创刊于1987年, 双月刊
主管:

江西理工大学

主办:

江西理工大学
江西省有色金属学会

ISSN:1674-9669
CN:36-1311/TF
CODEN YJKYA9

基于测量机器人的露天矿边坡变形在线分析与预测

陈优良, 卞焕, 虞列沛, 解宏伟

陈优良, 卞焕, 虞列沛, 解宏伟. 基于测量机器人的露天矿边坡变形在线分析与预测[J]. 有色金属科学与工程, 2018, 9(6): 72-80. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.012
引用本文: 陈优良, 卞焕, 虞列沛, 解宏伟. 基于测量机器人的露天矿边坡变形在线分析与预测[J]. 有色金属科学与工程, 2018, 9(6): 72-80. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.012
CHEN Youliang, BIAN Huan, YU Liepei, XIE Hongwei. Online analysis and prediction of open-pit mine slope deformation based on measuring robot[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2018, 9(6): 72-80. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.012
Citation: CHEN Youliang, BIAN Huan, YU Liepei, XIE Hongwei. Online analysis and prediction of open-pit mine slope deformation based on measuring robot[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2018, 9(6): 72-80. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2018.06.012

基于测量机器人的露天矿边坡变形在线分析与预测

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 41261093

江西省教育厅科技资助项目 GJJ170522

详细信息
    通讯作者:

    陈优良(1978-),男,副教授,主要从事GIS技术与应用、智慧城市方面的研究,E-mail:gis_public@163.com

  • 中图分类号: TD176

Online analysis and prediction of open-pit mine slope deformation based on measuring robot

  • 摘要: 近年来,由于矿区边坡地质灾害的频繁发生,严重威胁到人们的生命财产安全,已成为社会关注的焦点之一.因此,寻找一种能够实时、动态获取监测数据,快速、精确分析与预测边坡变形机理的自动变形监测技术是目前边坡监测工程所亟需解决的问题之一.基于测量机器人的露天矿边坡在线分析与预测技术,通过控制测量机器人对边坡实施远程、长时、精准的无人观测,并结合矿山基准网,自动改正监测点三维坐标值,从时间与空间上分析边坡形变特征,合理预测矿区边坡未来发展趋势.以广东某矿山监测试验为例,监测结果表明,从时间连续性上看,边坡在水平方向上随周期变化总体在往东偏移,垂直方向上矿区地基正在下沉,并预测矿区具有崩塌的危险.从空间无缝性上看,变形的部位集中在变形区西部以及中部的散点区,靠近开采区的位移变形量大于远离开采区的变形量,说明矿山开采对边坡变形的影响很大.经过外业实地测量后证明,该技术适用于矿山边坡工程中远程、无人、长时、全天候的自动监测.
    Abstract: In recent years, the frequent geological disasters in the slopes of mining areas, which seriously threaten people's lives and property, have become the focus of the society. Therefore, it is an urgent problem for current slope monitoring engineering to find an automatic deformation monitoring technology that can acquire monitoring data in real time and dynamically, along with quick and accurate analysis and prediction for the deformation mechanism of slope. Based on measuring robots, online analysis and prediction technology of open pit slope automatically corrected the three-dimensional coordinate values of the monitoring points, analyzed the deformation characteristics of the slope from time and space, and reasonably predicted the future development trend of the slope in the mining area by controlling the measuring robot to implement remote, long-term and accurate unmanned observation of the slope. Taking a mine monitoring test in Guangdong as an example, the results showed that, from the perspective of time continuity, the slope changed in the horizontal direction with the eastward shifting. And the mining area, which was sinking in the vertical direction, was predicted to collapse. The danger of the space was that the deformation was concentrated in the western part of the deformation zone and the scatter zone in the middle. The displacement deformation near the mining area was greater than that of away from the mining area, indicating the great impact of mining on the slope deformation. After field measurement, it was proved that the technology was suitable for automatic monitoring of remote, unmanned, long-term and all-weather in mine slope engineering.
  • 开采过程中所形成的采空区是地下金属矿山的主要灾源之一[1-2].采空区的大量存在致使井下安全状况恶化,诱发一系列灾害,如片帮冒落、地表塌陷、含水层裂隙导通等,严重的甚至造成井下人员伤亡事故.因此,对采空区安全性的合理评价,进而对采空区进行治理,以保障井下安全生产意义重大.目前,有关采空区安全性评价的研究众多.彭欣等[3]运用有限元数值模拟手段,对井下特大采空区稳定性模拟分析,取得了良好效果.罗周全等[4-5]将采空区三维实体建模与有限差分手段耦合,精确评价了某地下矿山隐患空区安全性等级.除此之外,模糊评价、未确知测度理论、可靠度理论[6-8]等方法也已应用到采空区安全性评价,并得到推广应用.然而,影响采空区安全性的因素具有不确定性和隐蔽性[9],且各影响因素之间存在不相容性,这使得上述评价方法存在一定不足.学者蔡文所创立的可拓学理论,立足于解决多因素不相容问题[10],恰好为采空区安全性评价问题提供了一种思路.为此,本文将从采空区安全性的影响因素入手,构建采空区安全性评价指标体系.通过物元构造、关联度求解和权重确定等步骤,构建采空区安全性评价的改进物元可拓模型,并将所建模型用于某矿山采空区安全性评价,以期获得准确合理的评价结果.

    影响采空区安全性的指标因素众多,参考有关研究成果[11-12],将岩石质量、环境条件和采空区赋存状况确定为影响采空区安全性的3大类主要因素.本着指标与评价结果关联度高、全面且突出重点、易于获取等原则,进一步划分得到,岩石质量因素包括单轴抗压强度、RQD(Rock Quality Designation,岩石质量指标)值、节理间距、地下水状况和结构面特征.环境因素包括外部扰动、空区暴露时间和支护状况.空区赋存因素包括顶板暴露面积、采场埋深、采场跨度、采场跨高比和矿柱比值.据此,构建采空区安全性评价指标体系见表 1.

    表  1  采空区安全性评价指标体系
    Table  1.  System of safety evaluation indeses on goaf
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    给定对象N,它关于特征C的量值为V,以有序三元组R=(NCV)作为描述对象的基本元,简称物元.物元评价方法是以可拓集合论为数学基础[13],运用关联函数表达元素和集合的可变属性,通过物元变化与可拓子集域计算,求得给定对象的相容度,用于判断或评价的方法.

    将采空区安全性划分为t个等级,评价指标cii=1,2,…,n)对应t等级的取值区间为[atibti],则经典域物元Rt与节域物元Rs分别为式(1)和式(2):

    (1)

    (2)

    式(2)中,[asibsi]为评价指标ci对应所有安全性等级的取值区间.

    对于待评价空区Njj=1,2,…,m),获取其评价指标ci的量值,得到待评价物元Rj,如式(3)所示.

    (3)

    待评价物元Rjt等级时,对应于指标ci的关联度ktjvti)为:

    (4)

    (5)

    式(4)、式(5)中,vjiRj对应指标ci的量值,vtici的经典域范围[atibti],vsi为节域范围[asibsi],y0对应于vjiy对应于vtivsi.

    对评价指标ci赋以权重Wi,则待评价物元Rj对应安全性等级t的综合关联度ktjNj)为

    (6)

    最大综合关联度所对应的等级t即为待评价采空区的安全性等级.

    采用物元可拓评价模型时,若待评价物元的量值超出节域范围,关联函数便会失效,导致关联度无法求解.为此,这里通过隶属函数[14]对物元量值归一化,同时解决了因评价指标量纲不同而存在的不可度性,操作方法如下.

    1)对效益型指标(值越大越好):

    (7)

    2)对成本型指标(值越小越好):

    (8)

    式(7)、式(8)中,x与x’对应归一化前后的物元量值,xmaxxmin为评价指标区间中的最大和最小量值.

    物元可拓方法中,权重计算效率低,易陷入循环[15].为此,采用改进层次分析法修正权重,具体思路是在权重求解过程中,定义诱导矩阵C=(1)m×n,通过分析判断矩阵与诱导矩阵的关系,以对判断矩阵的一致性进行改进.算法原理参见图 1.

    图  1  改进层次分析法原理
    Figure  1.  Theory of modified AHP method

    北方某金矿直属矿区属滨海开采,矿区构造活动不甚强烈,区内浅层的第四系松散层较厚,基岩岩性为较坚固变质岩和岩浆岩.依据采空区安全性分级研究[16],将采空区安全性划分为5个等级,依次是:I级(非常稳定)、Ⅱ级(稳定)、Ⅲ(中等稳定)、Ⅳ级(不稳定)、Ⅴ级(非常不稳定).结合该矿山生产实际条件,确定其采空区安全性评价指标分级标准(表 2).

    表  2  评价指标分级标准
    Table  2.  Grading standard of evaluation indexes
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    根据物元构造方法(式(1)~式(3)),对应采空区安全性分级(表 1),通过隶属函数(式(7)和式(8))对物元量值归一化,构造经典域物元Rt,如式(9)所示;

    (9)

    以及节域物元Rs,如式(10)所示.

    (10)

    以矿山-510 m中段S511等6个采空区为评价对象,其单项评价指标取值参见表 3.

    表  3  待评价采空区对应指标取值
    Table  3.  Values of opposite indexes of goaf being evaluated
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    根据隶属函数公式,对表 3中指标取值归一化处理,构造待评价物元Rj,如式(11)所示.

    图 1中改进层次分析法流程,计算评价指标权重矩阵Wi=(0.05,0.091 7,0.056,0.027 8,0.075,0.05,0.066 6,0.112 5,0.112 5,0.087 5,0.087 5,0.1,0.027 8).根据式(5),计算待评价物元Rj对应各安全性等级的关联度,进而获得采空区安全性评价结果(表 4):S511和N511n空区为Ⅱ级(稳定),N511s、513和516空区为Ⅲ级(中等稳定),512空区为Ⅳ级(不稳定).为验证评价结果的准确性,将其与模糊评价模型比较(表 4).不难看出,除512空区外,2种模型的评价结果完全一致

    表  4  评价结果对比
    Table  4.  Comparison of evaluated results
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    (11)

    对于512空区,采用改进物元可拓模型和模糊评价模型得到的评级结果分别为Ⅳ级(不稳定),Ⅲ级(中等稳定).采用空区探测系统对512空区进行探测,将探测数据导入实体建模软件,获得该空区三维实体模型(图 2(a)),进而导入FLAC3D有限差分软件,生成空区数值分析模型(图 2(b)).

    图  2  空区模型
    Figure  2.  Cavity model

    根据圣维南原理,计算模型尺寸定为:150 m× 150 m×100 m(长×宽×高).计算采用摩尔库伦本构模型[17],通过快速应力边界法生成初始地应力场.按实际情况进行空区开挖数值模拟,得到空区应力分布特征及塑性破坏情况见图 3图 4.由图 3可知,空区最大拉应力值达到1.7 MPa,超过围岩抗拉强度,形成了一定范围的拉应力区(FLAC3D中定义拉应力为正,压应力为负). 图 4则反映了空区周边形成一定规模的塑性破坏区.结合现场实测及数值分析结果,确定该空区内已产生了一定规模的失稳破坏,且存在进一步破坏的可能.因此,将512空区的安全性等级定为Ⅳ级(不稳定)较Ⅲ级(中等稳定)更为准确.

    图  3  最小主应力分布
    Figure  3.  Distribution of minimum principal stress
    图  4  塑性区分布
    Figure  4.  Distribution of plastic zone

    1)从岩石质量、环境条件和采空区赋存情况3大类因素出发,细化分析,选取单轴抗压强度等13类指标,构建采空区安全性评价指标体系.基于物元可拓理论,通过隶属函数归一化物元量值,采用改进层次分析法计算指标权重,建立了采空区安全性评价的改进物元可拓模型.将该模型用于某金矿采空区评价实例,评价结果为:Ⅱ级(稳定)空区2个,Ⅲ级(中等稳定)空区3个,Ⅳ级(不稳定)空区1个.

    2)将改进物元可拓模型与模糊模型的评价结果进行对比,仅有1个采空区的评价结果不符.对该空区进行现场探测,并采用数值手段分析其安全性,结果表明,该采空区已产生一定规模的失稳破坏,且存在进一步破坏的可能.因此,改进物元可拓模型的评价结果(Ⅳ级,不稳定)更符合实际情况,将其用于采空区安全性评价是合理可靠的.

  • 图  1   矿区地形剖面

    Fig  1.   Mine terrain map

    图  2   监测点JC03在XYZ方向累积位移与速率变化趋势

    Fig  2.   Trend of cumulative displacement and velocity change of monitoring point JC03 in XY and Z directions

    图  3   基于空间插值的矿区形变结果

    Fig  3.   Deformation result of mining area based on spatial interpolation

    图  4   监测点JC03~JC05在Z方向累积位移观测值与预测值变化趋势

    Fig  4.   Point JC03~JC05 cumulative displacement observation value and predicted value change trend diagram in Z direction

    表  1   GM(1, 1)的模型适用性

    Table  1   Model Applicability of GM(1, 1)

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    表  2   GM(1, 1)模型精度标准表

    Table  2   GM(1, 1) model accuracy standard table

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    表  3   部分原始监测数据表

    Table  3   Partial raw measurement data table

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    表  4   JC03点监测成果表

    Table  4   JC03 point monitoring results table

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    表  5   监测点JC03在Z方向累积位移观测值与拟合值

    Table  5   Cumulative displacement observations and predicted values of monitoring point JC03 in the Z direction

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    表  6   监测点JC03在Z方向累积位移预测值

    Table  6   Cumulative displacement predicted value of monitoring point JC03 in Z direction

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-09-16
  • 发布日期:  2018-12-30
  • 刊出日期:  2018-11-30

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