基于数值计算和空间数据库的露天矿边坡安全预警系统研究

摘要

边坡变形监测与稳定性预测预报研究是岩石力学领域的热点研究问题，并取得了丰硕的研究成果，但随着GPS技术和我国北斗系统的日臻完善，对于边坡变形监测与预测预报智能化集成的研究成果略显不足。深入开展无人值守的露天矿山边坡变形实时、连续监测与稳定性智能预测预报研究对于露天矿山边坡安全管理和包括北斗系统在内的卫星导航技术在边坡监测与预测预报领域的推广应用具有非常重大的理论意义和实用价值。
　　课题以“基于GPS的矿区重点区域实时变形监测预警系统”项目为依托，针对金堆城露天矿边帮断裂带规模巨大、内部结构复杂、岩性软弱的地质特点，从安全监测的时效性出发，通过数值分析对边坡监测点位进行了优化、通过信号处理和理论分析建立了预测预报模型，并运用空间内插加密算法，实现了变形监测和预测预报的智能化集成。取得了以下主要成果：
　　（1）运用数值分析确定了金堆成露天矿山重点边坡拟选用的监测点位。并利用LeicaGNSS QC软件对监测点数据的周跳、多路径、数据完整性以及数据连续性进行分析，优化了点位布置，提出了一种新的监测点布设的原则。
　　（2）引入了小波阈值收缩法对数据进行降噪处理。在对比分析GM（1,1）等时距和非等时距模型位移预测精度的基础上，建立了改进的灰色-变维分形模型，并采用Matlab数值仿真模拟软件对该模型进行验证分析，对滑坡体的水平和垂直以及整体位移进行求解，得到该模型对GPS数据具有很好的适应性，提高了预测精度。
　　（3）运用空间内插加密算法，通过建立实时动态的真三维维矿山安全状况演变模型，再现与仿真矿山开采活动及给安全、环境带来的相关影响；基于历史监测数据和时间序列模型，及时准确预测潜在的地质灾害发生地点、时间和影响范围；实时动态发布矿山安全和地质灾害等可视化信息和短信预警。实现了“监测”、“评价”、“预测”、“报警”、“防盗”五为一体的智能化集成，实现了对边坡的无人化、可视化实时在线监测与预测预报。
　　课题成果在金钼股份金堆城露天矿一年多的生产运行情况表明，该系统实现了全方位、全天候、立体化地对矿区地表形变的相关信息的无人化实时采集、快速安全传输、自动解算处理、监测信息处理和可视化预警，给矿山边坡安全管理提供了一个智能化辅助决策支持，对GPS和北斗卫星导航系统在边坡监测中的推广具有借鉴价值。

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第1章 绪论

1.1边坡安全研究的目的和意义

1.2 边坡安全技术研究现状

1.3 主要研究内容及方法

第2章 边坡地质环境和岩体特性实验研究

2.1 矿区水文地质概况

2.2 边坡岩体特性力学实验研究

2.3 岩体力学实验结果

2.4 本章小结

第3章 边坡位移变形数值仿真模拟

3.1 FLAC3D和Geo-studio理论背景

3.2 边坡计算有限元数学模型设计

3.3边坡FLAC 3D数值仿真模拟研究

3.4排土场数值仿真模拟分析

3.5 本章小节

第4章 边坡监测网络优化研究

4.1 监测点选址原则

4.2 岩质边坡监测点位置初选

4.3 土质边坡监测点位置初选

4.4 基准站位置初选

4.5 监测点信号测试研究

4.6 本章小节

第5章 位移变形预测和评价数学模型

5.1 GPS边坡数据采集的特点

5.2 GPS位移预测模型分类

5.3 GPS数据小波降噪算法

5.4 监测点的位移预测模型

5.5 边坡体位移变化趋势预测

5.6 滑坡体的稳定性综合模糊评价模型

5.7 本章小结

第6章 边坡安全预警系统集成及应用研究

6.1 GIS空间数据库软件结构概述

6.2 GIS空间数据库软件选型

6.3 GIS空间数据库设计

6.4 GIS空间数据库管理模块设计

6.5 边坡安全预警可视化系统设计

6.6 本章小结

第7章 结论和展望

7.1结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参与的科研项目及论文发表情况