CN108922123A - 一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，包括选择边坡变形监测断面；在边坡平台对应的监测断面位置处设置垂直测线，并在垂直测线上安装测斜仪；根据所测数据进行科学分析，对边坡开采初期爆破阶段和后期稳定发展阶段分别采用不同的滑移稳定性分析方法及标准，将矿山边坡的滑移与爆破响应进行耦合，以爆破位移增长率∈_i和滑动发展变化率为η_i为参数确定位移阈值并判断矿山边坡稳定性状态，实现对边坡稳定性进行评价与预警。本发明方法通过对矿山边坡滑移的实时监测与数据采集，采用Newton插值、拟合等处理过程对数据的分析能更加准确、直观的表现出矿山边坡的滑移情况，根据实时的数据分析可及时对边坡滑移进行预警，为边坡滑移稳定性监控提供有效科学依据。

Description

一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其涉及矿山露天边坡的变形监测，具体涉及一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法。

背景技术

我国矿山滑坡灾害威胁严重，目前矿山高边坡滑坡事故是我国矿山各类事故中发生频率较高、死亡人数较多的事故。我国西部是矿产资源主要分布地，同时西部地区也是崩塌、滑坡、泥石流地质灾害的多发区，平均每年至少造成15-30亿元损失，严重的滑坡地质灾害给当地居民的生命财产造成极大损失，如何制定多级边坡局部失稳的极限条件对多级边坡预测预警工作具有重要意义。

目前常用的矿山边坡位移检测仪器主要为位移计与测斜仪，前者虽然能直接简便的读取出边坡表面的位移值，却由于不能反映边坡内部位移而具有一定局限性。后者在边坡位移检测中更为常见，该方法通过测斜仪所测倾角θ_i与量段长度L_i计算出边坡的水平位移，水平位移总量该计算方法将边坡测线看成折线计算，在测斜仪所在位置为折线折点，但实际边坡测线位移曲线应为平滑曲线，往往会将误差放大从而降低监测数据可靠度；同时，该方法只能通过线性求差的方式求出测线上某一点的位移，具有一定局限性。

目前对于边坡位移安全阈值的确定方法较多，主要有以下几种：解析法、数值分析法、工程地质类比法、模型试验等方法。解析法经常采用复变函数进行边坡变形计算，由于边坡的岩性、构造、环境等特征不同，难以准确描述，因此常常无法满足计算准确性；数值分析法包括有限元法、边界元法等，该方法克服了解析法的不足，但是对于非连续介质往往难以解决；工程地质类比法与模型试验法克服了计算上的困难，但是依然与边坡实际情况存在一定差异，对滑移阈值的确定仍存在不稳定因素。

因此，为了克服上述现有监测方法存在的不足和局限性，针对矿山边坡滑移发展的规律与发展阶段，亟待提出一种基于矿山边坡滑移机理的位移计算方式和一种基于边坡自身滑移发展与爆破震动耦合的预警阈值确定方式进行矿山边坡的监测与预警。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有矿山边坡监测与预警数据处理方法的不足，提出一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，以克服传统边坡位移量的计算误差，确定与边坡自身性质更加相符的安全性分析及预警方式，在矿山边坡安全评价与监测预警领域具有重要的应用价值。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，包括以下步骤：

步骤A、选择垂直于边坡滑移方向的截面为监测断面，各个监测断面上，在每个边坡平台对应的位置设置至少一条垂直测线；

步骤B、分别在各个监测断面对应的垂直测线上间隔安装多个测斜仪，并记录测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，其中k_(0，j)表示初始时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值；

步骤C、根据测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，获得各个垂直测线初始时刻的曲线形态：

将初始时刻同一垂直测线上测斜仪测得的斜率值和安装高度数据通过Matlab进行插值运算，并拟合出对应垂直测线的位移曲线D(0，h)，以表示垂直测线的初始时刻的曲线形态；

步骤D、边坡滑移稳定性分析及安全阈值预警：

(D1)对于初期开采阶段：由于开采初期，爆破比较频繁，边坡滑移受到爆破的影响比较严重，该阶段的具体分析过程入下：

(D11)根据爆破前后各个时刻测斜仪测得的数据k_(i，j)及测斜仪安装高度h，k_(i，j)表示第i个时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值，采用步骤C的方法，获得垂直测线在爆破前后各个时刻的位移曲线D(i，h)；

(D12)根据爆破后时刻i边坡位移曲线D(i，h)与爆破前i-1时刻位移值D(i-1，h)之差确定在某次爆破后位移增长曲线ΔD(i，h)，即滑移值；

(D13)根据获得的该边坡滑移值ΔD(i，h)与该次爆破震动的耦合设定安全阈值，当某次爆破后边坡的爆破位移增长率超过该安全阈值便做出安全性警告；

(D2)对于后期边坡自身发展状态阶段：边坡后期稳定发展阶段主要受到边坡自重、风、雨水等自然因素的影响，是一个缓慢的过程，该阶段通过位移长期发展变化率η_i进行稳定性判定与预警：

采用与步骤D11和步骤D12同样的手段，获得第i时刻的边坡滑移值ΔD(i，h)和i-1时刻的边坡滑移值ΔD(i-1，h)，则：

其中，H为所测垂直测线的深度，当该位移长期发展变化率η_i值为正值时，表明该处边坡滑移处于加速变形阶段；反之，则处于稳定变形阶段。

进一步的，所述步骤A中，在边坡发生明显断层或滑移的地方设置一监测断面，并根据矿山边坡坡度和破碎程度在其他位置以30m-60m间隔布置其余的监测断面，以更好地反应矿山边坡随时间或由爆破引起的滑移发展情况，是边坡发生滑移的代表性部位，易于对最不利的部位做出及时监测。

进一步的，所述步骤装B中，所述测斜仪沿所述垂直测线垂直布置，在选定的垂直测线处钻孔并放入套筒导管，将测斜仪竖直沿套筒导管放入，每条垂直测线上安装3-5个测斜仪。

进一步的，所述步骤C中，获得垂直测线的初始形态的具体过程如下：

(C1)根据埋设仪器时，测斜仪初始时刻所读取的数据k_(0，j)与测斜仪高度h，导入Matlab中通过Newton插值计算出垂直测线的斜率曲线D’_h(0，h)，将待求的n次插值多项式D’_h(0，h)改为具有承袭性的形式，然后利用插值条件(每个点的深度和测斜仪测到的数据)确定D’_h(0，h)的待定系数，进而求出其斜率曲线，通过Newton插值，在原有计算的基础上利用之前计算的数据进行进一步计算，提高分析计算效率；

(C2)基于获得的斜率曲线D’_h(0，h)，通过积分命令获得垂直测线的位移曲线D(0，h)；对于其他时刻垂直测线的形态可采用同样的方式，比如i时刻垂直测线的位移曲线表示为D(i，h)，这里针对的是一条垂直测线来说，其他位置的垂直测线是同样的方法，通过plot(h,D)命令将垂直测线的曲线绘制出来并可读取其中任一点的坐标，该坐标即为垂直测线的实际位移坐标；

进一步的，所述步骤D13中，安全阈值的确定方法为：

(D131)根据爆破所使用的炸药当量换算爆破所产生的能量，并通过影响系数Th进行修正，每次爆破对边坡滑移的影响系数为：Th＝f(S_i，E_i)，其中，S_i为i时刻爆破点距当前垂直测线测点的距离；E_i为i时刻爆破具有的能量，爆破位移增长率∈_i＝ΔD(i，h)/Th；

(D132)将前n-1次监测位移增长率(∈₁，∈₂，∈₃，......∈_n-1)作为总体，并设该总体服从正太分布，即∈_i～N(μ，σ²)，则可得到前n-1次的增长率平均值μ与方差σ²；

(D133)将∈i进行标准化换算得到统计量F，根据自由度、置信系数调用t分布区间表，若统计量F小于置信系数为α下的t检验值，则判断边坡处于稳定状态；若统计量F大于置信系数为α下的t检验值，则判断由此次爆破所产生的边坡滑移量异常，需进行详细考察。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明所述的方法结合测斜仪套筒的变形机理对测斜仪所测数据进行Newton插值、数值积分、函数拟合等分析处理，通过将间断的斜率值进行插值得到斜率函数，再将插值得到的斜率函数积分得到位移函数，实现更加精准的监测，且符合边坡滑移形式，可将位移函数进行拟合处理到测线上每一个点的精确坐标，能良好反应出测斜仪套筒的变形曲线并计算出变形值，得到可用于实时监控矿山边坡滑动状态与确定安全阈值的评价参数；

另外，对边坡开采初期爆破阶段和后期稳定发展阶段分别采用不同的滑移稳定性分析方法及标准，将矿山边坡的滑移与爆破响应进行耦合，以爆破位移增长率∈_i、滑动发展变化率为η_i为参数确定位移阈值并判断矿山边坡稳定性状态，以及时做出预警，为边坡滑移稳定性监控提供有效科学依据，具有较高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例矿山边坡滑移稳定性监测预警方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所述矿山边坡的监测断面及测线的位置示意图；

图3为本发明实施例所述垂直测线布置俯视示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明所涉及的重点在于对矿山边坡滑移稳定性监测预警方法的改进，对其中的监测设备，在满足设备运行可靠性的情况下，本领域技术人员应知其具体的安装方法和使用方法，比如，为实现边坡的监测分析与预警，一些必要的监测预警系统模块需要安装与设计，如：所述监测预警系统可包括供电单元、采集单元、报警单元、控制单元等，供电单元可采用太阳能电池板、蓄电池等为各单元进行供电，所述采集单元包括一些必要的电缆线路布设、自动采集箱和数据处理器，所述控制单元包括无线传输模块、GPS接收机处理器和PC机等，通过若干分支线电缆采集数据测斜仪等监测设备的数据后由总线缆汇总，传输至自动采集箱，然后由无线传输模块通过GPRS传输至网络，通过PC机采集数据进行分析，实现实时监测与预警，本申请中仅对矿山边坡滑移监测设备的具体设置位置进行限定，本申请中对其做的其他简要说明，本领域技术人员根据相关技术容易获知。

实施例、一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、选择垂直于边坡滑移方向的截面为监测断面，各个监测断面上，在每个边坡平台(在边坡坡面上沿纵向、有一定宽度的平台)对应的位置设置至少一条垂直测线，监测断面1及垂直测线2位置的示意图如图2所示；

步骤S2、分别在各个监测断面对应的垂直测线上间隔安装多个测斜仪，并记录测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，其中k_(0，j)表示初始时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值；

步骤S3、根据测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，获得各个垂直测线初始时刻的曲线形态：

将初始时刻同一垂直测线上测斜仪测得的斜率值和安装高度数据通过Matlab进行插值运算，并拟合出对应垂直测线的位移曲线D(0，h)，以表示垂直测线的初始时刻的曲线形态；由于在往下打套筒导管的时候，会发生倾斜或弯曲现象，所以垂直测线的初始形态并不是完全垂直的，所以通过测斜仪的数据将垂直测线的初始状态表现出来，通过判断分析后期垂直测线曲线形态的变化，就可以知道每个点在对应时间节点内产生的位移大小，进而为边坡滑移稳定性分析提供安全界定依据；

步骤S4、边坡滑移稳定性分析及安全阈值预警：

(S41)对于初期开采阶段：由于开采初期，爆破比较频繁，边坡滑移受到爆破的影响比较严重，该过程的具体分析过程如下：

(S411)根据爆破前后各个时刻测斜仪测得的数据k_(i，j)及测斜仪安装高度h，k_(i，j)表示第i个时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值，采用步骤C的方法，获得垂直测线在爆破前后各个时刻的位移曲线D(i，h)；

(S412)根据爆破后时刻i边坡位移曲线D(i，h)与爆破前i-1时刻位移值D(i-1，h)之差确定在某次爆破后位移增长曲线ΔD(i，h)，即滑移值；

(S413)根据获得的该边坡滑移值ΔD(i，h)与该次爆破震动的能量耦合设定安全阈值，当某次爆破后边坡滑移值超过该安全阈值便做出安全性警告；

(S42)对于后期边坡自身发展状态阶段：边坡后期稳定发展阶段主要受到边坡自重、风化、雨水等自然因素的影响，是一个缓慢的过程；通过位移长期发展变化率η_i进行稳定性判定与预警：

采用与步骤S411和步骤S422同样的手段，获得第i时刻的边坡滑移值ΔD(i，h)和i-1时刻的边坡滑移值ΔD(i-1，h)，则：

其中，H为所测垂直测线的深度，当该位移长期发展变化率η_i值为正值时，表明该处边坡滑移处于加速变形阶段；反之，则处于稳定变形阶段。

对于步骤S413中，在矿山边坡开采初期阶段，安全阈值确定的方式如下：

(1)根据爆破所使用的炸药当量换算爆破所产生的能量，并通过影响系数Th进行修正，每次爆破对边坡滑移的影响系数为：Th＝f(S_i，E_i)，其中，S_i为i时刻爆破点距当前垂直测线测点的距离；E_i为i时刻爆破具有的能量，爆破位移增长率∈_i＝ΔD(i，h)/Th；

(2)将前n-1次监测位移增长率(∈₁，∈₂，∈₃，......∈_n-1)作为总体，并设该总体服从正太分布，即∈_i～N(μ，σ²)，则可得到前n-1次的增长率平均值μ与方差σ²；

(3)将∈_i进行标准化换算得到统计量F，根据自由度、置信系数调用t分布区间表，若统计量F小于置信系数为α下的t检验值，则判断边坡处于稳定状态；若统计量F大于置信系数为α下的t检验值，则判断由此次爆破所产生的边坡滑移量异常，需进行详细考察。

下面以某露天矿山边坡为例进行详细说明，如图3所示，该露天矿山边坡的地质情况调查详尽，具备此发明应用条件，具体的：

第一步：边坡监测断面、垂直测线的布置：

监测断面垂直于边坡滑移方向的截面，在边坡剖面设置一处监测断面，该监测断面设置在边坡地质条件较差、边坡形式与受力比较复杂、可能发生代表性边坡滑移破坏的关键部位，可通过肉眼直接观察，其余监测断面根据矿山边坡坡度、破碎程度等取30m-60m的间隔布置。且在各监测断面上，每个边坡平台(1768平台、1780平台、1792平台、1816平台和1826平台等)应设有至少一条垂直测线(如1768平台上设置有1-A—1-E5条垂直测线)。

上述监测断面的位置选择与测线的布置，能够更好地反应矿山边坡随时间或由爆破引起的滑移发展情况，是边坡发生滑移的代表性部位，易于对最不利的部位做出及时监测。

第二步：监测设备的安装与布置：

监测设备包括测斜仪，测斜仪应沿所述垂直测线垂直布置，根据所处边坡平台高度每条测线内应设有3-5个测斜仪，在选定测线处钻孔并放入套筒，将测斜仪竖直顺套筒放下，测斜仪间垂直间距为4m，最上侧测斜仪距边坡平台表面3.2m。

第三步：根据测值计算位移曲线D(i，h)；

矿山边坡在爆破作用和长期发展作用下，边坡稳定性状况将随着边坡的滑移变化而产生变化。根据检测时长、爆破作用对边坡进行周期性检测，记录各个检测期内测斜仪所测数据k_(i，j)并通过Newton插值函数计算出测线斜率函数D’_h(i，h)。

对于初始0时刻，将同一垂直测线上测斜仪测得的斜率值和安装高度数据通过Matlab进行插值运算，并拟合出对应垂直测线的位移曲线D(0，h)，以表示垂直测线的初始时刻的曲线形态，对于监测过程中的其他时刻，采用同样的方式，进而根据测线的曲线形态变化得知其具体的滑移变化情况。比如i时刻垂直测线的位移曲线表示为D(i，h)，这里针对的是一条垂直测线来说，其他位置的垂直测线是同样的方法，通过plot(h,D)命令将垂直测线的曲线绘制出来并可读取其中任一点的坐标，该坐标即为垂直测线的实际位移坐标，斜仪初始时刻所读取的数据k_(0，j)与测斜仪高度h，导入Matlab中通过Newton插值计算出垂直测线的斜率曲线D’h(0，h)，将待求的n次插值多项式D’_h(0，h)改为具有承袭性的形式，然后利用插值条件(每个点的深度和测斜仪测到的数据)确定D’_h(0，h)的待定系数，进而求出其斜率曲线，通过Newton插值，在原有计算的基础上利用之前计算的数据进行进一步计算，提高分析计算效率。

测斜仪所记录某一段时间的数据于表1，需要说明的是，本实施例中字母i表示所取的数据时刻，用以区分第几组数据，矿山边坡开采初期在选取数据的时候，是每次爆破后对最新数据进行一次分析；后期边坡稳定发展阶段不爆破了，大约1星期更新一次数据。

表1 图3中3C测线的监测数据

将表1数据输入Newton插值程序中计算出测线斜率函数D’_h(i，h)，表2为各组监测数据插值函数。

表2 针对表1中各组监测数据的插值函数

将表2斜率函数进行数值积分计算出边坡位移函数D(i，h)。

表3 为各组监测数据位移函数。

第四步：根据位移曲线，确定第i个时间段内边坡总位移量ΔD(i，h)。

(1)对于边坡初始开采阶段：根据第三步中所述方法计算出其余函数的各点坐标，并通过坐标点对应函数值之差计算出改点的位移值大小，ΔD(i，h)＝D(i+1，h)-D(i，h)，根据爆破所产生的能量和爆破点距离边坡所在位置确定每次爆破对边坡滑移的影响系数Th；

Th＝f(S_i，E_i)

其中：S_i——i时刻爆破点距该测点的距离

E_i——i时刻爆破具有的能量

由此确定爆破位移增长率∈_i，∈_i＝ΔD(i，h)/Th，比如，将监测点前6次监测的爆破位移增长率(∈₁，∈₂……∈₆)作为一个总体，假设该总体服从正太分布，即∈_i～N(μ，σ²),∈₇作为样本容量为1的总体。

根据公式计算出(∈₁，∈₂……∈₆)的样本均值μ和方差σ²。

将∈₇带入下式得到统计量

查t分布表，得到自由度n＝6时置信系数为0.05下的t检验值为1.94318，η＜1.94318，判断∈₇正常，表明边坡在该阶段处于稳定状态。

(2)对于边坡开采后期稳定发展阶段，边坡长期滑移值的监控通过边坡滑移发展长期变化率ηi进行判断，其值为：

当该滑动变化率值为正值0.0001638，说明该处边坡在该时段内滑移速度缓慢增长，边坡滑动仍处于发展阶段。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A、选择垂直于边坡滑移方向的截面为监测断面，各个监测断面上，在每个边坡平台对应的位置设置至少一条垂直测线；

步骤B、分别在各个监测断面对应的垂直测线上间隔安装多个测斜仪，并记录测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，其中k_(0，j)表示初始时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值；

步骤C、根据测斜仪初始时刻测得的数据k_(0，j)与测斜仪安装高度h，获得各个垂直测线初始时刻的曲线形态：

将初始时刻同一垂直测线上测斜仪测得的斜率值和安装高度数据通过Matlab进行插值运算，并拟合出对应垂直测线的位移曲线D(0，h)，以表示垂直测线的初始时刻的曲线形态；步骤D、边坡滑移稳定性分析及安全阈值预警：

(D1)由于开采初期，爆破比较频繁，边坡滑移受到爆破的影响比较严重，对于初期开采阶段分析过程如下：

(D11)根据爆破前后各个时刻测斜仪测得的数据k_(i，j)及测斜仪安装高度h，k_(i，j)表示第i个时刻第j个测斜仪检测的当前安装位置的斜率值，采用步骤C的方法，获得垂直测线在爆破前后各个时刻的位移曲线D(i，h)；

(D12)根据爆破后时刻i边坡位移曲线D(i，h)与爆破前i-1时刻位移值D(i-1，h)之差确定在某次爆破后位移增长曲线ΔD(i，h)，即滑移值；

(D13)根据获得的该边坡滑移值ΔD(i，h)与该次爆破震动的耦合设定安全阈值，当某次爆破后边坡的爆破位移增长率超过该安全阈值便做出安全性警告；

(D2)对于后期边坡自身发展状态阶段，通过位移长期发展变化率η_i进行稳定性判定与预警：

采用与步骤D11和步骤D12同样的手段，获得第i时刻的边坡滑移值ΔD(i，h)和i-1时刻的边坡滑移值ΔD(i-1，h)，则：

其中，H为所测垂直测线的深度，当该位移长期发展变化率η_i值为正值时，表明该处边坡滑移处于加速变形阶段；反之，则处于稳定变形阶段。

2.根据权利要求1所述的矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，其特征在于：所述步骤A中，在边坡发生明显断层或滑移的地方设置一监测断面，并根据矿山边坡坡度和破碎程度在其他位置以30m-60m间隔布置其余的监测断面。

3.根据权利要求1所述的矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，其特征在于：所述步骤装B中，所述测斜仪沿所述垂直测线垂直布置，每条垂直测线上安装3-5个测斜仪。

4.根据权利要求1所述的矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，其特征在于：所述步骤C中，获得垂直测线的初始形态的具体过程如下：

(C1)根据埋设仪器时，测斜仪初始时刻所读取的数据k_(0，j)与测斜仪高度h，导入Matlab中通过Newton插值计算出垂直测线的斜率曲线D’_h(0，h)；

(C2)基于获得的斜率曲线D’_h(0，h)，通过积分命令获得垂直测线的位移曲线D(0，h)。

5.根据权利要求1所述的矿山边坡滑移稳定性监测预警方法，其特征在于：所述步骤D13中，安全阈值的确定方法为：

(D131)根据爆破所使用的炸药当量换算爆破所产生的能量，并通过影响系数Th进行修正，每次爆破对边坡滑移的影响系数为：Th＝f(S_i，E_i)，其中，S_i为i时刻爆破点距当前垂直测线测点的距离；E_i为i时刻爆破具有的能量，爆破位移增长率∈_i＝ΔD(i，h)/Th；

(D132)将前n-1次监测位移增长率(∈₁，∈₂，∈₃，……∈_n-1)作为总体，并设该总体服从正太分布，即∈_i～N(μ，σ²)，则可得到前n-1次的增长率平均值μ与方差σ²；

(D133)将∈_i进行标准化换算得到统计量F，根据自由度、置信系数调用t分布区间表，若统计量F小于置信系数为α下的t检验值，则判断边坡处于稳定状态；若统计量F大于置信系数为α下的t检验值，则判断由此次爆破所产生的边坡滑移量异常。