況，將各個基準監(jiān)測點和變化監(jiān)測點的位置坐標錄入到監(jiān)測系統(tǒng)中，此環(huán)節(jié)需要利用監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測點新增功能。根據(jù)監(jiān)測點的錄入順序，系統(tǒng)會對不同監(jiān)測點進行自動編號。另外，還需要將各監(jiān)測點的終端屬性錄取到系統(tǒng)中，此環(huán)節(jié)需要利用系統(tǒng)的北斗終端新增功能。系統(tǒng)運行過程中會周期性地對各個監(jiān)測點的三維坐標信息進行采集，并且與其原始坐標值進行比較分析，從而獲得各監(jiān)測點在X、Y、Z方向上的位移變形量。為了確保礦山邊坡的安全性，系統(tǒng)中設置了3個方向的位移變形量安全閾值，分別為60、50、40 mm。如果實際變形量超過了該閾值，向外發(fā)出安全警報。1號變形監(jiān)測點在Y方向的變形量統(tǒng)計情況如圖8所示?？梢钥闯?，該監(jiān)測點在Y方向上的變形量沒有超過系統(tǒng)設定的安全閾值，目前屬于安全狀態(tài)。

圖8 1號變形監(jiān)測點在Y方向的變形量統(tǒng)計Fig.8 Deformation statistics of No.1 deformationmonitoring point in the Y direction

從圖8中可以看出，系統(tǒng)不僅可以對監(jiān)測點的位移變形量進行檢測，還可以基于前期的檢測結果對后續(xù)可能出現(xiàn)的位移變形量進行預測?；趫D8中數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的位移量預測值與實測值之間誤差較小，預測精度很高，誤差可以控制在5%范圍內(nèi)。通過在露天煤礦邊坡中部署監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握邊坡的變化基本情況，及時發(fā)現(xiàn)邊坡存在的安全隱患，并采取措施進行處理，為煤礦邊坡的安全提供了很好的保障，安全效益顯著。

5 結論

本文主要以露天礦邊坡為研究對象，設計研究了邊坡變化的監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應用到工程實踐中，所得結論如下。

（1）對某露天礦的邊坡進行現(xiàn)場地質(zhì)勘查，發(fā)現(xiàn)邊坡的巖石整體比較堅硬，但受長時間風化的影響，多個地方出現(xiàn)了裂隙，存在一定的危險性。急需設計邊坡變化監(jiān)測系統(tǒng)對其變形量進行監(jiān)測，確保邊坡的安全性。

（2）基于模塊化思想對監(jiān)測系統(tǒng)進行設計，整個系統(tǒng)共由4個子系統(tǒng)構成，不同子系統(tǒng)分別完成不同的功能，從而實現(xiàn)對邊坡變形量的監(jiān)測。工作人員可以基于客戶端的Web瀏覽器對監(jiān)測結果進行查看，如果變形量超過了系統(tǒng)設定的安全閾值，會立即提示工作人員。

（3）將設計的監(jiān)測系統(tǒng)部署到露天煤礦邊坡工程實踐中，結合實際情況設置了2個基準監(jiān)測點和4個變形監(jiān)測點。結果發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測系統(tǒng)可以準確地對各個監(jiān)測點的變形量進行監(jiān)測，有效保障了礦山邊坡的安全性。