本發(fā)明涉及礦山工程，具體為一種石灰?guī)r礦山邊坡監(jiān)測預警裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

1、石灰?guī)r礦山邊坡在長期開采過程中，容易受到自然環(huán)境和人為活動的雙重影響，導致邊坡失穩(wěn)風險顯著增加。邊坡失穩(wěn)不僅會對礦山的安全生產(chǎn)帶來嚴重威脅，還可能引發(fā)滑坡、崩塌等重大地質(zhì)災害，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了有效預防和監(jiān)測邊坡的失穩(wěn)風險，許多礦山企業(yè)采用了邊坡監(jiān)測手段，但傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測方法主要依賴于人工巡檢和經(jīng)驗判斷，存在數(shù)據(jù)采集周期長、實時性差、監(jiān)測精度低等問題，難以實現(xiàn)對邊坡變形的動態(tài)監(jiān)測和失穩(wěn)風險的早期預警。因此，亟需一種智能邊坡監(jiān)測預警裝置，以提高礦山的安全管理水平。

2、在邊坡穩(wěn)定性分析中，有限元分析是一種重要的手段，能夠模擬邊坡在不同工況下的應力和變形情況，為邊坡穩(wěn)定性評估提供可靠依據(jù)。然而，有限元分析對模型參數(shù)要求較高，需要詳實的地質(zhì)數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)作為支持，且邊坡的變形過程復雜，需要多階段、多維度的分析來實現(xiàn)精準預測。傳統(tǒng)的有限元分析常常因數(shù)據(jù)不足、分析模型簡化而導致結果不夠精確，無法滿足礦山安全管理的要求。因此，建立一個系統(tǒng)化、綜合化的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時數(shù)據(jù)采集、智能分析和有限元預測，對邊坡穩(wěn)定性進行全方位的動態(tài)監(jiān)控，成為提高礦山安全生產(chǎn)的重要技術手段。

3、同時，現(xiàn)代邊坡監(jiān)測需要多種傳感器的協(xié)同工作，以實現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)采集。例如，gnss接收機能夠?qū)崟r監(jiān)測邊坡的位移情況，傾角傳感器可以監(jiān)測邊坡的傾斜角變化，而裂縫傳感器能夠提供裂縫擴展的動態(tài)信息。這些傳感器的數(shù)據(jù)可以反映邊坡的實時狀態(tài)，配合多因素綜合分析和趨勢預測，能夠識別邊坡的變形特征，提供預警依據(jù)。然而，僅依靠單一傳感器的數(shù)據(jù)往往無法全面反映邊坡的穩(wěn)定性狀況，因此需要一個系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)采集和分析平臺，將多種數(shù)據(jù)集成到一個平臺上，通過綜合分析進行準確的失穩(wěn)預測。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種石灰?guī)r礦山邊坡監(jiān)測預警裝置及系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置存在實時性差、數(shù)據(jù)不全和無法全面評估邊坡穩(wěn)定性的問題。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種石灰?guī)r礦山邊坡監(jiān)測預警裝置，包括：

3、傳輸桿，其作為設備承載主體，用于對設備連接線路內(nèi)置進行防護；

4、gnss機柜，其安裝在傳輸桿左側(cè)，用于進行邊坡數(shù)據(jù)監(jiān)測；

5、計量斗，其安裝在傳輸桿前側(cè)，用于進行降雨量的計量；

6、警示燈，其安裝在gnss機柜頂部，用于根據(jù)計算數(shù)據(jù)亮起對應的預警提示燈；

7、信號接發(fā)器，其安裝在傳輸桿外壁，用于將設備所得信號進行遠距離傳輸；

8、plc模塊，其設置在gnss機柜內(nèi)部，用于對采集的數(shù)據(jù)進行計算整合，判斷滑坡具體預警程度；

9、所述gnss機柜內(nèi)部設置有傾角傳感器，所述傾角傳感器一側(cè)設置有gnss接收機，所述傾角傳感器另一側(cè)設置有裂縫傳感器，所述傾角傳感器頂部設置有電信號傳輸器，所述gnss接收機、傾角傳感器和裂縫傳感器均與電信號傳輸器通過電性連接，所述電信號傳輸器頂部設置有電池模塊，所述電信號傳輸器與電池模塊之間通過電性連接。

10、優(yōu)選的，所述plc模塊頂部設置有預警端口，所述預警端口與警示燈之間通過電性連接。

11、優(yōu)選的，所述計量斗內(nèi)部設置有雨量計。

12、優(yōu)選的，所述傳輸桿底部設置有底座，所述傳輸桿頂部設置有遮雨棚。

13、優(yōu)選的，所述傳輸桿右側(cè)固定有支架，所述支架內(nèi)部安裝有太陽能板。

14、一種石灰?guī)r礦山邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)，包括：

15、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集邊坡的位移、傾角、裂縫擴展和降雨量數(shù)據(jù)；

16、數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至數(shù)據(jù)處理中心；

17、數(shù)據(jù)處理與分析模塊，用于對采集的數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，通過有限元分析軟件計算邊坡的位移場，評估邊坡的穩(wěn)定性；

18、預警輸出模塊，用于在邊坡不穩(wěn)定性超過預設閾值時發(fā)出預警；

19、電源管理模塊，用于為系統(tǒng)提供電源；

20、礦山數(shù)據(jù)采集與分析模塊，用于收集和整合7個具有代表性的礦山的地質(zhì)、工程和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立礦山邊坡數(shù)據(jù)庫。

21、優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理與分析模塊包括：

22、多源數(shù)據(jù)預處理單元，用于對采集的數(shù)據(jù)進行正則化處理，去除噪聲和異常值；

23、多因素綜合分析單元，用于基于位移、傾角、裂縫擴展和降雨量等多因素數(shù)據(jù)進行綜合分析，識別邊坡的變形特征，采用多變量時間序列模型進行趨勢預測，其結合有限元離散化方法，以四節(jié)點四邊形單元為基礎，對邊坡位移場進行精細化分析，通過以下公式計算單元節(jié)點的應力和應變：

24、ε＝b·δ,σ＝d·ε

25、其中，ε為應變，b為應變矩陣，δ為節(jié)點位移；σ為應力，d為彈性矩陣；

26、有限元分析單元，利用有限元軟件對邊坡的變形進行預測，使用穩(wěn)定性系數(shù)作為判據(jù)，所述穩(wěn)定性系數(shù)引入強度折減法確認，其具體公式為：

27、

28、其中，cf和φf分別為折減后的巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角，fs為強度折減系數(shù)。

29、優(yōu)選的，所述預警輸出模塊的預警等級分為藍色、黃色、橙色和紅色四級，具體為：

30、藍色預警：fs>1.5，表明邊坡處于安全狀態(tài)；

31、黃色預警：1.2<fs≤1.5，需警惕潛在變形風險；

32、橙色預警：1.0<fs≤1.2，邊坡變形趨于加速；

33、紅色預警：fs≤1.0，存在失穩(wěn)風險；

34、所述預警等級的閾值基于以下步驟確定：

35、s1、初始閾值設定，根據(jù)7個代表性礦山的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)和有限元位移場分析結果，對位移、傾角、裂縫擴展速率和降雨量指標設定初始預警閾值；

36、s2、動態(tài)調(diào)整，基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和年度邊坡穩(wěn)定性分析報告，每半年對預警閾值進行動態(tài)更新；

37、s3、組合判斷，在不同因素均超出相應閾值時，系統(tǒng)自動提升預警等級；

38、所述s2步驟中，預警閾值采用以下公式計算得出：

39、新閾值＝α×歷史數(shù)據(jù)均值+β×當前監(jiān)測均值

40、其中，α和β為調(diào)節(jié)系數(shù)且滿足α+β＝1。

41、優(yōu)選的，所述有限元分析單元基于以下步驟對邊坡的變形破壞階段進行位移場預測分析：

42、s1、靜態(tài)分析，在無外界擾動情況下，計算邊坡在正常狀態(tài)下的位移場分布，識別邊坡穩(wěn)定性；

43、s2、動態(tài)分析，在暴雨和爆破外界擾動條件下，分析邊坡的應力分布和位移變化趨勢；

44、s3、變形階段劃分，根據(jù)邊坡的位移增量和穩(wěn)定性系數(shù)，將邊坡變形過程劃分為初始變形階段、加速變形階段和臨界失穩(wěn)階段，分別對應正常、預警和紅色預警狀態(tài)；

45、所述s3步驟中，引入hoek-brown屈服準則作為判定標準，該準則以巖石的抗剪強度為基礎，通過非線性公式描述巖石在不同應力條件下的破壞行為，其表達式為：

46、

47、其中，σ1為最大主應力；

48、σ3為最小主應力；

49、σc為巖石的單軸抗壓強度；

50、mb、s、a為與巖石質(zhì)量相關的hoek-brown參數(shù)，由下列經(jīng)驗公式確定：

51、

52、其中，mi為巖石材料常數(shù)，gsi為巖體質(zhì)量指標，d為巖體擾動系數(shù)，通常在0～1之間段。

53、優(yōu)選的，所述礦山數(shù)據(jù)采集與分析模塊包括：

54、地質(zhì)數(shù)據(jù)采集子模塊，用于收集礦山的地質(zhì)類報告，包括巖層分布、礦區(qū)地質(zhì)構造、主要斷層位置、巖石物理力學性質(zhì)，并對巖土體進行分類和參數(shù)量化；

55、所述力學性質(zhì)包括但不限于密度、摩擦角、彈性模量和抗剪強度；

56、工程勘察數(shù)據(jù)子模塊，用于收集邊坡工程勘察報告，獲取坡高、坡角、坡頂寬度和坡腳位置的幾何信息，以及支護措施設計信息，并記錄邊坡結構的抗剪強度、內(nèi)聚力和摩擦角等力學參數(shù)；

57、所述支護措施涉及信息包括但不限于錨桿、擋墻、排水設施設計數(shù)據(jù)；

58、邊坡穩(wěn)定性研究數(shù)據(jù)子模塊，用于收集邊坡的歷史失穩(wěn)數(shù)據(jù)，記錄和分析邊坡變形規(guī)律，形成失穩(wěn)模式參考數(shù)據(jù)；

59、所述失穩(wěn)數(shù)據(jù)包括發(fā)生時間、破壞范圍、滑移方向和破壞模式；

60、安全設施與排水設計數(shù)據(jù)子模塊，用于收集礦山的安全設施和排水設計數(shù)據(jù)，包括錨桿、加固網(wǎng)、排水溝和截水溝設施的設計參數(shù)，并記錄排水設施布置方案，以分析排水系統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性的影響；

61、所述設計參數(shù)包括長度、角度和間距；

62、開采現(xiàn)狀與活動數(shù)據(jù)子模塊，用于記錄礦山當前的開采范圍、深度、開采方式，收集爆破活動的詳細記錄，以評估開采活動對邊坡穩(wěn)定性的動態(tài)影響；

63、所述爆破活動的詳細記錄包括爆破位置、時間、強度和震動數(shù)據(jù)；

64、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)子模塊，用于實時獲取gnss接收機、傾角傳感器、裂縫傳感器和雨量計的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，并保存歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)以識別邊坡的變形趨勢；

65、數(shù)據(jù)庫構建和數(shù)據(jù)標準化子模塊，用于構建礦山邊坡數(shù)據(jù)庫，對所有收集數(shù)據(jù)進行標準化處理；

66、所述標準化處理采用正則化方法處理，具體公式如下：

67、

68、其中，x為原始數(shù)據(jù)，min(x)和max(x)分別為數(shù)據(jù)的最小值和最大值，x′為標準化后的值，確保各數(shù)據(jù)維度統(tǒng)一。

69、本發(fā)明提供了一種石灰?guī)r礦山邊坡監(jiān)測預警裝置及系統(tǒng)。具備以下有益效果：

70、1、本發(fā)明通過gnss接收機、傾角傳感器和裂縫傳感器的實時監(jiān)測，系統(tǒng)能夠連續(xù)獲取邊坡的位移、傾角和裂縫擴展等關鍵數(shù)據(jù)，結合強度折減法和有限元分析，系統(tǒng)能夠全面評估邊坡的實時穩(wěn)定性，進一步增強了對邊坡實時穩(wěn)定性的量化評估能力，尤其是在復雜工況條件下。

71、2、本發(fā)明通過有限元分析軟件對邊坡的變形破壞過程進行總位移分析，以穩(wěn)定性系數(shù)作為判據(jù)，系統(tǒng)能夠有效模擬邊坡在不同工況下的應力分布和位移變化，尤其是在暴雨、爆破動態(tài)條件下的變形響應，通過將邊坡的變形過程細分為初始變形、加速變形和臨界失穩(wěn)階段，系統(tǒng)能夠精準預測邊坡在不同階段的穩(wěn)定性狀態(tài)，實現(xiàn)對邊坡的全過程動態(tài)監(jiān)控。

72、3、本發(fā)明通過系統(tǒng)化地收集數(shù)個具有代表性的石灰?guī)r礦山的地質(zhì)類報告、邊坡工程勘察報告、邊坡穩(wěn)定性分析報告、安全設施設計、開采現(xiàn)狀圖和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了全面的礦山邊坡數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含了多種類型和多維度的地質(zhì)和工程數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)在進行邊坡穩(wěn)定性分析時有充足的基礎數(shù)據(jù)支持，這種數(shù)據(jù)支撐的充分性極大地提高了邊坡監(jiān)測的準確性和預警的可靠性。