1、 安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 现代化边坡监测系统在黑岱沟露天煤矿的应用摘要：本文针对黑岱沟露天煤矿现代化的边坡监测系统的组成、各个监测系统的应用情况、边坡监测点的布置原则，边坡的预警模式进行了详细的介绍，对监测成果进行分析比对。黑岱沟露天煤矿监测系统具有稳定可靠、预报及时准确，创新性与可操作性，科技含量高等特点，同时还具有广阔的推广价值。关键词：边坡稳定性雷达；片帮；应力监测；GPS 位移监测一、引言1、黑岱沟露天煤矿概况神华准能公司黑岱沟露天矿是我国单矿开采能力最大，开采工艺最先进的特大型露天煤矿。该矿位于准格尔煤田中部，露天矿开采境界范围底部 42
2、km2,埋藏深度平均 105m，可采煤层厚度平均 28.8m。储量 14 亿 t,煤质为低硫、低磷、中高发热量的长焰煤，是优质的动力煤。黑岱沟露天煤矿采用综合开采工艺，上部黄土采用轮斗胶带排土机连续开采工艺；下部黄土及上部岩石采用单斗卡车间断开采工艺；下部岩石采用抛掷爆破吊斗铲倒堆（无运输倒堆工艺）开采工艺；煤层采用单斗卡车地面破碎站胶带输送机半连续工艺。2、黑岱沟露天煤矿存在安全隐患边坡1）、抛掷爆破高台阶存在的安全隐患黑岱沟露天矿引进抛掷爆破吊斗铲开采工艺。在吊斗铲倒堆之前，必须用抛掷爆破技术对下部的岩石台阶（40 米左右）进行抛掷爆破。由于地质构造、采空区、爆破作业等方面因素的影响，加之
3、煤台阶高度比较大，容易造成抛掷爆破实体台阶片帮，高台阶的片帮已经成为严重威胁我矿安全生产的重大安全隐患。2）外排土场存在的安全隐患黑岱沟露天矿整个服务年限内共设东排土场、北排土场、西排土场、阴湾排土场四个外排土场，排矸场属西排土场的一部分。黑岱沟外排土场除阴湾排土场和排矸场仍在使用外，其余的都以到界停止使用，但这些外排土场周围存在着一些选煤厂、公路、铁路、油库等重要的工业设施，及民用设施。一旦外排土场发生滑坡，将带来巨大的损失。二、黑岱沟露天煤矿边坡监测系统安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 为了有效预防黑岱沟露天煤矿边坡安全隐患造成的危害，黑岱沟露天煤矿采用
4、两种监测系统：一、抛掷爆破高台阶边坡监测系统；二、外排土场监测系统。1、抛掷爆破高台的阶监测选用先进的边坡稳定性雷达系统对抛掷爆破高台阶进行监测。边坡稳定雷达系统针对岩石坡面的移动变化情况进行次毫米精度的监测，而且能够 24 小时不间断。不仅能够测量出高台阶坡面的位移情况，还可以显示速度情况。在不与抛掷爆破高台阶坡面发生任何接触的条件下边坡稳定雷达系统，可以在几吨甚至数百吨的岩体发生断裂之前发出警告。黑岱沟露天矿在国内第一例引进边坡稳定性雷达。从实际效果上看，边坡稳定性雷达能够及时、清楚、准确地反映出边坡变化的相关参数，高台阶边坡的运动情况。边坡稳定性雷达对高台阶的监测，得到了第一手关于高台阶
5、坡面的变形以及运动方面的资料，对以后研究露天矿抛掷爆破高台阶边坡复杂情况下的变形破坏有着很重要的价值。边坡稳定型雷达具有如下特点：监测精度高，可达亚毫米级别雷达不与抛掷爆破高台阶发生任何接触，保证监测人员和设备的安全可实现 24 小时连续不断监测，使监测人员及时掌握抛掷爆破高台阶的运动情况边坡稳定性雷达监测系统能够自动绘制，高台阶的位移-时间曲线、速度-时间曲线，使监测更加直观，更加方便。安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 边坡稳定性雷达边坡稳定性雷达布置方式2、外排土场边坡监测系统黑岱沟露天煤矿外排土场边坡监测系统采用 GPS 位移监测系统与应力监测系统相结
6、合的方式，同时结合两种监测手段的优点，在国内尚属首例。GPS 位移监测系统具有监测精度高、反应速度快、系统稳定性可靠的特点。边坡内部的应力变化导致边坡表面的形变，应力变化提前于地表的形变，应力监测系统就是利用这个原理提前监测到内部的应力变化，从而起到预警的作用。边坡监测系统布置图三、黑岱沟露天煤矿边坡监测系统的应用1、边坡稳定性雷达系统的应用安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 1）传统的高台阶监测方法:在引进边坡稳定性雷达之前，我矿主要对高台阶片帮的监测手段就是沿着高台阶坡顶出现裂缝的地方布置若干监测点，人工测量高台阶裂缝的变化情况。2）边坡稳定性雷达监测系统
7、：为了避免片帮事故给我矿的安全生产带来的不利影响。黑岱沟露天矿引进 GroundProbe 公司开发的边坡稳性定雷达系统，对黒岱沟露天煤矿抛掷爆破高台阶的整个片帮过程进行实时监测，做出及时的风险预报。避免事故发生。边坡稳定雷达系统可以针对岩石坡面的移动变化情况进行次毫米精度的监测，而且可以做 24 小时不间断。不仅能够测量出高台阶的位移情况，还可以显示高台阶的运动速度情况。边坡稳定雷达系统是目前监测露天矿高台阶表面变形最有效的工具。3）边坡稳定性雷达在黑岱沟露天矿成功的监测案例2010 年 2 月 8 日上午，发现靠近东部一侧的重点监测区域的位移和速度曲线均出现加速阶段，片帮即将发生。到 10
8、 年 2 月 9 日下午 1 点左右，片帮开始发生。在雷达监测 20 多天时间里，重点监测区域的累积位移变化量在 400mm 左右。在加速时间段内的位移变化量超过 160mm。位移图像的加速情况安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 速度图像的加速情况， （红色区域为片帮区域）（红色曲线为位移曲线，蓝色曲线为速度曲线）此时的速度情况呈现震荡上升的状态。取边坡上某一区域为例，其速度变化为 1.4mm/h25mm/h9.9mm/h32.8mm/h，在速度峰值附近发生片帮。速度达到最高点以后，边坡在惯性的作用下，位移曲线继续向上爬行。片帮的过程是分两次发生的，片帮时间约
9、持续 10 个小时（两次速度峰值之间的时间） 。第一次片帮，其速度曲线的加速时间约为 90 分钟，速度从 1.4mm/h 到 25mm/h，有少量岩石垮落。第二次片帮，其速度曲线的加速时间约为 2.5 个小时，速度变化情况从 9.9mm/h32mm/h。大量岩石垮落。第一次与此二次片帮之间的时间段内，速度曲线回落，但仍有零星岩石不断的从高台阶上掉落。2、排土场边坡监测系统黑岱沟露天煤矿所有的外排土场均设有 GPS 位移监测系统与应力监测系统。保障排土场周边的选煤厂、公路、铁路、油库等重要的工业设施及民用设施的安全。1） GPS 位移监测系统安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽
10、在安全管理网 整个边坡变形监测系统从大的方面分可分为硬件和软件 2 个部分。其中硬件部分由传感器系统、数据通讯子系统、避雷系统和预警系统 4 部分构成。 软件部分共分数据采集工作站软件、数据处理服务器软件和数据存储 3 部分。GPS 位移监测点的布控原则：以露天煤矿边坡区域现场环境和该区域地质环境等因素为依据，选择具有代表性的点，同时在重要的道路、建筑设施、开采通道等重要的监控区域要布设监控点。总体要求是监测点所形成的区域要涵盖边坡所在区域，一般可选择边坡区域内选择易于观测，可能出现较大变形的部位设立监测点进行监测，且应实现以点代面对边坡进行监测。排土场监测站布置图排土场位移历时曲线安全管理
11、网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 2）应力监测系统在滑坡发生之前和发生的过程中，岩体的应力首先发生变化，边坡岩体滑动力和抗滑力之间（岩体滑动面强度）的平衡不断被打破，不断形成新平衡的过程中，边坡产生变形和位移。当监测到岩体有明显变形时，边坡已经发生了一定程度的滑动破坏，捕捉边坡岩体应力的变化可以超前于变形判断边坡的稳态趋势，但岩体内应力变化的测试较为困难并且不能直接反映岩体稳态。本系统以力的平衡原理为基础，建立边坡滑动力与监控锚索预应力及滑动面摩擦阻力之间的关系，并通过远程监控系统监测锚索预应力的变化，来反映边坡滑动力及滑动破坏面的抗剪强度等抗滑力的变化。锚索应力监
12、控原理应力监测系统总体主要由两大部分构成。一部分是智能传感、采集、发射系统，该部分用于安装到监测现场，可将现场锚索应力数据自动采集、自动发射到接收分析系统；另一部分是智能接收分析系统，该部分可将现场发来的数据自动接收并处理形成动态监测曲线和监测预警曲线，根据监测预警曲线判断监测对象的工作状态。应力监测系统示意图应力监测点的布控原则：应力监测点应布置在边坡（或者台阶）坡脚的软弱夹层处。安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 应力监测点照片应力监测点变化历时曲线应力监测数据浏览3、边坡监测预警模式安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 黑
13、岱沟露天煤矿边坡监测系统由边坡稳定性雷达监测系统，GPS 位移监测系统、应力监测系统组成。而每一个监测系统自身都有独特的预警系统、预警模式，确保能够及时准确地预报出潜在的危险。保障人员、设备、工业设施的安全。1）边坡稳定性雷达预警模式雷达在扫面岩壁的时候，自动将岩壁划分成很多个小的区域。每一个小区域叫做一个像素。如果在一定时间段内有两个以上相邻的像素的位移超过了设定的报警阀值的话，那么就将触发报警。雷达的对于边坡的报警有两种：一、红色报警，它要求根据工作程序做出迅速反应。二、橙色报警，它要求矿山技术人员根据实际情况做出进一步的调查。工程技术人员可以根据现场实际情况来设置报警阀值。2）GPS 位
14、移监测系统预警模式变形-时间预警模型安全管理网安全生产第一交流平台更多安全生产资料下载，尽在安全管理网 1变形-时间曲线2加速度-时间曲线临界变形预警模型：一旦监测点的累计变形值超过其临界变形，滑坡即将发生，应实施预警。临界变形速率预警模型：变形达到临界变形时变形-时间曲线的切线角，可称为临界切线角，其正切值为临界变形速率，一旦变形-时间曲线的斜率超过临界切线角，滑坡即将发生，应实施预警。 加速度预警模型：从边坡变形三阶段演化模式也可以分析得出，在初始变形阶段，当变形在外界因素的作用下突然启动后，随着外界因素的减弱甚至消失，其变形速率会逐渐降低，其加速度为负值；在等速变形阶段，由于其变形速率
15、基本维持在一恒定值，加速度基本为 0；而一旦进入加速变形阶段，随着变形速率的不断增加，其加速度变为正值，并呈逐渐增大的趋势。大量的滑坡监测数据表明，当边坡演化进入临滑阶段后，除累积变形量、变形速率外，加速度亦会急剧增长，这一显著的前兆特征可作为滑坡临滑预警的重要依据。3）应力监测系统预警模式临界应力预警模型：锚索安装后，随着滑面处岩体强度指标的逐步弱化，预应力逐渐增大，一旦监测点的预应力值超过其临界应力，滑坡即将发生，应实施预警。 临界应力增长率预警模型：滑动面形成过程中，要经历局部岩体的力学指标弱化形成微裂隙，从而应力重新分布，导致裂隙进一步扩展和贯通，这一过程中，岩体破坏的速度并非一层不变而是逐渐或分阶段增加的，这种现象会体现在锚索预应力增长率越来越大，一旦应力增长率超过临界应力增长率，滑坡即将发生，应实施预警。应力增长率加速预警模型：如前所述，边坡在临滑阶段其岩体加速破坏，即 c、 等强度指标下降的岩体大范围增加，在锚索极限承载力范围内，应力加速增大，滑坡即将发生，应实施预警。
