一种矿山现场边坡远程在线实时监测预警系统

技术领域

本发明属于矿山边坡在线监测预警技术领域，涉及到一种矿山现场边坡远程在线实时监测预警系统。

背景技术

阶梯式边坡是矿山中常见的一种边坡形式，通过合理的设计和支护措施，能够提高边坡的稳定性，确保矿山的安全生产。在矿场现场中，为了方便进行采矿作业和提高采矿效率，通常会在边坡上开挖一系列的平台或台阶，形成阶梯式边坡，这些阶梯能够提供足够的工作面积，使得采矿设备和工作人员能够安全、高效地进行开采作业。

边坡灾害具有突发性、破坏性强的特点，一旦发生往往会造成严重的人员伤亡和财产损失，故而需要通过建立边坡预警机制来提前获知边坡的潜在危险，从而加强监测、预警和管理工作，有效降低灾害发生的概率和影响。

为了及时发现矿山边坡的塌陷迹象，常常会在阶梯式边坡上设置监测仪器，对边坡的偏差参数进行实时监测，通过监测数据的分析，可以及时采取相应的措施，保证边坡的安全稳定。一方面，目前现有的边坡预警机制往往是综合考虑整个坡体的稳定性，没有对不同部位的稳定性进行具体分析，因此，无法提供边坡各个阶梯区域的稳定性指标，进而无法指导针对性的加固设计和监测方案的制定。

另一方面，现有的边坡预警机制是利用固定土壤特性对边坡的土质热胀冷缩系数进行静态分析，未结合各阶梯区域的坡体实时变化温度进行热胀冷缩系数的动态监测。由于边坡不同区域的温度变化可能存在较大的差异，这将导致无法准确评估边坡不同部位的稳定性差异，使得稳定性检测结果存在较大的盲区。

发明内容

鉴于此，为解决上述背景技术中所提出的问题，现提出一种矿山现场边坡远程在线实时监测预警系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：本发明提供一种矿山现场边坡远程在线实时监测预警系统，本系统包括：阶梯区域划分模块，用于对目标矿山的边坡现场进行阶梯区域划分，获取各阶梯区域边界位置。

阶梯区域解析模块，用于获取目标矿山的边坡基底位置和山体顶端位置，分析各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子。

边坡震荡评估模块，用于对各阶梯区域内的石块脱落量和裂纹变化规律进行实时监测，据此分析各阶梯的边坡震荡风险系数。

坡体温度监测模块，用于实时监测目标矿山边坡的内部温度，获取指定相邻时间点内的坡体形态变化程度系数。

阶梯风险评估模块，用于对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行评估，进而对存在风险的阶梯位置进行预警。

边坡风险预警分析模块，用于对目标矿山边坡现场的综合风险系数进行解析，进而判断目标矿山边坡现场是否存在山体塌陷风险。

信息记录端，用于存储目标矿山的边坡土质性质和边坡结构，存储各土质类型对应的边坡膨胀变形系数，存储各温度变化值对应的坡体形态变化程度系数。

示例性地，所述目标矿山的边坡土质性质包括土质密度、土质类型。

边坡结构包括山体刚度、约束因子。

示例性地，所述分析各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子步骤为：将各阶梯区域的基底位置与山体顶端位置进行对比，得到各阶梯区域基底位置对应承重高度，记为各阶梯区域承重高度H

通过遥感技术构建山体形状模型，获取各阶梯区域的山体重量，结合各阶梯区域高度，计算各阶梯区域对应的山体自身重力，记为G

计算各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子

示例性地，所述石块脱落量包括石块脱落数量和石块脱落体积量。

所述裂纹变化规律包括在指定相邻时间点内裂纹扩张方向和裂纹扩大幅度。

示例性地，所述各阶梯内的石块脱落量获取方式为：采用激光雷达设备实时扫描目标矿山边坡表面，获取目标矿山边坡表面各石块位置对应的三维点云数据，以阶梯分界线为划分线对各阶梯区域内的三维点云数据进行聚类统计，得到各阶梯区域内的三维点聚类数量和各三维点聚类位置。

获取各阶梯区域在指定相邻时间点的起始时间点和结束时间点对应三维点聚类数量，对比作差得到各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落数量。

将三维点云数据进行三角化处理，生成三角面片网络，从而构建出石块的几何表面模型，据此分析得到各三维点聚类对应的石块体积，汇总得到各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落体积量。

示例性地，所述裂纹变化规律的分析方式为：对目标矿山的边坡现场进行图像采集，获取初始裂纹位置，以各初始裂纹位置为各监测点的位置，进而对目标矿山边坡上的各监测点对应裂纹宽度和裂纹长度进行实时测量，并记录各监测点对应裂纹长度的始端位置和末端位置。

对各监测点位置进行编号设置，比对指定相邻时间点的各监测点位置，若出现新监测点，则将新监测点编号添加至已设置编号中。

根据指定相邻时间点的各监测点对应裂纹长度的始端位置和末端位置，得到各监测点对应裂纹的初始延伸方向和演变延伸方向，对比得到各监测点对应裂纹在指定相邻时间点内的扩张方向范围。

获取各监测点在指定相邻时间点内的裂纹扩增宽度和裂纹扩增长度，对各阶梯区域内的各监测点进行统计，得到各阶梯区域内各监测点对应裂纹在指定相邻时间点内的裂纹扩增宽度和裂纹扩增长度，分别记为dx

示例性地，所述分析各阶梯的边坡震荡风险系数相应内容包括：获取目标矿山边坡现场的主要应力方向，将其与各监测点对应裂纹的扩张方向范围进行对比，由

基于各监测点位置对各监测点进行汇总，得到各阶梯区域内各监测点对应裂纹的扩张方向影响因子σ

结合各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落数量W

其中，

示例性地，所述指定相邻时间点内的坡体形态变化程度系数相应获取步骤为：在各阶梯区域设定位置安装温湿度检测装置，实时监测目标矿山边坡现场的各阶梯区域内部温度，并实时监测目标矿山边坡现场的各阶梯区域对应坡体含水量。

获取目标矿山边坡现场的土质类型，得到该土质类型对应的边坡膨胀变形系数，记为δ，计算目标矿山边坡现场在指定相邻时间点的土质热胀冷缩系数α

获取各阶梯区域在指定相邻时间点内的温度变化值ΔT

示例性地，所述对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行评估的方法为：获取各阶梯区域在指定相邻时间点对应起始时间点的内部温度和结束时间点的内部温度，分别记为t1

当ΔT

当ΔT

以指定相邻时间点的各阶梯区域的边坡稳定性指数计算方式，对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行实时监测，当某阶梯区域的边坡稳定性指数在某相邻时间点内的分析结果小于阶梯区域的边坡稳定性指数对应设定阈值时，则表示该阶梯区域为存在风险的阶梯位置。

示例性地，所述对目标矿山边坡现场的综合风险系数进行解析的步骤包括：将各阶梯区域的边坡稳定性指数代入公式

相较于现有技术，本发明的有益效果如下：(1)本发明采用了一种层级稳定性分析方法，将边坡划分为若干层次进行评估，这样可以更加详细地了解边坡各个阶梯区域的稳定性情况，从而提高评估的准确性。同时，对各阶梯区域的风险位置进行判断，能够帮助工程师或决策者更好地认识到边坡的薄弱环节，以便采取相应的措施来减少灾害风险。

(2)本发明在边坡各阶梯区域布设温度传感器，实时监测边坡不同部位的温度变化，对边坡的坡体形态变化程度系数进行动态分析。温度变化可以影响岩土体的热胀冷缩行为，进而影响边坡的稳定性，通过考虑温度对边坡的影响，可以为稳定性评估提供更全面的信息，帮助更准确地判断边坡的稳定情况。

(3)本发明基于各阶梯区域承重高度所对应的山体自身重力，对边坡的各个阶梯区域进行高度风险评估，同时基于边坡裂纹扩张规律对不同阶梯之间的坡体应力承重关系进行分析。边坡中的各个阶梯区域之间存在着相互作用和力的传递关系，较高的阶梯会承受来自上方阶梯或整体山体的重力，而较低的阶梯则会受到上方阶梯的支撑。因此，准确了解和考虑坡体承重关系，可以更全面地评估边坡的稳定性，提高评估结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明系统模块连接示意图。

图2为本发明阶梯式矿山边坡现场场景展示图。

图3为本发明目标矿山主要应力方向情况示意图。

附图标记：(1)为垂直应力方向，(2)为水平应力方向，(3)为剪切应力方向，(4)为裂纹扩张方向范围。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种矿山现场边坡远程在线实时监测预警系统，该系统包括：阶梯区域划分模块、阶梯区域解析模块、边坡震荡评估模块、坡体温度监测模块、阶梯风险评估模块、边坡风险预警分析模块、信息记录端。所述阶梯区域划分模块与阶梯区域解析模块连接，阶梯区域解析模块分别与边坡震荡评估模块、坡体温度监测模块连接，阶梯风险评估模块分别与坡体温度监测模块、边坡震荡评估模块、边坡风险预警分析模块连接，信息记录端分别与阶梯区域解析模块、坡体温度监测模块、阶梯风险评估模块连接。

请参阅图2所示，所述阶梯区域划分模块用于对目标矿山的边坡现场进行阶梯区域划分，获取各阶梯区域边界位置。

所述阶梯区域解析模块用于获取目标矿山的边坡基底位置和山体顶端位置，分析各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子。

具体的，所述阶梯区域是从边坡基底位置至山体顶端位置的分布方向进行递增编号。所述阶梯区域边界位置为阶梯区域对应基底水平面位置。

本发明采用了一种层级稳定性分析方法，将边坡划分为若干层次进行评估，这样可以更加详细地了解边坡各个阶梯区域的稳定性情况，从而提高评估的准确性。同时，对各阶梯区域的风险位置进行判断，能够帮助工程师或决策者更好地认识到边坡的薄弱环节，以便采取相应的措施来减少灾害风险。

本发明具体实施例中，所述目标矿山的边坡土质性质包括土质密度、土质类型。

边坡结构包括山体刚度、约束因子。

本发明具体实施例中，所述分析各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子步骤为：将各阶梯区域的基底位置与山体顶端位置进行对比，得到各阶梯区域基底位置对应承重高度，记为各阶梯区域承重高度H

通过遥感技术构建山体形状模型，获取各阶梯区域的山体重量，结合各阶梯区域高度，计算各阶梯区域对应的山体自身重力，记为G

计算各阶梯区域高度对应的边坡风险影响因子

特别说明的，所述计算各阶梯区域对应的山体自身重力相应步骤为：从山体形状模型中提取各阶梯区域边界位置对应水平面的面积，根据形状体积计算公式得到各阶梯区域对应山体体积V

进一步，采用物理学中的重力公式G

上述所述形状体积计算公式由山体近似形状确定，示例性的，山体近似形状对应底面形状包括矩形、梯形、三角形等。

对于矩形阶梯区域：矩形的体积计算公式为V＝底面积*承重高度。

对于梯形阶梯区域：梯形的体积计算公式为

对于三角形阶梯区域：三角形的体积计算公式为

所述边坡震荡评估模块用于对各阶梯区域内的石块脱落量和裂纹变化规律进行实时监测，据此分析各阶梯的边坡震荡风险系数。

本发明具体实施例中，所述石块脱落量包括石块脱落数量和石块脱落体积量。

所述裂纹变化规律包括在指定相邻时间点内裂纹扩张方向和裂纹扩大幅度。

所述指定相邻时间点表示设定时间间隔的起始时间点和结束时间点。

本发明具体实施例中，所述各阶梯内的石块脱落量获取方式为：采用激光雷达设备实时扫描目标矿山边坡表面，获取目标矿山边坡表面各石块位置对应的三维点云数据，以阶梯分界线为划分线对各阶梯区域内的三维点云数据进行聚类统计，得到各阶梯区域内的三维点聚类数量和各三维点聚类位置。

补充说明的，所述激光雷达设备的安装位置为能够扫描到目标矿山边坡表面的适宜位置，具体由人工测试得到。

获取各阶梯区域在指定相邻时间点的起始时间点和结束时间点对应三维点聚类数量，对比作差得到各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落数量。

将三维点云数据进行三角化处理，生成三角面片网络，从而构建出石块的几何表面模型，据此分析得到各三维点聚类对应的石块体积，汇总得到各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落体积量。

上述所述三维点聚类是由多个三维点云数据组成的簇，具体指代一个石块上的多个三维点。

本发明具体实施例中，所述裂纹变化规律的分析方式为：对目标矿山的边坡现场进行图像采集，通过图像识别技术获取初始裂纹位置，以各初始裂纹位置为各监测点的位置，进而对目标矿山边坡上的各监测点对应裂纹宽度和裂纹长度进行实时测量，并记录各监测点对应裂纹长度的始端位置和末端位置。

对各监测点位置进行编号设置，比对指定相邻时间点的各监测点位置，若出现新监测点，则将新监测点编号添加至已设置编号中，即新监测点编号为已设置编号中最后一个编号对应的下一编号。

根据指定相邻时间点的各监测点对应裂纹长度的始端位置和末端位置，得到各监测点对应裂纹的初始延伸方向和演变延伸方向，对比得到各监测点对应裂纹在指定相邻时间点内的扩张方向范围。

获取各监测点在指定相邻时间点内的裂纹扩增宽度和裂纹扩增长度，对各阶梯区域内的各监测点进行统计，得到各阶梯区域内各监测点对应裂纹在指定相邻时间点内的裂纹扩增宽度和裂纹扩增长度，分别记为dx

本发明具体实施例中，所述分析各阶梯的边坡震荡风险系数相应内容包括：获取目标矿山边坡现场的主要应力方向，将其与各监测点对应裂纹的扩张方向范围进行对比，由

解释说明的，处于p1情况时，裂纹的扩张方向与主要应力方向具有明显的相关性，这种关系较强，表明裂纹的扩张对边坡的稳定性影响较大。

处于p2情况时，裂纹的扩张方向与主要应力方向之间没有明显的相关性，这种关系较弱，表明裂纹的扩张可能受到其他因素或非均质性的影响，并不直接导致边坡的不稳定。

处于p3情况时，裂纹的扩张方向与主要应力方向正交，两者呈现出相互作用的状态，这种关系处于中等强度，表明裂纹的扩张可能对边坡的稳定性产生一定的影响，尤其当裂纹扩张到边坡关键部位或与其他已知破坏体存在关联时，可能引发边坡的局部失稳。

需要说明的，所述获取目标矿山边坡现场的主要应力方向对应方法为：利用数值模拟方法建立目标矿山边坡的地质模型，基于目标矿山边坡的岩石物理力学性质、应力状态等因素，进行目标矿山边坡应力场的模拟计算，从模拟结果中得到目标矿山边坡的主要应力方向。

请参阅图3所示，所述目标矿山边坡现场的主要应力方向具体包括：S1、垂直应力方向：垂直于地表的方向，即竖直向下的重力作用。S2、水平应力方向：与地面平行的力，主要包括水平方向的地应力、工程活动引起的应力以及岩体内部的构造应力。S3、剪切应力方向：指垂直于边坡平面的力，主要由周围地层或构造的相互作用引起，如断裂、节理、隐伏滑移面等。

所述裂纹扩张方向范围是在以边坡平面为坐标系的平面内，将边坡平面近似看作是垂直于地表的平面。

基于各监测点位置对各监测点进行汇总，得到各阶梯区域内各监测点对应裂纹的扩张方向影响因子σ

结合各阶梯区域在指定相邻时间点内的石块脱落数量W

其中，

本发明基于各阶梯区域承重高度所对应的山体自身重力，对边坡的各个阶梯区域进行高度风险评估，同时基于边坡裂纹扩张规律对不同阶梯之间的坡体应力承重关系进行分析。边坡中的各个阶梯区域之间存在着相互作用和力的传递关系，较高的阶梯会承受来自上方阶梯或整体山体的重力，而较低的阶梯则会受到上方阶梯的支撑。因此，准确了解和考虑坡体承重关系，可以更全面地评估边坡的稳定性，提高评估结果的准确性。

所述坡体温度监测模块用于实时监测目标矿山边坡的内部温度，获取指定相邻时间点内的坡体形态变化程度系数。

本发明具体实施例中，所述指定相邻时间点内的坡体形态变化程度系数相应获取步骤为：在各阶梯区域设定位置安装温湿度检测装置，实时监测目标矿山边坡现场的各阶梯区域内部温度，并实时监测目标矿山边坡现场的各阶梯区域对应坡体含水量。

获取目标矿山边坡现场的土质类型，得到该土质类型对应的边坡膨胀变形系数，记为δ，计算目标矿山边坡现场在指定相邻时间点的土质热胀冷缩系数α

需要说明的，所述坡体热胀冷缩系数是指坡体在温度变化下产生的热胀冷缩变形的比例关系。具体的，不同类型的土质具有不同的热膨胀性能，例如粘性土质在受热时会发生较大的膨胀变形，而砂土则相对较小。此外，土壤中的含水量也会对热胀冷缩系数产生影响，因为水的热膨胀系数较大，故而坡体含水量越高时，坡体的热胀冷缩系数也会相应增大。其次，如果边坡结构刚度较大、约束程度较高，能有效地限制坡体的自由膨胀和收缩，从而降低了热胀冷缩系数。

获取各阶梯区域在指定相邻时间点内的温度变化值ΔT

所述阶梯风险评估模块用于对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行评估，进而对存在风险的阶梯位置进行预警。

本发明具体实施例中，所述对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行评估的方法为：获取各阶梯区域在指定相邻时间点对应起始时间点的内部温度和结束时间点的内部温度，分别记为t1

当ΔT

当ΔT

以指定相邻时间点的各阶梯区域的边坡稳定性指数计算方式，对各阶梯区域的边坡稳定性指数进行实时监测，当某阶梯区域的边坡稳定性指数在某相邻时间点内的分析结果小于阶梯区域的边坡稳定性指数对应设定阈值时，则表示该阶梯区域为存在风险的阶梯位置。

本发明在边坡各阶梯区域布设温度传感器，实时监测边坡不同部位的温度变化，对边坡的坡体形态变化程度系数进行动态分析。温度变化可以影响岩土体的热胀冷缩行为，进而影响边坡的稳定性，通过考虑温度对边坡的影响，可以为稳定性评估提供更全面的信息，帮助更准确地判断边坡的稳定情况。

所述边坡风险预警分析模块用于对目标矿山边坡现场的综合风险系数进行解析，进而判断目标矿山边坡现场是否存在山体塌陷风险。

本发明具体实施例中，所述对目标矿山边坡现场的综合风险系数进行解析的步骤包括：将各阶梯区域的边坡稳定性指数代入公式

补充说明，将目标矿山边坡现场的综合风险系数与预设的综合风险系数阈值进行对比，当目标矿山边坡现场的综合风险系数大于或等于预设的综合风险系数阈值时，则判断目标矿山边坡现场存在山体塌陷风险。

所述信息记录端用于存储目标矿山的边坡土质性质和边坡结构，存储各土质类型对应的边坡膨胀变形系数，存储各温度变化值对应的坡体形态变化程度系数。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本发明所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。