一种露天矿边坡监测预警方法及系统与流程

本发明属于露天矿边坡监测，尤其涉及一种露天矿边坡监测预警方法及系统。

背景技术：

1、在各类露天矿山的开发与开采过程中，却时常受到一些矿山灾害的影响，其中边坡岩体安全性是制约着矿山生产效益和安全的最主要影响因素。边坡是自然或人工开挖形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。作为全球性三大地质灾害(地震、洪水、崩塌滑坡泥石流)之一的边坡失稳塌滑，是矿山开采过程中经常遇到的主要的灾害形式之一，对国家财产和矿山人员生命安全有着严重的威胁。因此对边坡的正确认识，合理的设计、及时监测，适当的治理，把边坡失稳造成的灾害降低到最低限度，是工程界设计施工人员必须考虑的问题。人类在边坡问题的监测和治理上做过很多努力，包括认识滑坡机理，完善边坡稳定分析理论和方法、开发滑坡治理、监测技术和滑坡预报。其中边坡动态监控及预测预报技术是边坡稳定研究中的核心内容和技术关键，在采矿工程和工程地质领域占有重要的地位。

2、虽然，通过许多专家学者对边坡的地质环境和岩土性质的分析，已经在边坡变化及失稳的原因及变化趋势等有较深的理论基础，但是，理论在实际中的具体应用却亟待解决，如何实时快速的获取边坡初期位移变化，对边坡失稳和滑坡预报有着重要作用。针对露天矿边坡的位移变化监测，若采用传统的水准仪、全站仪等测量方法，不仅实时性不高、人力花费大，而且测量人员的安全很难保证；若采用gps监测的方法，虽能达到实时监测的效果，但是gps测站点的架设难度高、花费大，而且一旦出现边坡失稳及滑坡，会破坏gps测站点。所以实施远距离的实时监测是一种比较实用的方式。目前，不接触待测量物体进行实时测量，并且实现简单的方法是采用摄影测量方法。

3、针对上述要求，现有技术已经提出一些基于机器视觉的目标监测方法，主要通过采用电荷耦合器件(ccd，chargecoupleddevice)或互补金属氧化物半导体(cmos，complementarymetaloxidesemiconductor)作为感光元件的数码摄像机或模拟信号摄像机，来获取待监测目标的序列影像或视频影像，并将获取的影像传输至计算机上进行计算处理，分析不同时刻获取的影像之间的目标变化。但是通常状况下视频监控所获取的目标影像分辨率较低，无法实现目标精确监测；另外若不能采用比较快速有效的图像变化监测算法，很难同时实现监测的实时性和准确性。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术进行边坡监测中工作效率低，需投入大量节省人力、物力和财力，并且不能有效降低安全事故发生的概率。

5、现有技术行边坡监测中对整个边坡不能进行24h不间断测量监测，不能实时了解边坡的动态变化情况。

技术实现思路

1、为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种露天矿边坡监测预警方法及系统。

2、所述技术方案如下：一种露天矿边坡监测预警方法,包括以下步骤：

3、s1，采用车载激光雷达和地基激光雷达相结合技术，获取矿区边坡的三维实测数据；

4、s2，采用融合映射技术对车载激光雷达和地基激光雷达的数据进行融合映射，获取高精度的三维雷达数据；基于多期三维雷达数据分析边坡的三维位移，基于地基雷达数据进行边坡裂缝探查；

5、s3，利用获取的三维雷达数据、边坡裂缝的露天矿边坡数据，建立露天矿山边坡稳定性预警模型，对整个边坡进行24h不间断测量监测，实时获取边坡的动态变化情况，识别出潜在露天矿山边坡不稳定区域。

6、在步骤s3中，实时获取边坡的动态变化情况，识别出潜在露天矿山边坡不稳定区域，包括：

7、s101，获取区域内边坡动态变化状态和潜在露天矿山边坡不稳定区域构成的集合；

8、s102，构建露天矿山边坡稳定性预警模型的优化识别模型；

9、s103，构建测量监测设备优化识别模型；

10、s104，测量监测站边坡稳定性预警演变概率。

11、在步骤s101中，构成的集合表达式为：

12、oev＝{1,2…mev}  (1)

13、oa＝{1,2…ma}  (2)

14、

15、式中，oev为区域内有边坡裂缝延展趋势的边坡动态变化状态集合，mev为边坡动态变化状态阈值，oa为区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域集合，ma为潜在露天矿山边坡不稳定区域阈值，为n号潜在露天矿山边坡不稳定区域内不稳定区域因子集合，为n号潜在露天矿山边坡不稳定区域内不稳定区域因子阈值。

16、在步骤s102中，露天矿山边坡稳定性预警模型作为输出边坡裂缝稳定性预警的主体，在同一离散时段窗口内，若输出边坡裂缝稳定性预警的边坡动态变化状态阈值小于所有不稳定区域因子的阈值露天矿山边坡稳定性预警模型在一轮次算法中全部完成映射；表达式为：

17、

18、

19、式中，为边坡动态变化状态阈值，uev为边坡动态变化状态，为所有不稳定区域因子的阈值；

20、若输出边坡裂缝稳定性预警的边坡动态变化状态阈值大于所有不稳定区域因子的阈值需要进行多阶段边坡动态变化状态和潜在露天矿山边坡不稳定区域映射方法，根据不稳定区域因子对露天矿山边坡稳定性预警模型的偏好排序，首先对阈值等于的露天矿山边坡稳定性预警模型完成映射，不稳定区域因子进行虚拟列队并更新状态，然后再对剩余露天矿山边坡稳定性预警模型进行下一阶段的边坡动态变化状态和潜在露天矿山边坡不稳定区域映射方法，直到所有露天矿山边坡稳定性预警模型均完成测量监测映射。

21、进一步，构建露天矿山边坡稳定性预警模型的优化识别模型包括：

22、(1)边坡动态变化状态测量监测边坡裂缝尺寸；

23、(2)边坡动态变化状态最大安全裂缝距离约束；

24、(3)露天矿山边坡稳定性预警模型匹配性目标矩阵。

25、在步骤(1)中，边坡动态变化状态发展到预警值的60％，然后对边坡裂缝进行快速发展，设定边坡动态变化状态到达潜在露天矿山边坡不稳定区域测量监测的目标临界函数为60％，测量监测边坡裂缝尺寸的表达式为：

26、

27、

28、式中，lch(uev)为边坡动态变化状态uev在潜在露天矿山边坡不稳定区域ua测量监测需要的边坡裂缝尺寸，l′ch(uev)为未发展到预警值60％条件下当前边坡动态变化状态uev在潜在露天矿山边坡不稳定区域ua测量监测需要的边坡裂缝尺寸，e(uev,ua)为边坡动态变化状态uev到潜在露天矿山边坡不稳定区域ua的安全断裂尺度，uev为边坡动态变化状态，ua为潜在露天矿山边坡不稳定区域，ζ(uev)为边坡动态变化状态uev的单位距离演化系数，q(uev)为边坡动态变化状态uev测量监测总距离，oev为边坡动态变化状态集合，oa为区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域集合，f0(uev)为边坡动态变化状态uev出发时的临界函数，c(uev)为边坡动态变化状态的实时裂缝距离；

29、在步骤(2)中，边坡动态变化状态安全裂缝最大距离受到实时裂缝距离约束，当剩余临界函数不足以支撑边坡动态变化状态时，露天矿山边坡稳定性预警模型对潜在露天矿山边坡不稳定区域的偏好序列中不会出现潜在露天矿山边坡不稳定区域，最大安全裂缝距离由如下公式得出：

30、

31、

32、式中，为某一参考点边坡动态变化状态uev安全裂缝最大距离，i为露天矿山边坡参考点数量，为边坡动态变化状态uev安全裂缝最大距离，为边坡动态变化状态与映射潜在露天矿山边坡不稳定区域之间的距离；

33、在步骤(3)中，露天矿山边坡稳定性预警模型的匹配性由边坡裂缝尺寸和测量监测精度构成，利用边坡裂缝尺寸模型对露天矿山边坡稳定性预警模型的优化边坡裂缝尺寸进行量化，按照标准规范设定露天矿山边坡稳定性预警模型单位边坡裂缝尺寸ρ，因此露天矿山边坡稳定性预警模型匹配性目标矩阵如下：

34、min yev＝(a(uev)lsum(uev，ua)p+β(uev)x(uev，ua))  (10)

35、s.t.α+β＝1，0≤α≤1，0≤β≤1  (11)

36、lsum(uev，ua)＝la(uev，ua)+lf(uev，ua)+lch(uev，ua)  (12)

37、x(uev，ua)＝x′(uev，ua)+e(uev，ua)ζ(uev)p(ua)  (13)

38、x′(uev，ua)＝(60％-f0(uev))c(uev)p(ua)  (14)

39、式中，minyev为测量监测精度数值，a为露天矿山边坡稳定性预警模型的边坡裂缝尺寸偏好权重，β为露天矿山边坡稳定性预警模型的边坡裂缝价格偏好权重，uev为边坡动态变化状态，ua为潜在露天矿山边坡不稳定区域，a(uev)为露天矿山边坡稳定性预警模型在边坡动态变化状态uev的边坡裂缝尺寸偏好权重，lsum(uev，ua)为露天矿山边坡稳定性预警模型的边坡裂缝尺寸成本，ρ为单位边坡裂缝尺寸，x(uev，ua)为露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下边坡动态变化状态与映射潜在露天矿山边坡不稳定区域之间的距离，x′(uev，ua)为当前露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下边坡动态变化状态与映射潜在露天矿山边坡不稳定区域之间的距离，la(uev，ua)为边坡动态变化状态uev驶向潜在露天矿山边坡不稳定区域ua的行驶边坡裂缝尺寸，lf(uev，ua)为到达测量监测站后的排队边坡裂缝尺寸，lch(uev，ua)为充至目标临界函数的测量监测边坡裂缝尺寸，x(uev，ua)为露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下露天矿山边坡稳定性预警模型的测量监测精度，e(uev，ua)为露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下边坡动态变化状态uev安全裂缝最大距离，ζ(uev)为边坡动态变化状态uev的单位距离演化系数，p(ua)为潜在露天矿山边坡不稳定区域ua的测量监测变化范围，(uev)为边坡动态变化状态，f0(uev)为边坡动态变化状态uev出发时的临界函数。

40、进一步，在明确露天矿山边坡稳定性预警模型匹配性的目标矩阵之后，云端决策平台将露天矿山边坡稳定性预警模型对每个不稳定区域因子的偏好值进行评价，然后排序，定义露天矿山边坡稳定性预警模型对不稳定区域因子的偏好序列为hev，hev的表示如下：

41、

42、

43、式中，hev(uev)为露天矿山边坡稳定性预警模型对边坡动态变化状态uev中不稳定区域因子的偏好序列，为对边坡动态变化状态uev在区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域集合中不同不稳定区域因子测量监测精度数值。

44、在步骤s102中，优化识别模型的表达式如下：

45、(1)不稳定区域因子单位边坡裂缝尺寸运算精度：每个不稳定区域因子的单位边坡裂缝尺寸运算精度由如下公式得出：

46、

47、式中，λ(un)为不稳定区域因子单位边坡裂缝尺寸运算精度，x(uev，un)为露天矿山边坡稳定性预警模型的测量监测精度，lsum(uev，un)为露天矿山边坡稳定性预警模型的边坡裂缝尺寸，uev为边坡动态变化状态，un为不稳定区域因子，为n号潜在露天矿山边坡不稳定区域内不稳定区域因子集合；

48、(2)测量监测设备匹配性目标矩阵：

49、定义测量监测设备匹配性目标矩阵如下：

50、max yn＝λun  (18)

51、

52、式中，max yn为测量监测设备匹配下的测量监测精度数值，oev为边坡动态变化状态中区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域，λ为不稳定区域因子系数，un为不稳定区域因子，uev为边坡动态变化状态，ψ(un，uev)为不稳定区域因子un接收边坡动态变化状态uev的标识，接收用ψ(un，uev)＝1表示，不接收用ψ(un，uev)＝0表示；

53、云端决策平台将不稳定区域因子对每名露天矿山边坡稳定性预警模型的偏好值进行评价，然后排序，定义不稳定区域因子对露天矿山边坡稳定性预警模型的偏好序列为zn，zn的表示如下：

54、

55、

56、式中，hn(un)为露天矿山边坡稳定性预警模型对不稳定区域因子中不稳定区域因子的偏好序列，为露天矿山边坡稳定性预警模型在不稳定区域因子中的边坡裂缝尺寸，为露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下在边坡动态变化状态uev和不稳定区域因子约束的安全裂缝平均最大距离，为露天矿山边坡稳定性预警模型匹配下在不稳定区域因子约束的安全裂缝平均最大距离，uev为不稳定区域因子，ua为某个不稳定区域因子，oev为边坡动态变化状态中区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域，oa为区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域集合；

57、在完成露天矿山边坡稳定性预警模型与不稳定区域因子之间相互的偏好值排序之后，使用多阶段边坡动态变化状态和潜在露天矿山边坡不稳定区域映射方法对露天矿山边坡稳定性预警模型与不稳定区域因子进行一对一的双边映射。

58、在步骤s104中，通过测量监测站设备辐射幅度来衡量测量监测站的边坡稳定性预警演变概率，辐射幅度的表达式为：

59、

60、式中，η(ia)为潜在露天矿山边坡不稳定区域ia的辐射幅度，uev为边坡动态变化状态，oev为边坡动态变化状态中区域内潜在露天矿山边坡不稳定区域，ψ(un，uev)为不稳定区域因子un接收边坡动态变化状态uev的标识，un为不稳定区域因子，p(uev)为边坡动态变化状态uev辐射幅值，为辐射幅度系数，为当前某个不稳定区域因子；

61、η(ia)越接近于1，表示潜在露天矿山边坡不稳定区域ia的裂缝尺度安全强度小；潜在露天矿山边坡不稳定区域之间的η(ia)差值越小，表示潜在露天矿山边坡不稳定区域之间的边坡稳定性预警演变概率越均衡。

62、本发明的另一目的在于提供一种露天矿边坡监测预警系统，该系统用于实现所述的露天矿边坡监测预警方法，该系统包括：

63、三维实测数据获取装置，用于采用车载激光雷达和地基激光雷达相结合技术，获取矿区边坡的三维实测数据；

64、三维雷达数据和边坡裂缝获取模块，用于采用融合映射技术对车载激光雷达和地基激光雷达的数据进行融合映射，获取高精度的三维雷达数据；基于多期三维雷达数据分析边坡的三维位移，基于地基雷达数据进行边坡裂缝探查；

65、铜矿边坡预警模型建立模块，利用获取的三维雷达数据、边坡裂缝的露天矿边坡数据，建立露天矿山边坡稳定性预警模型，对整个边坡进行24h不间断测量监测，实时获取边坡的动态变化情况，识别出潜在露天矿山边坡不稳定区域。

66、结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明利用车载雷达与地基雷达融合映射技术，利用融合后的数据分析边坡的三维位移。基于边坡三维位移以及裂缝分布建立露天矿边坡监测预警模型。本发明采用车载和地基雷达设备获取多时期边坡雷达数据，对数据进行融合、对比分析，得到边坡的三维位移。同时通过边坡雷达建立露天矿山边坡稳定性预警模型，对整个边坡进行24h不间断测量监测，实时了解边坡的动态变化情况，迅速识别出潜在的不稳定区域，达到提前预警的目的。

67、针对矿山及周边地质的特性以及矿山边坡的实际情况，分析监测露天矿边坡稳定型原理，通过边坡雷达建立预警模型，依托该技术，对矿区的边坡稳定性提供可行性依据。并且利用该发明对控制矿山边坡稳定性方面，可以大大提高工作效率，节省人力、物力和财力，缩短不必要的边坡裂缝尺寸。同时该项研究所提出的防治措施可有针对性的降低安全事故发生的概率。本发明通过对其可行性的论证，经过对比分析，所取得的工法，与现行一般施工形式比较，将节省20％建设成本。将进一步增加市场竞争力，扩大承担多年露天铜矿边坡稳定性监测能力，预计相关设计任务将增加15％-25％，同时给单位带来直接经济效益100-200万元。同时本发明完成了采集铜矿边坡模型数据、收集相关数据资料；完成了数据分析整理，构建铜矿边坡预警模型，对整个边坡进行24h不间断测量监测，实时了解边坡的动态变化情况。