边坡无线监测系统的应用

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2003年9月MINING&METALLURGYSeptember󰀁2003

文章编号:1005-7854(2003)03-0005-04

边坡无线监测系统的应用

张会林,李军才,刘贤信

1

1

2

(1󰀁北京科技大学,北京100083;2󰀁山东黄金公司计划部,济南250000)

摘󰀁要:介绍边坡无线监测系统在国外的应用及国内边坡监测的现状。结合鞍钢眼前山铁矿加陡最

终边坡角的实际情况,确定了该矿北帮的不稳定部位,并首次建立了边坡无线监测系统。概述了该系统的原理、功能和安装,同时讨论了测点的布置和探头的选取。根据监测结果,对该系统进行了评价。现场工业试验表明,该系统在眼前山铁矿的应用是成功的。

关键词:露天矿;边坡稳定;无线监测系统;矿山安全中图分类号:TD854󰀁6;TD824󰀁7+3󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

APPLICATIONOFSLOPEWIRELESSMONITORINGSYSTEM

ZHANGHui󰀂lin1,LIJun󰀂cai1,LIUXian󰀂xin2

(1󰀁UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China;

2󰀁ProjectDivision,ShandongGoldCompany,Jinan250000,China)

ABSTRACT:Theapplicationofslopewirelessmonitoringsystemabroadandthepresentsituationofslopemoni󰀂toringresearchathomeareintroducedinthispaper󰀁InlightofactualconditionofsteepeningultimateslopeinYanqianshanIronOpenpit,AnshanIron&SteelCo󰀁,theunstablezonesinnorthernslopewallaredeterminedandaslopewirelessmonitoringsystemissetupforthefirsttime󰀁Theprinciple,functionandinstallationofthesystemareoutlined󰀁Atthesametime,thearrangementofmeasuringpointsandtheselectionofsensorsaredis󰀂cussed󰀁Onthebasisofmonitoringresults,thesystemisevaluated󰀁Thecommercialscaletestsshowthatapplica󰀂tionoftheslopewirelessmonitoringsystemissuccessfulinYanqianshanIronOpenpit󰀁KEYWORDS:Openpit;Slopestability;Wirelessmonitoringsystem;Minesafety

1󰀁引󰀁言

我国露天矿边坡越来越高。特别是近几年来,某些大型深凹露天矿山采用三并段或多并段靠帮工艺来提高矿山的最终边坡角,如大冶铁矿、大孤山铁矿和眼前山铁矿等,导致矿山边坡稳定性的控制和维护难度加大。若不及时采取监测和加固措施,将严重地威胁矿山的生存和发展。眼前山铁矿自1964年从山坡露天转入深凹露天开采,现已形成高达228m的高陡边坡,是我国典型的深凹露天开采矿山之一。虽然对该矿做过稳定性评价,边坡地质

收稿日期:2003-03-21

作者简介:张会林,土木与环境工程学院讲师。

灾害基本清楚,但是矿山边坡不稳定区依然存在。特别是该矿正在实施固定帮三并段靠帮工艺,实现1󰀁5亿元的经济效益,要做到矿山安全生产,必须通过监测来控制局部不稳定边坡。

2󰀁边坡无线监测系统在国内外的应用

2󰀁1󰀁边坡无线监测系统在国外的应用

20世纪80年代末期,全球各矿业大国都以很大的精力研究边坡变形的监测方法和手段,例如原苏联有色科学研究所对大爆破作用下岩体状态和边坡变形的监测方法、手段等进行系统研究;与莫斯科矿业学院和斯维尔德洛夫斯克矿业学院合作,研究边坡变形的全自动监测系统;与中亚有色金属科

&6&矿󰀁󰀁冶

学研究所合作,研究测量岩体应力的方法和仪器。又如,1986年欧洲最大的露天矿󰀂󰀂󰀂瑞典艾蒂克矿研制了Geodimeter140边坡监测系统;1989年美国Sinco公司研制了IDA自动数据采集系统;加拿大布伦达铜钼矿研制了边坡无线监测系统。

(1)瑞典Geodimeter140边坡监测系统。该系统采用带微处理器和测量控制系统的Geodimeter型机动电子总测站。工作时,这套装置能按程序以预定的时间间隔,读取固定在边帮上棱镜目标的观测数据,包括距离、水平角和垂直角。电子总站可设置在一个安全的遮蔽所内,并能在稳定的基础上精确调平。控制计算机一般设在矿山办公室,用导线或无线电遥测通讯线路与测量仪器联系。设站时,要输入每个监测点的标志数据,按专门的初始程序由操作人员把测量仪器对准目标,建立一个初始坐标,然后根据不同的监测点选择不同的测量时间间隔。该系统由计算机控制,采用滤波技术或回归分析,可计算所测目标的位置及其位移速率,并在各种坐标纸上打印出各种图形。在边坡位移达到预定值时,系统将发出报警。

(2)美国自动数据采集系统(IDA)。该系统是1989年美国Sinco公司推出的,其功能如下: 每小时获得读数;!能在电话线上检索数据文件;∀如发生滑坡,能触发警报器,向有关部门报警。

(3)加拿大布伦达铜钼矿全自动无线监测系统。该系统采用无线电遥控方式进行数据通讯,能同时远距离监控几个地点的若干个传感器,并把数据直接传到矿山工程计算机中,用于位移和安全分析。该矿采用主机TJ990010集中控制、无线电数据通讯。

2󰀁2󰀁我国矿山边坡监测现状

我国露天矿山边坡监测大都使用传统的大地测量设备,如攀钢石灰石矿是在松散的滑体上进行采矿作业的,这方面的先例很少,缺乏经验。为在整个矿山开采过程中保障设备和人身的安全,采用经纬仪、电子测距仪、钻孔伸长计及水压计对地表位移、地下滑动面位移和水压力进行监测。在#八五∃期间,长沙矿冶研究院和中国科学院武汉岩土力学研究所结合大冶铁矿的实际情况,采用日本产SET2测距仪和蔡司007自动安平水准仪,对尖F9断层上盘及滑体加固效果进行边坡地表位移监测;采用多点伸长计及钻孔倾斜仪对其岩体深部进行位移监测,对东采边坡采用了地面立体摄影测量进行监测,同时对东采边坡数据采用HX󰀂20电子簿传入室内微机进行分析处理。

国外露天矿山生产实践表明,边坡无线监测系统运行情况良好,测量精度高,大幅度地提高了劳动生产率和矿山的自动化管理水平,使矿山能及时掌握边坡变形的情况,确保矿山安全生产。所以本次研究采用边坡无线监测系统对不稳定区进行监测。

3󰀁眼前山铁矿工程地质及水文地质特征

在1986年边坡稳定性评价和多年生产实践的基础上,对整个采场进行了踏勘,对采场的西端帮、北帮和东端帮进行了补充工程地质、水文地质填图,分析并确定了不稳定区段的位置。3󰀁1󰀁工程地质特征

眼前山铁矿位于鞍山复向斜北部的胡家庙子向斜东南翼,区域出露地层以震旦系变质岩系为主,并有震旦系、寒武系及第四系,同时还有不同时期的火成岩侵入。根据岩石成因类型、物质成分和工程地质特征,将采场所暴露的边坡岩体划分为五个岩组。片麻状混合岩分布在矿体下盘,形成了整个采场南帮和东帮;千枚岩夹薄层含铁石英岩组分布在采场北帮和东西帮,主要由绿泥千枚岩、碳质千枚岩和薄层含铁石英夹层组成,该岩组大部分岩性较软,受多次构造运动的作用,小褶皱很发育,是影响边坡稳定性的主导因素,采场的变形和滑落主要集中在此岩种中;火成岩岩组主要是闪长岩、碱性正长斑岩、闪长玢岩、辉绿岩和石英岩脉等;第四系坡残积、冲洪积和人工堆积岩组分布在采场周围山坡和采场地表几个台阶。矿区断裂构造发育,%级断裂构造有两条,即F20、Fml断层。3󰀁2󰀁水文地质特征

眼前山铁矿边坡水文地质特征详见1986年#鞍钢眼前山铁矿边坡地质调查及稳定性评价报告∃及前人提交的有关矿区水文地质报告等资料。本次研究仅对采场上盘(21-105m平台)及东、西端帮的北侧部分出水点进行调查。

4󰀁眼前山铁矿边坡监测区的确定

4󰀁1󰀁滑坡区概况

从1994年到1996年,眼前山铁矿采场边坡不稳定区即滑坡区共有10处。这些滑坡区位于采场的北帮及东端帮绿泥千枚岩及碳质千枚岩中。1、2、3号滑坡区位于采场的西端帮,6号滑体位于采场的东端帮,上述滑体都位于绿泥千枚岩中。

总体上讲,滑坡区岩性较硬,结构面与边坡面斜张会林等:边坡无线监测系统的应用&7&

交呈50∋,且反倾,台阶坡面角达65∋,该区不宜出现大规模滑坡。F20断层破碎带中的碳质千枚岩的岩性较软,可能发生单台阶或局部多台阶倾倒滑坡。1号滑体的高为35m、宽20m、长50m,破坏类型为倾倒滑坡。2、3号滑体发生在105m水平绿泥千枚岩之中,出现张裂缝,宽度为10~20cm,2号滑体长148m,3号滑体长172m。6号滑体处于采场东端帮的绿泥千枚岩中,滑体长约30m。4、5、7、8、9及10号滑体位于采场北帮及东端帮的碳质千枚岩中。碳质千枚岩为鳞片状,岩性较软,小褶皱极发育,几乎成散体。最大的滑体为10号,长约200m、最大宽度为25m、高20m。其次为9号滑体,长210m、最大宽度14m、高24m。

4󰀁2󰀁监测区的确定

9号滑体位于采场北帮81~69m水平之间的碳质千枚岩中,滑体的下水平即69m水平设有铁路运输干线和运转室,一旦发生滑落,这些设施会被摧毁,严重地威胁人身及设备的安全。根据该矿滑体的规模及所在位置的重要性等情况,对不稳定的北帮9号滑体采用全自动边坡无线监测系统进行监测,为此进行了监测方案设计、实际施工和实时监测,并进行了边坡滑坡预报方法的研究工作。

头、钢丝和保护盖。

(3)立电杆:采用杉木杆,长8m,小头直径大于8cm。每个监测点立1根,其位置在裂缝相对稳定的一侧(即安装在探头一侧),距离基桩2~3m,埋深不小于0󰀁6m,埋直、夯实。电杆用于支撑铁丝、分线或总线,间距约50m。

(4)放线:沿预定的线路放三种线,即铁丝、总线、分线。总线从野外机房至分线器采用10芯的胶质线,用铁丝挂钩挂在铁丝上。分线是每个探头至分线器之间的线,使用三芯胶质线,并用红、绿、黄三色分别表示电源线、地线和信号线,使之与探头引出线的颜色相吻合。若有两个以上探头在一个方向上,可共用一根地线(绿线),其余两根线不能共用。(5)安分线器:将分线器用铁丝捆于电杆上即可,应为调整探头时增加监测点留有余地。5󰀁3󰀁探头的选取

该系统可提供自动温度补偿伸缩计、高精度变形计、沉降仪、滑体内蠕动内位移测试探头、地下水位计、温度计、限位报警器等探头。

结合眼前山铁矿的实际情况,本次研究仅采用伸缩计、限位报警器对地表位移进行监测和报警。伸缩计主要用于监测张裂缝宽度及上下盘的相对变形量。视安装方式的不同,它既可以反映水平变形量,也可以反映垂直变形量或者沿滑面的变形量。安装时,不锈钢丝牵引在裂缝的两侧。探头精度为2mm,测程为40~1000mm,当测程用完以后,可以重新调整测程范围,重复使用。超限报警探头根据工程设施允许达到的位移、变形量设计警戒限,当位移、变形量达到这个警戒限时,相应的设备会自动报警。

5󰀁4󰀁安装探头保护盖

为使安装好的探头不被人、牲畜或野兽破坏,不被雨水淋坏和冰雪冻坏,每个探头都要用保护盖加以保护。保护盖系用厚1mm的镀锌铁皮做成,顶宽0󰀁4m,长1m和2m,两壁高0󰀁3m。将做好的探头盖用螺帽固定在安置探头的水泥基墩上即完成了探头的保护。5󰀁5󰀁安装避雷线

为了防止雷电对仪器、探头和线路的破坏,需要在仪器房后以及每根电杆上安装避雷线,线端应高出房顶或电杆顶约1m。

在野外机房内采取在地线和信号线上安闸刀的方法避雷。也就是说,仪器工作时关闸刀,线路畅通;不工作时,尤其雷雨天,拉开闸刀,断开线路,达5󰀁眼前山铁矿边坡无线监测系统的建立

5󰀁1󰀁监测点的布置

(1)监测点疏密程度的确定:根据滑坡规模的大小及重要性确定监测点的数量和疏密程度,本次研究共布置5个探头。

(2)测点位置的确定:本着抓住重点、照顾全面的原则,根据各滑坡体的性质、宽窄、长短、下滑或塌陷的距离、裂缝发育的程度、直接威胁工矿企业和铁路运输的严重性来布置。5󰀁2󰀁施工安装

(1)探头基桩坑的开挖:一个监测点需挖两个长方体基坑,其位置是在裂缝的两侧,规格为长(宽(高=400mm(300mm(400mm。若遇基岩,则开挖至较新鲜的基岩面,并将面上的泥土打扫干净,两坑中心连线垂直于裂缝走向,坑的各相应边互相平行或在一条直线上。

(2)浇筑基桩:用200号水泥沙浆,在上述基坑中直接浇筑混凝土,使桩下部与周围岩土结合为一体,上部露出地表,规格为长(宽(高=400mm(300mm(30mm的矩形桩,在浇筑时需预埋探头钢丝桩和为安装探头盖的螺丝杆。其作用为固定探&8&矿󰀁󰀁冶

到避雷目的。(3)信号无线传输。中心控制机与野外采样机之间,可用有线通讯,也可通过无线电传输信号,其控制距离主要取决于无线电台的功率和频率。只要两地间能清晰地通话,就可实现数据传输。

6󰀁边坡无线监测系统组成原理及功能

采用了DWC全自动无线边坡监测系统,它包括野外采样机、中心控制机、电台、稳压电源。在任一时刻,如果工作人员需要了解野外工作情况,可以在中心控制室打开电源,并发一密码脉冲,野外采样、编码、电台控制机接收到这个脉冲后,立即打开设备电源,并将电台由接收状态转换为发射状态,仪器将自动对野外每个探头进行采样,并同步地把它改编为二进制串行密码,由电台发回控制中心。控制中心接收到这个信号后,立即分选译出,并同步地由接口送入计算机,按你的需要计算数据。DWC系统通讯机配置12V、12A的稳压电源;电台型号为日本产STANDARD,频率为156󰀁725MHz;天线的频率为155MHz。该系统的主要功能如下:

(1)野外采样机。任一时刻,如果想了解被监测边坡的稳定情况,只需在中心控制室拨动一个按扭,中心控制机立即通过电台发出指令,命令野外采样控制机自动完成一系列工作,其程序为: 自动打开野外机电源;!自动让电台由接收状态转变为发射状态;∀自动对野外各探头轮流供电;)自动对各探头轮流采样;∗自动把各探头数据转换成二进制密码;+自动同步地把数据交电台发射;,自动对各探头进行质量检查。如果任意一个探头损坏,它将自动告诉中心机,哪一探头哪一根线或哪一部位出现问题,请你检修;当各探头测试完毕后,它将自动切断电源,待下一次指令到达,再开始工作。

(2)中心控制机。 自动让野外发回的数据进入#中心控制机∃;!自动把二进制密码译成二进制#0∃、#1∃码;∀自动通过一个万用接口把数据送入计算机;)当野外数据输送完毕之后,计算机自动按编写程序计算,并打印出各探头的物理量,如位移量、水位值、泉流量及地温等;如果被监测体的变形量超过一定限度,整个系统将根据你事先输入的数据,自动打开机器,自动向中心控制台报警,以便立即采取防御措施。一台中心控制机可监测多个变形体和建筑物,可根据用户需要进行扩充。

7󰀁边坡无线监测系统评价

眼前山铁矿边坡无线监测系统于1997年4月投入使用,至今系统运行良好、可靠。根据监测结果,对该系统的评价如下:

(1)测试参数多。它除了能测量变形体上张裂隙的变形外,还能自动测试雨量、泉水量、地下水位、地下温度场、滑面位置及变形量、岩体内部破裂位置、范围,同时能确定滑体活动方向等参数,是研究矿山边坡和建筑物稳定性及活动规律的有力工具。

(2)控制范围广。它能同时监测几十、上百公里范围内若干个边坡和建筑物的活动。

(3)探头控制精度高,测程范围大,具有变测程、可重复使用的能力。

(4)自动化程度高。监测站建立起来以后,设备使用操作和现场维修特别简单,有利于矿山的现代化管理。

(5)监测工作省时、省力,监测数据准确、及时,大幅度降低劳动强度,提高劳动效率。

(6)设备功能的扩展非常容易。(7)抗干扰能力强。

现场工业试验表明,无线边坡监测系统的应用是成功的,该系统监测数据的误差−.2mm;实现监测数据无线传输。根据监测结果,可延缓对边坡的加固,或不加固,使工程费用降低到最低程度。为加陡矿山的最终边坡角,对不稳定边坡或对已加固工程进行监测,可实现矿山安全生产。参考文献:

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京:中国铁道出版社,2001󰀁