中國煤科首席科學(xué)家王勇：露天礦邊坡監(jiān)測預(yù)警存在問題及應(yīng)對策略

摘要

針對軟巖露天礦的高效、智能、綠色及安全生產(chǎn)需求，研發(fā)了露天煤礦邊坡監(jiān)測預(yù)警iSlope系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)框架綜合地質(zhì)信息、試驗數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型、監(jiān)測預(yù)警與加固技術(shù)以及智能決策支持等多個系統(tǒng)體系，實現(xiàn)了礦山狀態(tài)的實時更新、多維度評估邊坡穩(wěn)定性，與露天礦智能生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,以及與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的協(xié)同管理。研究結(jié)果表明，iSlope系統(tǒng)可應(yīng)用于軟巖露天礦，有效提升邊坡安全水平和生產(chǎn)效率，全面掌握軟巖露天礦的安全運行狀況。

文章來源：《智能礦山》2025年第4期“數(shù)智露天礦技術(shù)與應(yīng)用專題”

第一作者：王勇，正高級工程師，中國煤炭科工集團(tuán)首席科學(xué)家，遼寧省“百千萬人才工程”百層次人才，沈陽市領(lǐng)軍人才，主要從事礦山巖土、地質(zhì)災(zāi)害、露天礦設(shè)計與科研工作。E-mail：cctegwangyong@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司

引用格式：王勇，郭子鈺.露天礦邊坡監(jiān)測預(yù)警存在問題及應(yīng)對策略[J].智能礦山，2025，6(4)：42-46.

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露天礦邊坡滑坡預(yù)警是一項復(fù)雜且多面的世界性難題，長期受到地質(zhì)、氣象和人類活動等多重因素的影響。近年來，國內(nèi)露天礦邊坡監(jiān)測通過高效多傳感器和實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)精確監(jiān)測邊坡位移、應(yīng)變、溫度、濕度、壓力等重要參數(shù)，為預(yù)警系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)。借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，快速、準(zhǔn)確地分析數(shù)據(jù)，滿足精準(zhǔn)、及時的預(yù)警過程，提升預(yù)警效果。

露天礦邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀

露天礦邊坡監(jiān)測方法主要分為4個方面，即空、天、地、孔。其中，空指利用太空衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測，天指采用低空無人機(jī)監(jiān)測技術(shù)，地則指地面和地下監(jiān)測技術(shù)，孔指地質(zhì)體深部監(jiān)測技術(shù)。

邊坡監(jiān)測涉及多種傳感器硬件產(chǎn)品，主要包括位移傳感器、應(yīng)力傳感器、應(yīng)變傳感器、傾斜傳感器、土壤濕度傳感器、溫度傳感器等。此類傳感器實時監(jiān)測邊坡各種參數(shù)變化，傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析。

在數(shù)據(jù)處理方面，采用時間序列分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等數(shù)據(jù)處理算法，處理和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，滿足預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測邊坡變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)邊坡異常情況，并發(fā)出預(yù)警信號，露天礦邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀見表1。

邊坡監(jiān)測存在問題

現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害安全監(jiān)控預(yù)警體系針對區(qū)域性特征監(jiān)測缺少對應(yīng)方案，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警精度低。預(yù)警模型和算法缺乏高精度和高可靠性預(yù)測能力。在實時數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理方面，無法滿足實時監(jiān)測和預(yù)警要求。

滑坡短臨預(yù)報技術(shù)目前仍是世界難題，難以精準(zhǔn)、有效、及時地進(jìn)行滑坡短臨預(yù)報，在礦山技術(shù)需求和產(chǎn)業(yè)化角度存在6個問題。

（1）監(jiān)測技術(shù)集成度不高

露天礦邊坡監(jiān)測技術(shù)尚未實現(xiàn)高效集成。各種監(jiān)測手段和設(shè)備間缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口，數(shù)據(jù)共享和兼容困難。影響監(jiān)測準(zhǔn)確性和效率，且增加成本和復(fù)雜度。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)安全性不強(qiáng)

對監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性和保密性考慮不足，部分平臺存在數(shù)據(jù)泄露和被惡意篡改的風(fēng)險，嚴(yán)重威脅到礦山的安全生產(chǎn)和用戶的隱私安全。

（3）監(jiān)測區(qū)域覆蓋度不全

重要區(qū)域或關(guān)鍵部位缺乏有效監(jiān)測手段和設(shè)備，存在監(jiān)測盲區(qū)。影響預(yù)警準(zhǔn)確性和及時性，給礦山的安全生產(chǎn)帶來潛在威脅。

表1 露天礦邊坡監(jiān)測現(xiàn)狀

（4）監(jiān)測預(yù)警智能化不夠

露天礦邊坡監(jiān)測智能分析和決策應(yīng)用水平低，缺乏形變普查、災(zāi)害智能分區(qū)和分級工作，監(jiān)測效率低下，難以識別潛在隱患。邊坡物聯(lián)網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，難以充分發(fā)揮作用。智能技術(shù)尚未綜合應(yīng)用于邊坡監(jiān)測，缺乏電子項目和全域露天礦山一張圖系統(tǒng)，礦山管理部門難以宏觀掌握礦山運行情況和指揮調(diào)度。

（5）減災(zāi)平臺通用性不廣

許多平臺僅適用于特定類型的礦山或特定場景下的邊坡監(jiān)測，缺乏普遍適用性和通用性。限制了平臺的應(yīng)用范圍和推廣價值。

（6）監(jiān)測預(yù)警產(chǎn)業(yè)化不均衡

露天礦邊坡監(jiān)測預(yù)警產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程不均衡。部分地區(qū)或企業(yè)由于資金、技術(shù)等方面限制，難以實現(xiàn)高質(zhì)量的監(jiān)測預(yù)警服務(wù)，存在資源分配不均衡，影響整個行業(yè)的健康發(fā)展。

邊坡監(jiān)測預(yù)警應(yīng)對策略

隨著邊坡監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的不斷進(jìn)步，露天礦地質(zhì)災(zāi)害空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)與iSlope系統(tǒng)平臺，有力支撐防范和遏制露天礦山重特大事故的發(fā)生，為礦山安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1.1 空天地一體化監(jiān)測預(yù)警

為實現(xiàn)露天礦高效、智能、綠色、安全生產(chǎn)，提出了露天礦地質(zhì)災(zāi)害空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，通過整合空間信息、遙感技術(shù)、地質(zhì)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，建立全面、準(zhǔn)確、實時的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警體系，實現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)警和及時應(yīng)對。推動空天地一體化監(jiān)控與治理模式的研究，整合各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和資源，實現(xiàn)礦山地質(zhì)災(zāi)害的綜合防控。提高礦山地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防、監(jiān)測和應(yīng)對能力，促進(jìn)礦山生產(chǎn)的安全可持續(xù)發(fā)展。露天礦地質(zhì)災(zāi)害空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)總體技術(shù)路線如圖1所示。

（1）安全監(jiān)控預(yù)警整體解決方案

為了全面獲取露天礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測指標(biāo)，開發(fā)并集成了多元化監(jiān)測技術(shù)設(shè)備。整合多種監(jiān)測設(shè)備采集數(shù)據(jù)，深入融合與分析數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)揭示邊坡地質(zhì)特征，并科學(xué)評估其穩(wěn)定性；研究邊坡預(yù)警模型與方法，結(jié)合風(fēng)險評估與管理，構(gòu)建適應(yīng)地域差異的露天礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害安全監(jiān)控預(yù)警的綜合性解決方案。此方案將充分考慮地質(zhì)環(huán)境、氣候條件和采礦工作等因素，確保預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，為露天礦的安全生產(chǎn)提供有力保障。

（2）空天地一體化集成監(jiān)測系統(tǒng)

構(gòu)建露天礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害安全監(jiān)控預(yù)警整體解決方案的總體框架，研究空天地一體化集成監(jiān)測系統(tǒng)。首先，利用遙感衛(wèi)星技術(shù)，對比分析邊坡位移信息、裂縫信息等多時相影像數(shù)據(jù)，獲取大范圍邊坡變化信息；其次，通過無人機(jī)技術(shù)獲取邊坡全景影像數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測邊坡變形情況。結(jié)合地面全站儀、GNSS、光纖位移傳感器、地下水位監(jiān)測儀等地面監(jiān)測設(shè)備，全面獲取邊坡的變形、位移、裂縫、地下水位等詳細(xì)數(shù)據(jù)；最后，通過深度分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測技術(shù)集成于邊坡地質(zhì)災(zāi)害三維空間監(jiān)測系統(tǒng)平臺中，實現(xiàn)不同層面監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)更精準(zhǔn)、全面地評估邊坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。

圖1 露天礦地質(zhì)災(zāi)害空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)總體技術(shù)路線

（3）綜合觀測及短臨預(yù)報技術(shù)體系

研發(fā)、改進(jìn)和應(yīng)用邊坡監(jiān)測設(shè)備和方法，采用高精度定位儀器、遙感設(shè)備、激光掃描儀等，獲取邊坡的各項變形、位移、裂縫、土體性質(zhì)等數(shù)據(jù)。將各種監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)集成并聯(lián)網(wǎng)，建立邊坡地質(zhì)災(zāi)害的綜合監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。借助多學(xué)科交叉知識、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等方法，研究邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展演化規(guī)律開展研究，并結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)和預(yù)警模型，建立短臨預(yù)報方法。

（4）災(zāi)害多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)與平臺

整合前期的研究成果，設(shè)計平臺架構(gòu)和平臺開發(fā)，包括對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、分析、可視化等，開發(fā)相應(yīng)軟件工具及接口，以便用戶接入和使用。并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整和優(yōu)化平臺系統(tǒng)，最后并入到iSlope系統(tǒng)中，以擴(kuò)展iSlope系統(tǒng)的應(yīng)用。

1.2 監(jiān)測預(yù)警iSlope系統(tǒng)平臺

將空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，集成到空天地一體化iSlope系統(tǒng)平臺中，系統(tǒng)平臺框架融合了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的地質(zhì)信息、試驗、三維地質(zhì)模型、空天地監(jiān)測預(yù)警、智能決策大腦等多個系統(tǒng)，實時更新礦山狀態(tài)、多體系評判穩(wěn)定性狀況、與露天礦智能生產(chǎn)系統(tǒng)的信息交換、與生產(chǎn)管理系統(tǒng)協(xié)同管理的智能化系統(tǒng)平臺，空天地一體化iSlope系統(tǒng)平臺框架如圖2所示。

（1）地質(zhì)信息系統(tǒng)

地質(zhì)信息系統(tǒng)在露天礦邊坡安全評判中起著至關(guān)重要的作用，尤其在處理復(fù)雜地形和地質(zhì)構(gòu)型方面。露天礦地形復(fù)雜、面積廣、深度大，開挖形成的多為軟巖邊坡，滑坡風(fēng)險高，需準(zhǔn)確獲取和分析地質(zhì)信息。

在iSlope系統(tǒng)平臺中，地質(zhì)信息包括人工勘察、智能化技術(shù)及兩者相結(jié)合的勘察方法，同時輔助巡檢機(jī)器人和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的綜合監(jiān)測共同協(xié)作，全面、準(zhǔn)確獲取露天礦的基本地質(zhì)信息。智能識別和感知坡體結(jié)構(gòu)，重點分析坡體結(jié)構(gòu)特征，研究邊坡巖土體在形成歷史過程中的演化、空間分布特征、邊坡破壞模式、應(yīng)力分布、地下水等要素，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐，地質(zhì)信息系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖2 空天地一體化iSlope系統(tǒng)平臺框架

圖 3 地質(zhì)信息系統(tǒng)框架

（2）試驗系統(tǒng)

iSlope系統(tǒng)平臺的試驗系統(tǒng)是實時分析露天礦穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，試驗系統(tǒng)包括常規(guī)巖土體力學(xué)參數(shù)試驗，試驗取得的結(jié)果數(shù)據(jù)更新到iSlope系統(tǒng)平臺中。針對特殊露天礦，開展復(fù)雜條件下的試驗研究。根據(jù)試驗特性研究本構(gòu)理論，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型，總結(jié)到iSlope數(shù)據(jù)庫里，為相似情況提供借鑒，為數(shù)值分析提供巖土體物理參數(shù)支撐。

（3）三維地質(zhì)模型系統(tǒng)

在獲取地質(zhì)體的基本信息及其坡體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，建立三維地質(zhì)模型?；趶?fù)雜地質(zhì)體智能識別與感知技術(shù)，獲得露天礦邊坡地形和地層數(shù)據(jù)，接入iSlope智能數(shù)據(jù)整合分析平臺，結(jié)合BIM進(jìn)行模型底層設(shè)計和構(gòu)建，多通道整合地形構(gòu)型、地質(zhì)分布、水文情況、氣候變化以及模擬分析結(jié)果。

三維地質(zhì)模型系統(tǒng)利用邊坡態(tài)勢分析，基于人工智能、大數(shù)據(jù)分析、地質(zhì)環(huán)境、氣候條件、人為因素等多方面因素，模擬滑坡災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展和影響過程。推演過程中，關(guān)注滑坡體的運動速度、方向、范圍以及可能造成的損害，再結(jié)合大數(shù)據(jù)不斷完善和優(yōu)化推演過程，其中包括人員傷亡、財產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境影響等，最后評估推演結(jié)果，分析滑坡災(zāi)害的可能影響范圍和嚴(yán)重程度，三維地質(zhì)模型系統(tǒng)框架如圖4所示。

（4）監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

將露天礦地質(zhì)災(zāi)害空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)集成到露天礦的iSlope系統(tǒng)平臺中，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)綜合監(jiān)測及iSlope系統(tǒng)平臺中態(tài)勢推演提前預(yù)警預(yù)報，監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)及框架如圖5所示。

圖4 三維地質(zhì)模型系統(tǒng)框架

圖5 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)及框架

（5）智慧決策大腦系統(tǒng)

基于已有露天礦邊坡災(zāi)害情況的大數(shù)據(jù)分析以及iSlope系統(tǒng)平臺，建立露天礦邊坡滑坡風(fēng)險和災(zāi)情評估數(shù)據(jù)庫，根據(jù)露天礦邊坡的三維實時穩(wěn)定性分析結(jié)果，研發(fā)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與滑坡災(zāi)情評估的對比技術(shù)，分析露天礦邊坡及周邊地區(qū)的災(zāi)變模式、失效范圍、影響區(qū)域及災(zāi)情區(qū)劃，并提供露天礦邊坡災(zāi)害發(fā)生后的減災(zāi)措施和風(fēng)險預(yù)報，形成基于iSlope系統(tǒng)平臺的露天礦邊坡安全綜合評判體系與應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)響應(yīng)結(jié)果，反饋到人工專家再綜合評判露天礦，保證從礦山的基建、設(shè)計、施工、生產(chǎn)、治理等全過程高效、安全、智能化生產(chǎn)的精準(zhǔn)評價。

總 結(jié)

（1）空天地一體化安全監(jiān)控預(yù)警技術(shù)集空中無人機(jī)巡查、地面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測及雷達(dá)探測等多手段于一體，實現(xiàn)對露天礦邊坡的全方位、多層次、高精度監(jiān)測。實時捕捉邊坡位移、變形、應(yīng)力等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測，精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患，為邊坡穩(wěn)定性評估提供科學(xué)支撐。

（2）iSlope系統(tǒng)平臺是數(shù)據(jù)處理與決策支持核心，接收并整合空天地一體化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，運用智能化算法進(jìn)行深度分析、精準(zhǔn)預(yù)測和及時預(yù)警。實時展示邊坡安全狀況，并提供針對性的安全建議與預(yù)警信息，協(xié)助礦山管理人員迅速應(yīng)對，防止邊坡失穩(wěn)等安全事故，系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)助力礦山管理人員科學(xué)規(guī)劃開采，提升開采效率，避免過度開采造成的邊坡?lián)p害。

（3）iSlope系統(tǒng)在扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司扎哈淖爾露天煤礦、神華寶日希勒能源有限公司寶日希勒露天煤礦實施了橫采內(nèi)排加固，實現(xiàn)了自動化監(jiān)測預(yù)警；在云南省小龍?zhí)兜V務(wù)局有限責(zé)任公司小龍?zhí)堵短斓V實施了錨索加固；在內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司元寶山露天煤礦應(yīng)用了錨索監(jiān)測系統(tǒng)，借助此平臺，管理人員能更清晰地掌握礦山生產(chǎn)與安全狀況，排查潛在風(fēng)險，為露天礦智能化決策與精細(xì)化管理提供支持。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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