摘 要:受環(huán)境以及地質(zhì)條件等因素的影響,露天礦山邊坡的穩(wěn)定性處于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的狀態(tài),難以準(zhǔn)確修正邊坡的空間屬性數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致邊坡位移量監(jiān)測(cè)精度不高。因此,本文提出露天礦山邊坡安全管控平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)平臺(tái)的基本功能,設(shè)計(jì)邊坡數(shù)據(jù)采集傳感器和智能遙測(cè)終端設(shè)備等硬件部分,并通過邊坡屬性修改對(duì)邊坡空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,從而求取邊坡最大位移值,進(jìn)而監(jiān)測(cè)邊坡的安全狀況和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)?;诖耍脚_(tái)根據(jù)邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控策略,由此實(shí)現(xiàn)對(duì)露天礦山的安全管控。平臺(tái)性能測(cè)試結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的平臺(tái)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)邊坡的位移量,管控性能更優(yōu)異。
關(guān)鍵詞:露天礦山;邊坡安全;管控平臺(tái);邊坡位移;風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)
中圖分類號(hào):U 416.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
露天礦邊坡安全是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接關(guān)系到礦山作業(yè)的安全和穩(wěn)定。隨著礦山規(guī)模不斷擴(kuò)大,邊坡安全問題日益突出,傳統(tǒng)的邊坡安全控制方法已不能滿足現(xiàn)代礦山的安全需求。因此,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)高效、智能的露天礦邊坡安全控制平臺(tái)顯得尤為迫切。文獻(xiàn)[1]利用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)感知邊坡的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,通過云計(jì)算、模糊識(shí)別等技術(shù)評(píng)估災(zāi)害發(fā)生的可能性,為科學(xué)決策提供有力依據(jù)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)傳輸感知信息,實(shí)現(xiàn)高效統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。但目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中沒有與傳統(tǒng)技術(shù)完全集成,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的集成和處理不足,影響了監(jiān)測(cè)的全面性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[2]從礦山邊坡相關(guān)數(shù)據(jù)中提取有用的特征信息,使用AdaBoost算法對(duì)這些特征進(jìn)行加權(quán),以處理不平衡數(shù)據(jù),并通過構(gòu)建邊坡安全模型,以實(shí)現(xiàn)邊坡安全管控的目標(biāo)。該系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)CNN需要大量訓(xùn)練樣本的限制,縮短了訓(xùn)練時(shí)間。然而,如果數(shù)據(jù)中存在噪聲或缺失值,就可能會(huì)影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
針對(duì)上述分析,為提高露天礦山邊坡安全監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性,采取有效風(fēng)險(xiǎn)管控措施,本文研究并設(shè)計(jì)了一種露天礦山邊坡安全管控平臺(tái),旨在提高礦山邊坡的安全管理水平,降低安全事故風(fēng)險(xiǎn)。
1 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
1.1 邊坡數(shù)據(jù)采集傳感器
邊坡數(shù)據(jù)采集傳感器是整個(gè)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)的核心部分,主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集礦山邊坡的各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù),并及時(shí)傳輸給監(jiān)控平臺(tái)[3]。本文選擇的傳感器型號(hào)為FC-ZD2000無線傾角振動(dòng)傳感器。該傳感器的主要功能是通過多元件采集實(shí)時(shí)測(cè)量邊坡傾斜和振動(dòng)的變化。其基本參數(shù)見表1。
根據(jù)邊坡的實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)需要,在易滑坡區(qū)域、潛在裂縫處或關(guān)鍵支撐點(diǎn)處安裝傳感器。安裝過程中,確保傳感器與坡面緊密接觸并固定牢固,防止外界干擾影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性;通過專用配置工具或軟件設(shè)置FC-ZD2000無線傾斜振動(dòng)傳感器的參數(shù),包括設(shè)置采樣頻率、數(shù)據(jù)傳輸間隔、報(bào)警閾值等,傳感器根據(jù)設(shè)定的采樣頻率連續(xù)采集數(shù)據(jù),并通過內(nèi)置的無線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ慕邮赵O(shè)備,為邊坡安全評(píng)估提取有價(jià)值的信息。
1.2 智能遙測(cè)終端機(jī)
在采集邊坡關(guān)鍵參數(shù)的過程中,數(shù)據(jù)的接收、處理和分析環(huán)節(jié)至關(guān)重要。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性,本平臺(tái)選用智能遙測(cè)終端機(jī)MGTR-W4G作為數(shù)據(jù)接收設(shè)備。MGTR-W4G的通信模塊支持LTE、WCDMA等多種主流通信標(biāo)準(zhǔn),確保數(shù)據(jù)在高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)保持穩(wěn)定。其內(nèi)置的通信協(xié)議棧經(jīng)過優(yōu)化,能夠在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下提供持續(xù)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道。此外,該通信模塊還支持Wi-Fi和BT等近距離無線通信方式,為設(shè)備在特殊場景下的通信提供了更多選擇。數(shù)據(jù)采集接口方面,MGTR-W4G提供了RS485接口、RJ45接口和4-20mA模擬采集接口,這些接口不僅兼容性強(qiáng),而且具備高可靠性和抗干擾能力。通過這些接口,可以靈活連接各種傳感器和設(shè)備,實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和同步傳輸[4]??刂颇K具備強(qiáng)大的繼電器控制功能,可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)、調(diào)節(jié)等動(dòng)作。通過預(yù)設(shè)的控制邏輯和算法,可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理和智能控制,提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。定位模塊支持GPS/GLONASS/北斗等多種衛(wèi)星定位格式,具備高精度、高可靠性的定位能力。在邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,定位模塊可以實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地理位置信息,為數(shù)據(jù)的空間分析和可視化展示提供重要依據(jù)。電源模塊是保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。MGTR-W4G采用了低功率電池供電方式,確保設(shè)備在沒有市電或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)要求低的情況下能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。此外,電源模塊還具備過充、過放、短路等保護(hù)功能,確保設(shè)備在復(fù)雜環(huán)境下的安全性。
視頻采集處理模塊是MGTR-W4G的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。該模塊支持高清視頻監(jiān)控和圖像采集功能,可以實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場圖像并通過內(nèi)置處理模塊進(jìn)行圖像分析和數(shù)據(jù)疊加。從而提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的直觀性和實(shí)時(shí)性,并為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和決策提供了重要支持。在數(shù)據(jù)處理和分析方面,MGTR-W4G還具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的算法庫。通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理引擎和算法庫,可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、處理和存儲(chǔ)。同時(shí),用戶還可以根據(jù)實(shí)際需求自定義算法和模型,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)和高效的數(shù)據(jù)分析功能。
在邊坡安全管控平臺(tái)中,智能遙測(cè)終端MGTR-W4G通過內(nèi)置的通信模塊,接收斜坡上各種傳感器和設(shè)備發(fā)送的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并使用內(nèi)置的處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、驗(yàn)證和初步分析;處理后的數(shù)據(jù)將通過4G網(wǎng)絡(luò)或其他通信方式實(shí)時(shí)上傳到邊坡安全控制平臺(tái),供管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)控分析。該設(shè)備在平臺(tái)中起著數(shù)據(jù)接收、處理、上傳和遠(yuǎn)程控制的多重作用,為邊坡安全監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
對(duì)邊坡安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集傳感器和智能遙測(cè)終端機(jī)進(jìn)行選型和分析,完成了邊坡安全管控平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì),為平臺(tái)的軟件部分設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
2 平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
2.1 邊坡安全監(jiān)測(cè)
以邊坡數(shù)據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)邊坡地表位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化進(jìn)行分析,由此確定邊坡是否失穩(wěn)。
假設(shè)在邊坡的關(guān)鍵區(qū)域共布設(shè)了N個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中誤差如公式(1)所示。
(1)
式中:a0為數(shù)據(jù)采集頻率;ιt為監(jiān)測(cè)時(shí)間;ei為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的監(jiān)測(cè)誤差。
根據(jù)已有的巖土體物理力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù),基于經(jīng)驗(yàn)擬合方法對(duì)歷史邊坡位移數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加擬合[5],如公式(2)所示。
(2)
式中:αs為擬合參數(shù);A0為邊坡土體的彈性模量;mk為數(shù)據(jù)間的多元聯(lián)系數(shù)。
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,需要根據(jù)邊坡的實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)邊坡屬性進(jìn)行修改,以對(duì)邊坡空間數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,如公式(3)所示。
S=R×?0×xc (3)
式中:?0為邊坡土體重度;xc為粗糙度函數(shù)。
確定當(dāng)前邊坡的最大位移量,如公式(4)所示。
(4)
式中:τc為監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的聯(lián)系數(shù);Cn為計(jì)算矩陣。
將公式(4)求得的邊坡最大位移值與預(yù)設(shè)閾值ψ進(jìn)行比較,如果Lgt;ψ,就表明邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài);如果L≤ψ,就表明邊坡為安全狀態(tài)。由此實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡安全的監(jiān)測(cè),為接下來采取邊坡風(fēng)險(xiǎn)管控策略提供有利條件。
2.2 生成邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)管控方案
利用先進(jìn)的邊坡位移監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)研究區(qū)域的礦山邊坡進(jìn)行持續(xù)、高精度的位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過智能遙測(cè)終端機(jī)MGTR-W4G實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。運(yùn)用專業(yè)的邊坡穩(wěn)定性分析軟件對(duì)接收的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通過公式(4)計(jì)算邊坡的最大位移值,并將其與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較。一旦計(jì)算得到的最大位移值超過預(yù)設(shè)的閾值,平臺(tái)將立即觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制。預(yù)警信息將通過多種渠道進(jìn)行發(fā)布,確保相關(guān)人員能夠迅速獲取并響應(yīng)預(yù)警。在接收到預(yù)警信息后,平臺(tái)將自動(dòng)進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告和決策建議生成階段?;趯?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),平臺(tái)將運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù),對(duì)邊坡的安全狀況進(jìn)行深度分析和評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果,平臺(tái)將生成詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告,包括風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)來源、影響范圍等關(guān)鍵信息。同時(shí),平臺(tái)還將根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告的內(nèi)容,自動(dòng)生成相應(yīng)的決策建議。這些建議將綜合考慮邊坡的地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)、環(huán)境因素等多個(gè)方面,提出針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)管控措施和應(yīng)急預(yù)案。平臺(tái)將風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告和決策建議發(fā)送至相關(guān)部門和人員,供其參考和決策。同時(shí),平臺(tái)還將持續(xù)監(jiān)測(cè)邊坡的安全狀況,并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整和完善風(fēng)險(xiǎn)管控方案,確保邊坡的安全穩(wěn)定。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分見表2。
平臺(tái)根據(jù)邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定具有針對(duì)性的管控方案,具體措施如下。1)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)最高級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn),必須立即采取行動(dòng)。這包括迅速實(shí)施增加支撐結(jié)構(gòu),例如設(shè)置臨時(shí)支撐或錨桿、采取灌漿加固等緊急加固措施。同時(shí),需要24 h不間斷地監(jiān)測(cè)邊坡動(dòng)態(tài),利用高精度傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),確保能夠?qū)崟r(shí)反饋數(shù)據(jù)。一旦監(jiān)測(cè)到異常,應(yīng)立即調(diào)整應(yīng)對(duì)措施,例如增加支撐力度或改變加固方案,以防止邊坡失穩(wěn)造成的嚴(yán)重后果。2)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。在這一級(jí)別,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè),通過增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)來提高監(jiān)測(cè)的覆蓋范圍和精度,并增加監(jiān)測(cè)頻次,以捕捉邊坡變化的細(xì)微跡象[6]。此外,采取增加排水系統(tǒng)和改善邊坡植被等加固措施,可以有效減少水害對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響,并增強(qiáng)邊坡的自然穩(wěn)定性。3)三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。定期評(píng)估和監(jiān)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性是關(guān)鍵。這包括使用地質(zhì)雷達(dá)、激光掃描等先進(jìn)技術(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行全面檢查。對(duì)邊坡進(jìn)行日常維護(hù),并及時(shí)修復(fù)受損區(qū)域,例如填補(bǔ)裂縫、加固松動(dòng)土體等。同時(shí),加強(qiáng)排水系統(tǒng)的維護(hù),確保排水暢通,防止水害影響邊坡穩(wěn)定。4)四級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。在這一級(jí)別,重點(diǎn)在于加強(qiáng)對(duì)邊坡的維護(hù)和管理,保持邊坡的良好狀態(tài)。這包括定期清理邊坡上的雜物、修剪植被,檢查和維護(hù)邊坡的排水系統(tǒng)。建立邊坡安全檔案,記錄邊坡的狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),有助于長期跟蹤邊坡的變化,并為未來的維護(hù)和加固提供依據(jù)。5)五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。雖然風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低,但仍需定期對(duì)邊坡進(jìn)行例行檢查,確保邊坡狀況良好。這包括日常的維護(hù)工作,例如清理雜物、修剪植被等,建立邊坡安全管理制度,明確管理職責(zé)和要求。通過這些措施,可以確保邊坡長期處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。
管控平臺(tái)根據(jù)邊坡的穩(wěn)定性、地質(zhì)條件、環(huán)境條件和潛在危險(xiǎn)等多重因素以及風(fēng)險(xiǎn)程度,制定每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的管控計(jì)劃,以確保邊坡的安全穩(wěn)定。這些計(jì)劃包括了從緊急加固到日常維護(hù)的全方位措施,確保了邊坡風(fēng)險(xiǎn)管理的全面性和有效性。
3 平臺(tái)性能測(cè)試與分析
為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的露天礦山邊坡安全管控平臺(tái)的實(shí)際有效性,將其應(yīng)用在某露天礦山邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中,對(duì)平臺(tái)的性能進(jìn)行測(cè)試分析,并采用對(duì)比試驗(yàn)的方式分析本文平臺(tái)的可行性。
3.1 研究背景
某露天礦山占地面積約5km2。礦山主要以開采鐵礦石為主,年設(shè)計(jì)開采能力達(dá)到800萬t。礦山周邊交通便利,有高速公路和鐵路貫穿,便于礦石運(yùn)輸。
礦山邊坡總體高度平均在150m左右,最高邊坡高度達(dá)到200m。邊坡坡度普遍在45°~60°,局部陡峭區(qū)域坡度可達(dá)70°以上。邊坡主要由花崗巖和頁巖構(gòu)成,其中花崗巖占比達(dá)到60%,巖石強(qiáng)度中等偏上,抗風(fēng)化能力較好。根據(jù)近期的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),邊坡整體穩(wěn)定性較好,但局部區(qū)域存在小范圍滑坡和崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。
3.2 測(cè)試準(zhǔn)備
試驗(yàn)環(huán)境包括邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器等;軟件部分包括數(shù)據(jù)接收、處理、分析和預(yù)警模塊。試驗(yàn)過程中對(duì)邊坡的監(jiān)測(cè)頻率為1次/h,并實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器;當(dāng)傾角變化超過0.1°、位移變化超過1mm、應(yīng)力變化超過5MPa時(shí),將觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。
試驗(yàn)過程如下:在邊坡區(qū)布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,并安裝測(cè)斜儀、位移儀、應(yīng)力儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備,確保其穩(wěn)定性和可靠性,并將其連接到數(shù)據(jù)采集器上;啟動(dòng)傳感器,開始對(duì)各種坡度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理服務(wù)器;數(shù)據(jù)處理服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)后,對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和存儲(chǔ),同時(shí)激活警報(bào)機(jī)制,為超過閾值的數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)警報(bào),并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整監(jiān)測(cè)參數(shù)或采取相應(yīng)的加固措施。
3.3 測(cè)試結(jié)果
為體現(xiàn)本文平臺(tái)的有效性,采用北斗技術(shù)(平臺(tái)1)、GIS技術(shù)(平臺(tái)2)作為對(duì)照組平臺(tái),本文平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)組平臺(tái),分別采用3種平臺(tái)對(duì)該露天礦山邊坡進(jìn)行安全管控,比較基于不同平臺(tái)監(jiān)測(cè)得到的邊坡水平位移量,從而評(píng)估3種平臺(tái)的管控性能。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。
由圖1可知,與其他2種平臺(tái)相比,應(yīng)用本文平臺(tái)對(duì)邊坡的各個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測(cè),得到的邊坡位移量與實(shí)際值更接近,說明本文平臺(tái)能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)邊坡的安全性,并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取相應(yīng)的管控措施,對(duì)邊坡安全的管控效果更好。
4 結(jié)語
本文設(shè)計(jì)的露天礦山邊坡安全管控平臺(tái)結(jié)合了邊坡安全監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)分析算法和預(yù)警機(jī)制,實(shí)現(xiàn)了邊坡安全狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,并基于邊坡風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)制定有效的風(fēng)險(xiǎn)管控方案,保證了邊坡的安全穩(wěn)定性。該平臺(tái)不僅可以為礦山邊坡安全治理提供新的思路和方法,而且也促進(jìn)了礦山安全生產(chǎn)領(lǐng)域的進(jìn)步和發(fā)展。
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