影响露天井工联合开采安全的监测、预警系统还是要以原有井工开采安全监测预警系统、露天开采安全监测预警系统为基础，结合上节分析的危险性因素类别、特征、时空关系、大小与危害程度进行整合与拓展。
8.2.2.1 监测预警系统设计的基本原则和设计方案
监测预警系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。监测预警系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于危险性因素监控和状态评估，满足各项参数动态监测的需要，同时又具经济效益的结构的安全监控系统，其遵循的设计原则如下:
(1)充分利用现有资料和现有资源原则。矿山设计建设中一般已为矿山安全与生产布设监测系统。露天井工联合开采安全的监测系统就要在利用原有资源的基础上进行，比如露天煤矿边坡安全监测系统，已建立地下岩移监测和GPS监测控制网，即可以地下原岩移监测网和GPS控制网作为基础，在受井采影响的采场、排土场边坡不稳定区域加密岩移监测与GPS监测观测点，并加密监测周期，以及时测定和预报井采影响下边坡位移、移动层位(带)等变化情况，为滑坡预报与长期边坡稳定性与变形(滑坡)预测预报提供基础资料。
(2)科学合理性原则。监控对象的选取有科学和法律依据，尤其要符合相关安全规程和规定;监控手段的选取有高科技含量、先进的、监控效果准确有效。
(3)经济实用性原则。凡是需要较大投入的监控项目都是需要经常使用的;凡是原系统已具备的功能或结构装置，只要准确有效，都采用系统整合的方法加以利用，相互配合;所有涉及的技术手段，在保证长期可靠有效的前提下，采用最经济的方案;所有的操作功能都采用最简洁的使用方法、做到直观方便、性能稳定以及维护简单。
(4)系统可扩展性原则。在监控方案要求改变时，投入的软硬件设备能够继续使用，最大限度减少重复购置。
(5)系统接口开放性原则。系统输出的数据信息采用国际或国内的标准格式，便于系统功能扩充和监测成果的开发利用。
8.2.2.2 露天井工联合开采安全监测与预警
本节论述露天开采对井工开采安全影响及井工开采对露天开采安全影响的监测与预警问题。露天井工联合开采对周边构筑物安全影响的监测与预警采用以上二套监测系统的相关内容(如地表位移监测、系统监测等)进行。
(1)露天开采对井工开采安全影响的监测与预警
露天开采对井工开采安全影响一般在Ⅰ-1型、Ⅰ-2型采场内露天井工联合开采型的露井同期与先露后井开采型;Ⅱ型排土场下井采型(Ⅱ-1型及Ⅱ-2型);Ⅲ采场到界边帮残煤井采型等均可能发生。其监测与预警以井采安全监测预警系统为基础，主要测定工作面矿压与巷道变形二项参数。以安家岭露天煤矿井工矿矿压与变形测试为例。
1)工作面开采矿压监测与分析
①29209工作面开采矿压监测与分析
对29209工作面推进过程中的压力分布进行监测，并对29209工作面在2011年12月～2012年2月之间的监测数据进行分析，支架号为5～174，分别记录前柱压力、标准压力和后柱压力，对29209工作面三个月份的监测数据进行矿压分析发现，工作面工作压力正常，出现个别初撑力不足的现象，可通过及时补压来满足工作面的顺利推进，不会对现场生产造成不良影响。2011年12月间29209工作面压力分布监测结果见图8-15，2012年1月间29209工作面压力分布监测结果见图8-16，2012年2月间29209工作面压力分布监测结果见图8-18。图中压力单位为:MPa。
图8-15
图8-15 29209工作面压力分布监测结果(2011年12月间)
图8-16
图8-16 29209工作面压力分布监测结果(2012年1月间)
图8-17
图8-17 29209工作面压力分布监测结果(2012年2月间)
通过对图8-15至图8-17的29209工作面压力分布监测数据分析可知，三个月的监测数据存在共同点:一是在每月的上、中旬期间工作面部分支架安全阀卸载，呈现出来压状态，应采取加快推进度，及时移架、护帮或控制放煤等措施;在每月的中、下旬期间工作面压力、采高基本正常，个别初撑力不足，可采用及时补压或其他措施。二是支柱压力未出现明显增加或减小，说明29209工作面推进过程矿山压力分布较稳定，按照原推进方案进行开采，发生灾害性事故的可能性较小。
②29210工作面开采矿压监测与分析
对29210工作面推进过程中的压力分布进行监测，并对29210工作面在2011年11月～2012年2月之间的监测数据进行分析，支架号为5～174，分别记录前柱压力、标准压力和后柱压力，对29210工作面四个月份的监测数据进行矿压分析发现，工作面工作压力基本正常，出现个别初撑力不足的现象，且部分支架安全阀卸载，呈现出来压状态，可通过加快推进度，及时移架、护帮，控制放煤或及时补压来满足工作面的正常推进，对现场安全生产不会带来不良影响。2011年11月间29210工作面压力分布监测结果见图8-18，2011年12月间29210工作面压力分布监测结果见图8-19，2012年1月间29210工作面压力分布监测结果见图8-20，2012年2月间29210工作面压力分布监测结果见图8-21。图中压力单位为MPa。
图8-18 29210工作面压力分布监测结果(2011年11月间)
图8-19 29210工作面压力分布监测结果(2011年12月间)
图8-20 29210工作面压力分布监测结果(2012年1月间)
图8-21 29210工作面压力分布监测结果(2012年2月间)
通过对图8-18～图8-21的29210工作面压力分布监测数据分析可知，与29209工作面压力分布相似，在每月的上、中旬期间工作面部分支架安全阀卸载，呈现出来压状态，应采取加快推进度，及时移架、护帮或控制放煤等措施;在每月的中、下旬期间工作面压力、采高基本正常，个别初撑力不足，可采用及时补压或其他措施。由于工作面因月底检修两天或停产未生产，部分支架安全阀卸载，需要加强二次补压或采取其他保护措施。四个月的工作面压力监测数据分析结果也说明支柱压力未出现急剧的升高或降低，说明工作面压力基本正常，矿压分布也较稳定，工作面推采过程中发生灾害事故可能性较低。
综上，通过对29209和29210工作面压力监测数据的初步分析可知，每月上、中旬工作面部分支架安全阀卸载，呈现来压状态，应采取加快推进度，及时移架、护帮或控制放煤、加强二次补压等措施;每月中、下旬期间工作面压力、采高都基本正常，出现个别初撑力不足情况，可采取及时补压或其他措施。采取合适措施后，工作面推进过程中矿压分布基本稳定，煤层开采也较安全。
2)巷道变形监测
对井工矿909～911工作面停采线附近巷道变形进行了观测，并对2012年2月份数据进行记录分析。表8-4为记录2月3日～2月27日之间井工二矿909-911工作面停采线附近巷道变形观测代表性数据。
表8-4 井工二矿909-911工作面停采线附近巷道变形观测一览表
续表
通过以上数据的分析可知，观测数据变化较大的观测点分布在测点8至测点18之间，最大变化量在-2～2mm，大部分变形观测数据在-1～1mm，分析其原因主要在于停采线距离巷道较远，并未影响到巷道变形;另外，也说明了截止2月27日工作面推进过程中上覆岩层变形所引起的局部巷道变形对边坡产生一定的影响，但仍未造成停采线附近岩体的变形，说明采用妥当的边坡治理和加固措施以及合理的推进方案，工作面可在一定条件下继续开采(推进过程中应对巷道及边坡变形进行实时监测)。
(2)井工开采对露天开采安全影响的监测与预警
井工开采对露天开采安全影响一般在Ⅰ-1型、Ⅰ-3型，即采场内露天井工联合开采型的露井同期开采型及先井后露天开采型;Ⅱ型排土场下井采型的露井同期开采型Ⅱ-1型，及Ⅲ型采场非工作帮残煤井采型的露井同期开采型Ⅲ-1型中均可能发生。其监测与预警以露采安全监测预警系统为基础拓展，使其能将井采影响的各项参数(地下位移、地表变形、地下水、地应力等)监测全面，并根据实际需要加密监测网点，加密监测周期，以实现露天井工联合开采复合叠加影响下的监测预警。
露天矿边坡监测技术有一套全面的成熟的监测技术，国家、行业许多规范、标准、高校教科书都有明确的规定与论述。井采影响下的边坡安全监测同样采用这套监测系统。
1)露天井工联合开采影响下的露天矿边坡监测的目的
监测的目的主要是通过露天井工联合开采影响下的露天矿边坡实时监测提供边坡动态与发展趋势，圈定边坡的不稳定区段，评价边坡的稳定性，从而为边坡设计、采矿设计、边坡稳定性分析、滑坡预测预报、安全生产等提供技术依据。监测的范围与量程一般应大于单一露采影响范围。
2)露天井工联合开采影响下的露天矿边坡监测内容
监测内容包括边坡岩体地表位移监测、地下位移监测、地下水监测、边坡岩体应力监测、地震或矿震及爆破震动监测等等。
3)露天井工联合开采影响下的露天矿边坡岩移监测遵循规范
露天矿边坡岩移监测要遵循《煤矿安全规程》[96]、《露天煤矿工程施工及验收规范》[97]《煤炭工程露天矿设计规范》GB50175[54]、GB50197等标准的规定执行。监测范围包括露天井工联合开采影响下的露天矿采场、排土场及最终境界线之外200m范围内。大中型露天矿应结合矿区大地测量基本控制网，设置GPS监控站，即岩移永久性观测线网。对边坡地质条件复杂的采场、排土场及可能发生滑坡等灾害的区段的边坡状态进行跟踪，定期观测，并及时分析边坡监测数据，编制监测报告。
4)露天井工联合开采影响下的露天矿边坡监测要求
在露天井工联合开采的建设、生产、终采阶段，对突然发生或将要发生边坡失稳破坏、滑坡或地质构造复杂、稳定性很差的重要边坡，在加强边坡工程地质勘查的同时要加密边坡岩移监测网，加密或增加岩移监测内容，宜增加地下位移监测以建立边坡监测预警与滑坡预报系统，或者装备遥测系统，或采用边坡稳定性监测雷达。
5)边坡岩体地表位移监测方法
① 地表位移监测是在露天矿边坡上按设计的监测网线位置布置若干观测点(观测标桩)，用仪器定期监测测点和基准点的位移变化量，从而发现、圈定潜在的不稳定边坡区域变形区，掌握边坡的变形情况、程度与发展趋势，从而为边坡设计、变形预测预报与防治措施设计提供依据。
② 地表位移监测对应于露天矿生产的3个不同阶段，采用分级监测原则。开采范围、开采深度、岩体构造揭露、边坡变形状况不尽相同，对应边坡监测采用的方法，要求达到的目标也不相同。
Ⅰ级监测:对边坡整体及境界线以外地表移动变形情况的全面监测，目的在于查明潜在边坡不稳定区域以及露天井工联合开采对境界外的影响范围和建筑设施变形情况。其监测点的设计和设置应根据地形通视条件，在地质构造复杂、地下水源丰富、边坡角大的区段和主要运输干线上设置监测点;监测点的数量以控制住区域变形为宜，施测周期可根据各采区采掘推进速度和季节等条件变化，每季度或半年测量一次，作为全面了解、掌握矿山边坡变形情况的依据。Ⅰ级监测贯穿于露天井工联合开采三个阶段边坡监测全过程。
Ⅱ级监测:在Ⅰ级监测的基础上对初步探测出的不稳定区段进行重点监测、深入监测。Ⅱ级监测应掌握不稳定区的边界范围、位移量和移动速度大小，并根据监测期移动速率变化，结合地质构造赋存状态分析其发展趋势，确定监测频率和周期。
Ⅲ级监测:对Ⅱ级监测中变形量较大，有可能发生破坏性滑动的边坡体进行连续监测、自动化监测、临近滑坡监测。对原监测方法要针对滑坡实际状况做适当调整。Ⅲ级监测可应用红外测距仪照准测点连续跟踪测量或采用地面位移伸长计、边坡稳定性监测雷达等仪器装备。Ⅲ级监测主要是为了进行滑坡预测预报，以便及时采取安全措施，减少滑坡造成的损失。Ⅲ级监测主要在露天矿三个阶段中“失稳边坡”或临近滑坡前进行设计布置。
③ 边坡岩体地表位移监测
边坡地表位移监测可以根据露天矿不同发展阶段、边坡变形不同状况及要求边坡监测达到的不同精度不同目标而采用不同原理的监测方法。
平面点位测量:角交会法、边交会法、导线测量法、边角交会法。
高程测量(垂直变形测量):定期测量观测点相对控制点的高差，以求出观测点的高程，与不同时期所测高程加以比较分析，确定边坡岩体的垂直变形量。主要采用三种方法:几何水准测量法、三角高程测量法、地面倾斜仪测量法。
地表位移连续跟踪或自动监测:当地表位移速率变化较快较大或地表已出现裂隙时，宜采用能连续、自动的监测地表位移的Ⅱ级、Ⅲ级监测仪器与方法实现连续、自动化监测，实现边坡失稳、滑坡的预警预测。可以采用地表多点位移伸长计、沉降仪、表倾斜仪监测、边坡稳定性监测雷达等仪表进行。
6)边坡岩体地下位移监测方法
地下位移监测是通过测量地下岩体相对于稳定地层的位移(位移面、位移量、位移速度和方向)来确定岩体移动的滑移面。既用于确定不稳定边坡的滑面和边坡失稳，也可用于边坡加固后的质量检查与效果评价。
① 地下位移监测方法
地下位移监测一般是通过打钻孔的方法实现，监测用钻孔应穿过不稳定岩层并钻至稳定地层，结合边坡地下位移的具体情况选择测试仪器装备的类型，然后采用相应的监测方法。
② 地下位移监测仪器设备
常选用的地下位移监测仪器装备有以下几种:a.钻孔测斜仪(钻孔测斜仪监测系统分为移动式钻孔测斜仪与固定式钻孔测斜仪两种，由以下几部分组成:测斜仪、二次仪表、测试电缆组成的测斜仪装置、测试钻孔、测试导槽及测斜仪提升装置等);b.应变式位移传感器;c.钻孔伸长计;d.倒置摆;e.沉降仪。
7)边坡岩体位移遥测系统
① 对边坡稳定问题较多、较严重、较集中的露天矿采用边坡岩体位移遥测系统进行岩移监测。采用边坡岩移遥测技术可对不稳定边坡实行连续、自动化监测，能及时准确地获取边坡动态的有关数据，特别当不稳定边坡处于临近滑坡破坏的时候，遥测更能发挥重要的作用，实现滑坡的预测预报。
② 对边坡岩体位移进行遥测，要分别建立遥测站、分站及主测站。遥测站位于露天矿采场内，分站位于距各遥测站不远的集中点(一个分站管理较集中的若干遥测站)，主测站则位于全矿的控制中心(或总调度室附近)。一般宜结合露天矿边坡岩移监测实际需要进行设计研制，也可选用适合的定型系统产品。
③ 遥测系统应实现计算机化，采用微机处理、存储数据探察和显示异常编写修改程序，检测遥测站传感器工作情况。当边坡险情发展时，计算机通过带接口装置的继电器可接通报警装置发出报警信号，这是露天矿建立固定式边坡岩移遥测的一个发展方向。
④ 对于大型、特大型露天井工联合开采的露天矿高陡岩石边坡或不稳定边坡，可选用移动式的边坡稳定性监测雷达进行非操触式无线遥测边坡岩体位移，位移测量精度可达±0.1mm，测量距离2800～4000m。实现实时位移显示和监测，自动触发报警实现滑坡预报。
8)边坡岩移监测数据处理分析
① 按照《工程测量规范》(GB50026)[98]规定进行数据处理分析，包括变形量(位移量)的计算、监测点移动与否的判别，边坡岩体移动与否的判别、高程点位移动与否的判别及开采境界外地表下沉分析、变形分析等。
② 监测点的位移分析
将监测点分别按走向测线和倾向测线做出其位移变化曲线。走向测线监测点的位移变化曲线用于分析和判别边坡岩体沿走向的滑动范围和主滑方向;倾斜测线监测点位移变化曲线用于分析和判别某剖面边坡体是否稳定以及边坡岩体不稳定时沿倾向的移动范围。依据剖面上各个测点移动向量的矢量方向，可以推断该剖面上边坡岩体的滑动变形模式和近似的滑面形状，如图8-22所示，其中(a)为圆弧形滑动破坏;(b)为平面或楔体形滑动破坏;(c)为倾倒破坏。
图8-22 边坡滑动破坏模式
③ 监测点水平变形分析
露天矿边坡岩体往往在自重力长期作用下从蠕动变形发展到最终产生破坏性滑坡，合理正确、精确的边坡反应系统能反映出边坡岩体从蠕动变形到破坏这一全过程。而边坡地表水平变形参数是分析这一过程最重要的参数之一，根据同一剖面上各个监测点之间的水平变形值，可分析判别出边坡岩体将产生滑动性破坏的起始位置、拉伸变形最大值点，以及滑体切出位置，即压缩变形最大值点。根据水平变形值又可以分析和判断边坡体是刚体性滑动还是压缩性坐落式滑移以及滑面是否形成。刚体性滑动特征表现在测点之间水平变形值很小，若此时位移量很大则滑动面已形成;若位移量很小则滑动面尚未形成。压缩性坐落式滑移特征表现在测点之间的水平变形值差别较大，拉压结合，拉伸变形与压缩变形的分界点，可作为边坡体稳定性验算中条块划分点，因为该点的边坡体之间才能产生竖向剪切力。另外根据水平变形值与时间的函数关系，结合室内岩体试验结果，可进行滑动变形的预测预报。
④ 地表位移监测数据计算机程序设计
地表位移监测的各种参量计算及绘图工作应全部计算机化，即能保证数据处理工作及时、准确无误，又为边坡变形的全面分析和预测创造了条件。地表位移监测数据变形分析与计算的计算机软件设计是提高测试精度、加快计算速度的重要手段。程序框图如图8-23。
图8-23 地表位移监测数据分析程序框图
9)地下位移监测数据处理分析
以最常用的边坡地下位移监测—移动式钻孔测斜仪监测数据处理分析方法为例。
移动式测斜仪数据处理软件系统是以PSH型双向伺服加速度计式测斜仪并兼顾国内外其他类型的测斜仪(如MK3、SINCO-1000、BC应变式等)的数据处理工作为模型而研制的，数据处理软件简单、易行、迅速、处理数据量大，可在较普及的微型机上运行。
根据移动式钻孔测斜仪的监测原理，其监测数据的计算处理程序归纳为:
a.某测试段的x、y向的偏位值:
xij=1/2[(xi+)j-(Xi-)j]，yij=1/2[(yi+)j-(yi-)j]
b.某一高程相对于孔底(不动点)的相对水平位移量:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
c.等高程的实际水平位移量:
Δxnj=xnjxn1，ΔYnj=ynjyn1
上两式中的xn1、yn1是表征测试导槽管初始位移的值，它们是第一次监测后，由2项计算整理的结果。
d.某一高程最大位移的方位角和位移量:
煤矿露天井工联合开采理论与实践
式中:Yij—朝向导槽的实际方位(测试导槽管安装完毕后用罗盘测出)，按实例方向分别取
正负;i—表示测点数;j—表示监测的次第数。
位移式钻孔测斜仪数据处理分析软件系统框图见图8-24。
图8-24 测斜仪数据处理软件框图
使用时只需要对菜单序号进行选择，即进入具体某项工作子菜单，从而获取所需结果。
10)边坡岩移监测成果
① 边坡岩移监测每次监测均应有原始记录，并及时进行监测数据计算和整理。
② 边坡岩移监测成果主要是监测地表、地表位移或位移速度对时间的关系。每次监测后应及时对监测数据进行分析，绘制时程曲线，并及时报送有关部门，情况紧急时应作出临灾预报。
③ 监测工作完成一个阶段后及时编写、提交报告。监测报告除进行监测分析总结外，还应包括监测点位布置图、观测成果表、位移矢量图、各种变化时程曲线、监测仪器检定资料及其它必要的附图附件。
(3)露天井工联合开采对周边构筑物的安全的影响的监测与预警
由于矿山的开采动态特性，随着开采的推进，许多构筑物将处于露天井工联合开采影响区内，露天井工联合开采对周边构筑物的安全的影响的监测与预警可采用以上两套监测系统的相关内容(如地表位移监测、系统监测等)进行。