基于全自动全站仪-微震联合监测的高陡边坡灾害预警应用.pdf

基于全自动全站仪 微震联合监测的高陡边坡灾害预警应用刘亚南1,刘禄平2,葛万波1,杨顺2,路洋1,彭敏杰1(1.内蒙古兴业集团融冠矿业有限公司,内蒙古 锡林郭勒盟 0 2 6 3 0 0;2.长沙矿山研究院有限责任公司,湖南 长沙 4 1 0 0 1 2)摘 要:为治理融冠矿业查干敖包铁锌矿塌陷坑南面的高陡边坡,根据监测需求,结合矿山现场等综合因素,建立了一套全自动全站仪 微震联合监测系统,制定了关于微震事件、累计沉降及水平位移的预警规则。由井下的微震监测系统对高陡边坡区域的内部作出岩石破裂的预警,经全自动全站仪的地表位移监测系统给出相应的反馈,对滑坡等地质灾害的发生进行预报。通过对现场收集的典型案例进行分析,分析结果证明了该套系统具有一定的可靠性,能为类似难题的解决提供参考借鉴。关键词:高陡边坡;联合监测;预警应用;微震监测0 引言高陡边坡是矿山常见的隐患灾害类型,大型露天矿山的采区、尾矿库库坝、排土场等均易发展形成此类安全隐患1。为了有效预测预防高陡边坡隐患带来的滑坡等灾害,避免人员伤亡及经济损失,对其进行测量监测势在必行。常见的传统边坡监测方法按目标类别可分为位移监测、应力应变监测、水力监测以及环境因素监测2。位移监测按照所测物理参量又可分为表面位移监测和深部位移监测。在现场工程实际中,位移量的测量简单便捷,成本较低,能最直接地反映边坡滑体状态3。随着科技手段的不断进步,位移监测的实现方式也愈加现代化。从最初的皮卡尺、水准仪、全站仪等作为测量装备的更新,到卫星定位、摄影测量、合成孔径雷达干涉(I nS A R)等技术原理的理论创新4,边坡位移监测在广度、深度上都得到了长足的发展进步,实现了实时动态的自动化、高效率、高精度的监测效果5。目前,全自动全站仪(又叫测量机器人)实时监测技术在边坡监测领域应用广泛。陈子江等6结合了测量机器人自动监测系统的特点、案例及具体应用,认为此系统能够兼顾工作效率与数据准确度。李由家等7基于测量机器人自动化监测系统,对比了人工测量与自动化测量在道床沉降、管片收敛、隧道水平位移等方面的结果差异,肯定了该系统自动化监测的成果。葛继空等8基于测量机器人的深基坑自动化监测系统,通过提出的差分数据处理技术,提高了监测数据精度的可靠性和实用性。周建国等9基于测量机器人的大坝外观监测,从测站点、观测路径、观测目标3个大方向着手,研究了精度影响因素,很好地保障了数据的有效性。鉴于监测目标的唯一性及监测要求的土属性,多种方式联合监测的手段也屡见不鲜。荣辉等1 0将G N S S监测系统与微震监测系统相结合,对两者数据综合分析,很好地预防了边坡灾害,同时也推进了矿山高效生产。袁康等1 1联合三维激光扫描与微震监测技术,摆脱了点对点、点对面的数据采集模式,整体地把握了边坡扩帮的区域安全监测。李正胜等1 2基于“表 深”的联合监测方法,通过数据监测和数值模拟,揭示了露天煤矿边坡岩体破坏演化机理,分析了其剪切型破坏的宏观破坏模式。由此可见,边坡监测技术的应用越发成熟,但是单一形式的监测手段及特定组合的联合监测,都需要根据现场的实际情况灵活运用1 3。尤其是针对矿山突发的临时高陡边坡,确定监测方案应综合技术、需求、经济等多种因素。因此本文针对矿山突发形成的塌陷坑高陡边坡,建立全自动全站仪联合微震实时监测系统满足监测需要,在保证效率的同时也使得经济成本较低。1 工程背景融冠矿业查干敖包矿区采用无底柱分段崩落采矿法作为主体采矿方法开采矿体,于2 0 0 8年6月按放顶设计对1 1 5 8m中段进行了放顶施工,之后井下采空区与地表连通,地表沉陷形成了最初的地表塌I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3陷坑1 4。随着井下开采的推进,塌陷区范围不断扩大,至2 0 1 9年5月,已形一个南北长约2 7 5m,东西宽约2 1 0m,近似椭圆塌陷坑,塌陷坑上口面积约5.4万m2,下口约0.7 8万m2,如图1所示。图1 地表塌陷坑示意在地表塌陷坑南面形成了陡崖式的边坡,尤其是矿体下盘岩体处边坡接近垂直,地表多处有宽度大小不一的裂缝,后期有进一步垮塌或产生滑坡的可能,诱发井下冲击波、井下局部突水等安全隐患1 5。本文通过塌陷坑边坡的表面位移监测系统与井下微震监测系统相结合,实时反馈边坡体的变形滑移情况,从岩体内部损伤演化到外部形变失稳,渐进式地跟踪监测,超前且准确地为矿山作出预警预报,保障矿山的安全高效开采。2 联合监测系统2.1 全自动全站仪监测系统针对融冠矿业查干敖包矿区塌陷坑高陡边坡的治理监测,选用全自动全站仪监测系统进行实时在线监测。根据现场详细的踏勘结果,选定满足量程及精度要求的全站仪,并进行系统布置,如图2所示。位置的选取需满足三者相互通视的原则,后视点在基点视角范围内处于最外侧,将所有测点包括其中,后视点1、基点、后视点2三点组成的平面夹角尽量不超过9 0。测点依照边坡治理的进度,从最外围开始,依次往形成的台阶平台上布置,台阶上测点间距为2 0 3 0m。图2 全自动全站仪监测系统布置自动测量工作由系统下达自定义命令,经云平台发送至控制盒,再传输到全站仪,仪器接收到命令后执行。数据的收集传输也是将控制盒作为中转站,无线传输至云平台,由系统后台处理分析,从而形成相关报表。2.2 微震监测系统为充分保证微震监测系统“整体包络、重点监测”的原则,微震监测系统设计了1 2个通道,即2台数据采集仪,单台数据采集仪由6个通道组成,每个通道可搭载一 个 单 轴 传 感 器。1 1 2 8 m中 段 和1 1 1 8m中段分别布设3个传感器,1 0 6 8m中段布设6个传感器,可实现对塌陷坑内陡崖近地表区域的全天候、实时的立体地压监测。整个微震监测系统设置了2个数据采集分站点,分别布置在1 1 2 8m中段和1 0 6 8m中段。传感器采集到岩体传递的震动信号后,转为电信号通过铠装电缆传输到各个数据采集站点,经光电转换后由光缆传输至办公楼调度室。微震监测系统的主服务器单独布置在办公楼调度室内,各分站由主服务器通过G P S实现同步授时;并且通过互联网实现远距离数据共享功能。微震监测系统布置情况如图3所示。图3 微震监测系统布置3 应用分析边坡体滑坡失稳,是岩石破裂逐步发育的量变结果,是岩体内部结构破坏的外在表现。微震监测系统采集到的异常弹性波信号,动态地揭示了边坡体的力学破坏模式,能够作为岩体大规模滑移的前兆信息,与宏观上的表面位移变化相辅相成,两者相互印证的同时,在一定程度上为灾害的发生提供预76刘亚南,等:基于全自动全站仪 微震联合监测的高陡边坡灾害预警应用警预报。微震监测系统的预警规则分为两种:一是单通道日触发数预警,上限为5 0次/d,当日累计触发的单通道事件数超过该值即以邮件的形式上报;二是定位事件触发预警,多个传感器共同接收到的弹性波信号称之为定位事件,因其信号能被多个传感器同时捕捉,所以能量一般较大,此类事件一旦出现也会邮件预警。全自动全站仪监测系统则是根据地表位移的速率变化和累计位移分为两级预警,一级预警值为3 0 mm/d和1 2 0 mm,二级预警值为 6 0mm/d和 2 4 0mm。当测量数据超出预警范围,即在该监测系统主页显示,并短信上报预先填写的相关责任人。图4为4月2 8日微震监测系统所记录收集的井下岩石破裂定位事件,共8个传感器触发,具有典型的代表意义。按照一定的算法,标定P波和S波,根据传感器的响应位置和响应时间,在三维模型中反演出该破裂事件发生的实际位置,如图5所示。图4 井下岩石破裂定位事件图5 定位事件反演结果基于本文的联合监测机制,微震监测系统为地表位移监测提供潜在的前兆预警信息。结合上述信息及结果,重点关注全自动全站仪的监测数据,图6为一期4个测点在接收微震定位事件后1 4d内的累计沉降及水平位移统计结果。(a)测点1(b)测点2(c)测点3(d)测点4图6 一期各测点沉降及水平位移统计结果86采矿技术2 0 2 3,2 3(3)自发出井下岩石破裂定位事件预警起,4个测点的地表位移监测结果为:在持续1 4d的监测时间中,各测点的数据整体趋势平稳,其中累计沉降均在5mm以内,水平位移最大值不超过3mm。根据结果分析,地表暂无发生滑塌的可能,边坡处于安全、稳定的状态。地表位移的监测结果说明前文中出现的岩石破裂事件,并未进一步诱发边坡失稳滑塌情况。微震监测系统所监测的是岩石内部的细微破坏,可以看成是岩体失稳滑移的前兆信息。岩石破裂不一定诱发塌陷滑坡,但是岩体失稳一定会释放出岩石破坏的信号。单系统的监测结果存在一定的偶然性,但是两者同时发出预警,有充分的理由去预测地质灾害的发生。这种微震联合位移的监测方式,对于突发性的滑坡灾害具有一定的可预见性,能兼顾技术和经济的要求,为类似难题的解决提供参考借鉴。4 结论(1)通过本文的微震监测布置方式,能够很好地监测到高陡边坡内部的岩石破裂变化。5 0次/d的单通道预警上限及通用的定位事件预警,贴合项目现场的实际情况,有利于充分发挥该系统的优势。(2)全自动全站仪监测系统不仅在量程和精度技术要求上满足现场的需求,在经济投资上也较为合理。监测效果更是简单明了,直观地反映了高陡边坡滑塌的可能性。该系统多维度地解决了矿山企业的实际问题,不失为类似监测问题的一种典型解法。(3)与传统的单一监测手段相比,全自动全站仪 微震联合监测能从岩体内部损伤演化到外部形变失稳,渐进式地2 4h实时跟踪监测,具有一定超前性,且能准确地预警预报。本文的联合监测技术虽说是两套系统,但是从分析的角度上看需要把两者视为一个整体。井下微震监测作为前兆信息,地表全自动全站仪监测作为印证与论证,两者相辅相成,共同为灾害的发生做出预警预报。参考文献:1 陈祖煜.土质边坡稳定性分析:原理方法程序M.北京:中国水利水电出版社,2 0 0 3:1-1 5.2凌建明,张玉,满立,等.公路边坡智能化监测体系研究进展J.中南大学学报(自然科学版),2 0 2 1,5 2(0 7):2 1 1 8-2 1 3 6.3刘成.高速公路滑坡地表位移监测与控制J.北方交通,2 0 1 8(0 7):1 4 0-1 4 2+1 4 7.4吴玉泉.基于三维激光扫描技术的边坡形变监测研究D.赣州:江西理工大学,2 0 1 9.5张飞,郝勇浙,刘跃忠,等.露天矿边坡位移监测方法的发展与研究J.采矿技术,2 0 2 1,2 1(0 1):8 9-9 3.6陈子江,姜亚飞.测量机器人自动监测系统在边坡远程监测中的应用研究J.工程技术研究,2 0 2 1,6(1 7):5 0-5 1.7李由家,单强英,安平利,等.测量机器人在隧道监测中的应用分析J.测绘技术装备,2 0 2 2,2 4(0 1):1 0 1-1 0 4.8葛继空,李卫军.基于测量机器人的深基坑自动化监测系统优化研究J.测绘技术装备,2 0 2 1,2 3(0 4):1 1-1 5.9周建国,赵思琦,史波,等.基于测量机器人的大坝外观监测精度影响因素研究J.人民长江,2 0 2 2,5 3(0 9):1 1 5-1 2 0+1 6 2.1 0 荣辉,胡文剑,尚立君,等.地表位移微震联合监测在某露天矿边坡监测的应用J.现代矿业,2 0 2 1,3 7(0 9):6 4-6 7.1 1 袁康,张志军.微震监测和三维激光扫描联合监测技术在山达克南矿体扩帮边坡监测中的应用J.有色金属(矿山部分),2 0 1 9,7 1(0 2):7 6-8 1.1 2 李正胜,李刚强.基于“表 深”联合监测方法的露天煤矿边坡破坏模式研究J.煤炭工程,2 0 2 1,5 3(0 1):1 4 4-1 4 7.1 3 韩扬.露天矿边坡监测技术与方法研究J.中外企业家,2 0 1 8(0 4):1 3 0.1 4 王飞飞,任青阳,邹平,等.查干敖包铁锌矿地表塌陷形成机制与发展机制研究J.岩土力学,2 0 2 0,4 1(1 1):3 7 5 7-3 7 6 8.1 5 彭敏杰,邹平,王飞飞.塌陷坑陡倾斜边坡稳定性有限元分析J.新疆有色金属,2 0 2 1,4 4(0 2):9 0-9 4.(收稿日期:2 0 2 2-0 2-1 3)作者介:刘亚南(1 9 9 0),男,内蒙古赤峰人,工程师,主要从事采矿技术工作,E-m a i l:3 0 6 2 2 5 3 4 4 q q.c o m。96刘亚南,等:基于全自动全站仪 微震联合监测的高陡边坡灾害预警应用