边坡内部位移监测系统.doc

第10期 梁冰 等：边坡内部位移监测系统 1623边坡内部位移监测系统梁冰，杨冬鹏，孙维吉，李义贤，金佳旭（辽宁工程技术大学力学与工程学院阜新123000）摘要：随着我国对煤炭资源大力开采，矿山排土场的排弃量日渐增大，排土场边坡失稳问题频繁发生。实施边坡内部位移监测是保证矿山安全生产及运输的重要手段和措施。目前尚没有广泛应用的长期监测边坡内部岩土体位移的专用仪器。介绍了一种边坡内部位移监测系统，采用电磁信号发射及信号测距的思想进行设计，可以实现对矿山排土场边坡的内部岩土体动态运移情况进行监测。最终实现数字化、自动化、可靠性高，并能实施长期监测，具有预警功能的监测系统。关键词：边坡内部监测；电磁信号；监测系统中图分类号：TH822文献标识码：A国家标准学科分类代码：460.40Slope internal displacement monitoring systemLiang Bing, Yang Dongpeng, Sun Weiji, Li Yixian, Jin Jiaxu(College of Mechanics Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)Abstract：With energetically mining our countrys coal resources, the discharge quantity of mine tailings dump increases greatly and the problem of slope instability has frequently occurred. Slope internal displacement monitoring is an important means to assure mine safe production and coal transportation. At present, there are still no dedicated instruments for monitoring the displacement of slope internal rock and soil mass. A slope internal displacement monitoring system has been introduced in this paper, which adopts electromagnetic signal emission and signal ranging idea in the system design and can realize the monitoring of the dynamic migration of internal rock and soil mass of mine dump slope. Finally, digitization, automation, high reliability and long term monitoring with early warning function can be achieved.Key words：slope internal monitoring; electromagnetic signal; monitoring system第10期 梁冰 等：边坡内部位移监测系统 21731引言一般说来,露天边坡、岩土坝体、山体等边坡发生失稳滑坡时,主要是在其滑坡面上发生,但滑坡面的形成是一个缓慢的过程,首先在内在力等多种因素的作用下,坡体内部孕育一个很小的裂缝,裂缝的形成主要是在裂缝的上下(左右)层岩土体发生错动,随着时间的推移裂缝越来越大,最后偶然一个外界冲量就会使其失稳滑坡,造成严重后果。若可监测失稳、滑坡,进而可以躲避滑坡灾害,是科学工作者一直在关注、思考、研究和亟待解决的重要科学问题1-2。边坡监测手段能有效对边坡稳定性进行评价,但是,寻求一个合理有效的监测方法及监测仪器却成为当今国内外一直探讨研究的问题。目前的监测方法很多,传统的大地测量方法对施测环境要求高、不适应在复杂恶劣的环境下工作，且投入人力多，系统的自动化程度不高；应用卫星定位系统（GPS）测量,价格昂贵，其接收机天线受外界信号影响难以达到要求的精度，不能保证海量数据实时可靠地传输到控制中心。另外,目前的这些监测方法主要还是靠对边坡或坝体的表面设点进行监测。用表面监测数据进行边坡内部土体运移状态的分析,受人为误差、环境误差等因素的制约,实现过程较困难。这些都对边坡内部监测系统提出了较高的要求：1）能够实时测量边坡内部岩土体的运移状态；2）实施长期监测,并具有预警功能；3）具有较高的测量精度；收稿日期：2008-03Received Date：2008-034）数字化、自动化、可靠性高。为此,本套边坡内部位移监测系统在设计和研制过程中,充分考虑上述客观事实和测量要求,在已有的地下打井转头定位仪3-9的基础上,对其信号发射装置进行改装,采用电磁信号发射及信号测距思想来进行设计,实现其无线供电、周期发射信号,并开发出一套自动存储、处理数据,并能模拟边坡内部某点岩土体运移情况的软件系统。最终实现此边坡内部位移监测系统测量精度高、自动化强、节约资源，并具有预警等功能。2系统组成及测量方法2.1主要构成部件设计本边坡内部位移监测装置10-12，由电磁信号发射装置（1）、电磁信号测距装置（2、3）、模拟信号点定位系统（15）3部分组成。由于电磁信号发射器只有在高速旋转的情况下可以发出电磁信号,所以对信号发射装置进行了改进。信号发射装置由高能电池（9）、电机（11）、定时开关（10）和电磁信号发射器（13）组成。通过定时开关将整个电路连通,电机高速旋转时,金属球（6）与无磁套筒（5）接触,信号发射器（13）一极连接无磁套筒,一极连接电源上,而弹簧支座通过电刷使其带电。如图1所示。整个电磁信号发射装置埋藏在边坡岩土体内部。2个电磁信号测距装置分别安装在两临近坡坡脚下固定位置上,与安装有模拟信号点定位系统的计算机（15）连接在一起。并且电磁信号测距装置可随时接收到地下电磁信号发射装置发出电磁信号,并测算出距发射点的磁距及磁距线与水平方向的夹角,同时将磁距及夹角数据传递给计算机。图1信号发射装置结构图Fig.1 Structure graph of signal emission2.2具体实施方法首先在现场边坡的正坡面及侧坡面分别选取2个固定点M1、M2，在此点处安装电磁信号测距装置（2）和（3）,并在两坡面临近处选取基准点,要求M1、M2、M3同一水平线。使得60M1 M3 M290。最后测量M1 M3、M2 M3的长度及M1 M3 M2的角度。当电磁信号发射装置的定时开关（10）达到设定的周期时间t时,自动闭合开关,使得电机带动信号发射器高速运转,激发电磁发射器发射电磁信号。整个发射装置可看成与单位体积的岩土体质量相当,和边坡内部岩土体同步移动。这样以一定周期发射出的电磁信号就会被事先布置好的2个电磁信号测距装置（2、3）所接收,并测算出此两点间的磁矩及两点间连线与水平方向的夹角为Si、ai（接收器2测得）,Ti、bi（接收器3测得）如图2所示。此数据传送到计算机上通过自编模拟信号点定位软件对其发射信号点进行定位和监测。其模拟实现过程：如图3所示,根据现场实际情况在计算机初始设定时输入M1M3、M2M3的长度及M1M3M2的角度,计算机会自动模拟出接收器（2、3）的位置为A1、A2。以A1、A2为圆锥顶点，Si、Ti（i=1，2，3）为母线，ai、bi为母线与水平面夹角，分别画出2个圆锥。取两圆锥底圆O1、圆O2。进行拟和后，最多出现两交点,计算机会按照设定的程序舍掉M3面A1A2O1O2所在区域内的交点,则只出现一个交点Pi，即为模拟的边坡内部信号发射点。首次测量交点为P0,并以P0为球心，以初始参数设定的单位块体长度c和半径长度r生成球体V，球体由定义的单位立方体构成。球面即为报警临近区域。储存数据S0、T0、a0、b0、P0。图2边坡内部位移监测装置直观图Fig.2 Slope internal displacement monitoring device图3模拟定位定位信号原理直观图Fig.3 Simulation location signal principle graph当定时器再次达到周期时间,激励电磁信号发射器发出信号,重复以上的程序得到新的监测点S1、T1、a1、b1、P1。信号发射装置在边坡允许的最大位移长度区域V内部由P0运动到P1，如图4所示，可以看出信号发射器随边坡内部土体运移的空间长度和地理位置。每次计算长度均以P0为基准点,量取第i次测量点Pi到P0点的距离DSi，DSi可按下式计算：当P0Pi r时，报警。图4在V区域内部信号点从P0移动到P1示意图Fig.4 Signal point from P0 to P1 in V area对于此系统合理地布置多个信号发射装置进行监测,可以更加准确地反映出边坡内部各部分的运移情况。要求多个电磁信号发射装置发射信号时间不同,布置位置因现场实际情况而定,接收器可根据发射信号的时间不同,记录并识别每个信号点所在的位置及移动情况。电磁信号接收装置把接收到的记录数据通过数据线传入计算机,记录的测量数据由安装了模拟信号点定位系统的计算机和普通显示器来控制和计算,最终所需的数据计算结果可由打印机直接打印输出。2.3系统软件设计系统软件流程图如图5所示，整个测量与显示过程采用一个大循环,通过它实现对测试数据的统一存储和管理,实现计算机和测量设备间的实时传输和管理,完成边坡内部位移监测系统的自动辨识、智能化计算。图5位移监测软件流程图Fig.5 Flow chart of the displacement monitoring software2.4实验室实验为验证本系统对内部土体运移监测的准确性,进行了实验室实验，实验采用1 m1 m1 m的木箱,并将部分土填至木箱后，把信号发射器放置其中，用特制米尺以木箱底座一点为基点标定其空间坐标，最后用土填满木箱。将信号接收装置放置在合适的位置处并测量出M1M3、M2M3的长度及M1M3M2的角度（参照第2.2节）。并结合现场实际进行初始化参数的设定（如表1所示）。因为实验室实验,所以周期时间设置较短t=3 h。当第1次接收器记录所测得的S0、T0、a0、b0、P0后,在未达到下个周期时间里,用工具将信号发射器上部土体挖出,并通过添、排土的办法,将信号发射器放置一个新的位置,标定其新空间坐标后,用土将木箱填满,待达到周期后自动记录下S1、T1、a1、b1、P1。此时可显示出模拟测量的信号发射器空间位移量。以后实验重复以上过程。而用米尺每次量取的空间坐标值与第1次空间坐标值之差即为测定值。通过任意选取的第3、第6组实验测量数据值的对比分析可看出,模拟测量值与实测信号发射器位移值在总位移上相差不大,能够满足该矿内排土场边坡监测的要求。表1边坡内部位移监测系统实测位移成果表Table 1 The results of displacement obtained from the slope internal displacement monitoring system初始值测定值实测值/mm模拟测量值/mm相对误差(%)安全性t=24 hS0 =16.52 mT0=8.62 mc=2 mma0=33.4b0=40.2r=40 mmS3 =16.96 mT3=9.15 mX3=20Y3=20X3=18 Y3=222.78安全M1M3=12 ma3 =34.5b3 =41.2Z3=24DS3=37Z3=22 DS3=36M2M3=18 mS6 =16.82 mT6=9.11 mX6=30Y6=16X6=28 Y6=184.34报警M1M3M2=80a6 = 35.1b6 =39.8Z6=28DS6=44Z6=32 DS6=46第10期 梁冰 等：边坡内部位移监测系统 21753结论此边坡内部位移监测装置与传统的边坡监测系统相比,具有以下显著优点：1）边坡内部监测。此套装置克服了传统监测方法对边坡表面进行监测的方法,可以很好的反映出边坡内部土体地运移情况；2）误差率小。此套装置采用电磁信号的发射和接收,避免以往测量法人为因素造成的误差；3）自动化程度高。此套装置包含周期信号放射装置、自动信号接收装置、模拟信号点定位系统,计算机直接可对信号发射器进行监测、定位,无需人为过多地操作,测量结果直接由普通显示器显示出来,并且监测数据分析结果可由打印机直接打印输出；4）可扩展能力强。可对系统进行后期开发,可实现三维立体成像等；5）具有预警功能。此系统可以根据现场实际情况设定初始参数定义预警界限,当信号发射装置到达并超过预警界限时进行报警提示。参考文献1 刘修善,侯绪田,涂玉林,等. 电磁随钻测量技术现状及发展趋势J. 石油钻探技术, 2006,34(5):4-9LIU X SH, HOU X T, TU Y L, et al. 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