CN106840016A - 松散堆积体安全监测预警方法 - Google Patents

Abstract

一种松散堆积体安全监测预警方法，其包括以下步骤：针对松散堆积体，按照排弃方向，提出设置多根纵向光缆、多根横向光缆的方式；选择相应的光缆类型；在松散堆积体的坡顶挖槽，并将光缆埋设于槽中；读取光缆数据，计算松散堆积体变形。本发明在选定的光纤监测线路内开挖沟槽，在沟槽内布设安装光纤传感器，最后回填土体将光纤传感器埋入其内，在监测线路起点和重点预留接线端口，获取光纤的变形数据，通过计算，实现对松散堆积体稳定性的实时测量。

Description

松散堆积体安全监测预警方法

技术领域

本发明主要涉及露天矿山（露天煤矿、露天铁矿）和垃圾填埋场等松散堆积体稳定性的变形监测预警研究，特别涉及一种松散堆积体安全监测预警方法。

背景技术

随着多地浅部资源的日益枯竭和城镇化发展的突飞猛进，矿山开采规模和深度以及城市生活、建设垃圾日益增加。这种加速发展，在露天矿山领域，造成排土场或煤矸石堆的体积和高度越来越大，甚至超过了400m的高度（例如西藏华泰龙南坑排土场等），给土场顶部的排土机械和人员以及土场下游的居民造成严重的安全隐患，遇到强暴雨极易发生泥石流和滑坡灾害。在城市垃圾填埋领域，由于场地限制，造成垃圾填埋场的高度逐年增加，严重威胁着垃圾填埋场周围居民和建筑物的安全，中国深圳光明垃圾填埋场“12.20溃坝事故”就是一次严重深刻的教训。

可见，松散堆积体（例如上述排土场、垃圾填埋场）稳定性的安全监测预警十分重要，无论对于能源的安全可持续发展，还是对城市化进程的健康发展，都具有举足轻重的作用。

针对松散堆积体失稳破坏给人类造成的严重灾难性后果，多国学者开展了松散堆积体稳定性超前监测预警方法和技术的研究工作，并且取得了丰富的研究成果，为松散堆积体失稳破坏的应急治理和指导人员及时撤离提供了科学依据，如：（1）坡表大地测量（经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪等）；（2）GPS监测；（3）位移计；（4）红外遥感监测法；（5）激光微小位移监测；（6）时间域反射测试（TDR）技术；（7）土壤含水率测量仪和水压监测仪等；（8）声发射监测技术等。这些松散堆积体稳定性监测系统中，技术（1）-（6）主要从松散堆积体的表面进行监测，（7）-（8）对松散堆积体深部进行监测。然而，由于上述方法都需要在地表建设必要的构筑物，严重影响着排土场、垃圾填埋场的日常运营。因为每天地表都会有机械设备来往排泄废渣和垃圾，随着排土场的运营和堆载推移，地表构筑物基本上都被掩埋和破坏，从而导致监测系统失效。

随着地质雷达的广泛应用，在排土场领域也进行了探索性试验，最后发现随着每日排土车辆的排土作业，排土场地表和坡面每时每刻都在发生着变化，因为地质雷达表面形变监测系统一直在发出预警信号，造成“狼来了”的误报假象，无法满足排土场稳定性实时监测预警的目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种松散堆积体安全监测预警方法，以解决现有监测系统容易失效、误报的问题。

为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种松散堆积体安全监测预警方法，其包括以下步骤：针对松散堆积体，按照排弃方向，提出设置多根纵向光缆、多根横向光缆的方式；选择相应的光缆类型；在松散堆积体的坡顶挖槽，并将光缆埋设于槽中；读取光缆数据，计算松散堆积体变形。

优选地，所述纵向光缆在松散堆积体坡面上的部分直接敷设在表面，下端设置有配重；并且直接覆盖其上的废渣为粒径小、级配好的废渣。

优选地，松散堆积体的坡面上也设置有横向光缆，且该横向光缆的布置方式和所述纵向光缆在松散堆积体坡面上的部分相同。

优选地，坡顶挖槽的规格为深度30-50cm、宽20-30cm，并在槽底找平或者铺垫平坦的砂垫层。

优选地，所述光缆包括三种：金属基索状光缆、定点光缆、松套铠装光缆。

优选地，光缆布设槽中之后，回填细颗粒原状土对光缆进行盖住保护，盖层厚度为8~10cm厚，然后采用未分选的开挖出的原状土进行回填。

分析可知，本发明在选定的光纤监测线路内开挖沟槽，在沟槽内布设安装光纤传感器，最后回填土体将光纤传感器埋入其内，在监测线路起点和重点预留接线端口，获取光纤的变形数据，通过计算，实现对松散堆积体稳定性的实时测量。

附图说明

图1为本发明实施例一的应用结构示意图；

图2为本发明实施例二的应用结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

为了实现本发明的目的，本发明提出采用分布式光纤传感器技术，将多股光纤同时埋设到松散堆积体内部，地表不留任何构筑物，在排土场两侧，相对稳定又没有车辆的地方，露出接口，安装光纤传感器的数据采集、发送装置，从而将光纤变形数据发送到监测中心，为监测人员提供依据。

如图1所示，在针对某一松散堆积体——排土场1布设多个光缆（包括上述光纤传感器以及为了增加强度金属丝、包覆于光纤和金属丝外部的护套等等，下述所称光缆均已包括光纤），以监测其稳定性时，首先需要对如何在该排土场1上布设光缆，进行规划。大致包括两个方面：

一，纵向分布式光缆2的设置：沿着排土场1日常排土方向（也即图1中箭头的方向）设置的光缆2。

光缆2的布设密度应根据排土场1大小、排土场排弃碎石粒径、碎石级配等确定，图1中纵向布设的光缆2仅示意性的绘制三根。排土场1顶部11的纵向光缆2埋设深度最好满足深度30-50cm、宽20-30cm的要求，但是当光缆2穿过坡肩111进入排土场1的迎头坡面12的位置后，人工和机械均无法进入该区域，在光缆2末端设置配重3，通过重力作用使光缆2沿着坡面12自由下滑到指定位置，然后在其上通过日常排土工作，进行自动掩埋，在该区域和该时段排弃的废渣，最好用粒径较小、级配较好的废渣排土，以防止大块颗粒在滚落过程中破坏光缆2或配重3（也称为可控性排土），当坡面12上的光缆2完全被掩埋到废渣堆里时，后期排弃的废渣无任何限制，可以自由排土。

二，横向分布式光缆4的设置：沿着垂直排土场1日常排土方向（图1中箭头方向）设置横向的光缆4。

横向光缆4密度也根据排土场1大小、排土场1排弃碎石粒径、碎石级配等确定，图1中横向布设的光缆4仅示意性的绘制四根，设置在排土场1的迎头坡面12上两根（其中一根靠近坡肩111），设置在排土场1的坡顶11上两根。排土场1顶部11的光缆4埋设深度最好满足深度30-50cm、宽20-30cm的要求。

光缆4两端在不易影响排土车辆行驶且相对较为稳定的区域引出地表，安装数据采集、处理和发送终端，实现形变的自动测量及发送。坡顶11设置的两根光缆4不需要考虑在其末端设置配重。对于被设置在迎头坡面12上的两根横向光缆4，如果现场条件不具备，则可以不设置。

承上述，如果现场条件具备，如图2所示，在迎头坡面12上具有人为预留平台14，就可以在迎头坡面12上设置横向光缆41，设置方法同纵向光缆2的设置方法，不挖槽，末端不用设置配重3，而是在两侧通过机械或人工直接敷于坡面12的表层，然后通过排土的方式覆盖。上述设置的方法好处是随着排土场1的向前推移，按照一定距离就可以加设、安装横向光缆41。

设置纵向光缆2、横向光缆4的规划完成之后，就应该进行光缆选型，根据研究、实验，优选使用三种光缆：金属基索状光缆、2m定点光缆、松套铠装光缆。使用时，每根光缆两端各冗余10m。

本发明实施例一、二所使用光缆的各光纤中注入一束激光，将会发生各种散射效应，其中，布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。因此，通过对应变数据进行分析处理可以实现边坡体位移信息提取。

光纤设置方式及光缆类型选定之后，将进入具体的现场施工环节，大致包括以下步骤：

一，监测线路选取。根据监测现场的实际情况以及监测要求，尽量选取与边坡顶部走向平行的监测线路，标明监测区带的端点，并利用生石灰粉进行定线标识出监测线路。

二，开挖土槽。根据标示出的监测线路进行开挖，土槽开挖深度30-50cm、宽20-30cm，开挖的沟槽务必保持直线，避免歪扭。

三，沟槽底部找平。在沟槽开挖后，人工使用铲子将沟槽底部整平，或者在沟槽底部铺设5~8cm厚的砂垫层，并摊平压实。

四，光缆放线。将定点光缆线盘拉开，并放入到沟槽内部，稍微拉直，两端点处预留足够长光缆，用于接线测量。

五，定点光缆、光纤光栅定点光缆定点布设。在监测线路断点部位，打入第一个T型锚固件，将临近位置的定点光缆定点单元与T型锚固件使用尼龙扎带绑扎固定。采用相同的布设方式依次向沟槽另一端点方向布设安装定点光缆，两相邻定点间应采用一定预应力拉直，使定点光缆处于拉紧状态。待所有定点部位绑扎固定后，在绑扎固定处涂抹环氧树脂胶体，进行胶结固定。

六，松套铠装传感光缆布设。将松套铠装温度传感光缆穿入到PVC管内，随PVC管一起放入到沟槽内，在两端拉伸光缆，避免光缆在PVC管内弯曲。布设安装的松套铠装光缆，用作温度补偿。

七，金属基索状光缆或聚氨酯光缆布设。将金属基索状光缆或聚氨酯光缆放入沟槽内。先使用细颗粒原状土将两种光缆一端填埋，然后一边拉伸另一端光缆，一边向远端填埋细颗粒原状土。在填埋时，必须进行拉伸光缆，避免在沟槽内弯曲。

在边坡体内布设安装多种类型光缆，可以各取所长，金属基索状光缆用于小变形测量，探测精度高，对小变形敏感，可以及早的探知滑动位置。2m定点光缆用于大变形测量，可以实时监测滑动区的发展情况。松套铠装光缆用于温度补偿，提供系统的监测精度。

八，沟槽回填，待所有光缆布设完毕后，先向沟槽内回填细颗粒原状土对光缆进行盖住保护。盖层厚度约为8~10cm厚。然后采用未分选的开挖出的原状土进行回填。

九，端点检修口砌筑。在监测线路两端点位置分别砌筑检修口，将布设安装的分布式感测光缆引入到电箱内，砌筑砖体保护。

综上，本发明实施时，在松散堆积体（排土场、垃圾填埋场等）坡顶和迎头坡面中间位置，开挖沟槽，将光缆埋设到边坡体内部。随着边坡排土开挖，边坡土体不断向下滑动。在边坡土体变形区域光缆随土体一起变形，从而产生拉伸变形。利用分布式光纤的应变测试仪，就可以测试出光缆变形大小，圈定出边坡体变形区域。

开挖区离测线越近，其光缆测试越敏感。沿纵向布设高强度光缆，然后通过可控性排土（即要用粒径较小，级配较好的废渣排土，防止大块石在滚落过程中破坏光纤）堆埋，使其被埋入到迎头坡面内部。当边坡体滑动时，会带动光缆，感测光缆发生应变变化，利用分布式光纤应变测试仪，既可以测试变化应变大小，圈定滑动区域范围。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对松散堆积体，按照排弃方向，提出设置多根纵向光缆、多根横向光缆的方式；

选择相应的光缆类型；

在松散堆积体的坡顶挖槽，并将光缆埋设于槽中；

读取光缆数据，计算松散堆积体变形。

2.根据权利要求1所述的松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，所述纵向光缆在松散堆积体坡面上的部分直接敷设在表面，下端设置有配重；并且直接覆盖其上的废渣为粒径小、级配好的废渣。

3.根据权利要求2所述的松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，松散堆积体的坡面上也设置有横向光缆，且该横向光缆的布置方式和所述纵向光缆在松散堆积体坡面上的部分相同。

4.根据权利要求1所述的松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，坡顶挖槽的规格为深度30-50cm、宽20-30cm，并在槽底找平或者铺垫平坦的砂垫层。

5.根据权利要求1所述的松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，所述光缆包括三种：金属基索状光缆、定点光缆、松套铠装光缆。

6.根据权利要求1所述的松散堆积体安全监测预警方法，其特征在于，光缆布设槽中之后，回填细颗粒原状土对光缆进行盖住保护，盖层厚度为8~10cm厚，然后采用未分选的开挖出的原状土进行回填。