露天礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用與發(fā)展

謝振華

（中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048）

露天礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用與發(fā)展

謝振華

（中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048）

在現(xiàn)場調(diào)研和文獻分析的基礎(chǔ)上，分析了露天礦山排土場的災(zāi)害類型及其主要原因。論述了排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，確定了合理的包括GPS、固定式測斜儀、雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒等儀器的排土場綜合監(jiān)測系統(tǒng)，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警方法、智能預(yù)警支持系統(tǒng)等排土場災(zāi)害預(yù)警的發(fā)展方向。

礦山排土場；災(zāi)害監(jiān)測；監(jiān)測系統(tǒng)；預(yù)警方法

0 引言

我國露天礦山排土場數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，每年因為采礦而排放的巖土超過6億t[1]。排土場排放的是松散巖土，其強度及穩(wěn)定性都較低。露天礦山排土場如果場址選擇不當(dāng)、地基處理不好、亂采亂挖坡腳、大暴雨等原因，可能會引起排土場滑坡或泥石流事故，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。如2008年8月1日，山西省婁煩縣某鐵礦排土場的滑坡事故造成45人遇難。2014年11月12日，遼寧某鐵礦一個廢棄的排土場發(fā)生緩慢滑坡事故，造成臨近的部分企業(yè)廠房、設(shè)備損毀，供電中斷。

露天礦山排土場存在的主要安全問題是設(shè)計不規(guī)范、不按規(guī)則排土、缺乏有效的安全管理等，而且礦山排土場基本上都沒有安裝監(jiān)測系統(tǒng)，很難對排土場災(zāi)害進行預(yù)測和預(yù)警。目前，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要應(yīng)用在公路邊坡、露天礦山采場邊坡、尾礦庫壩體邊坡中，有效預(yù)防了邊坡災(zāi)害的發(fā)生。國內(nèi)外關(guān)于露天礦山排土場災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究相對較少，還沒有科學(xué)實用的災(zāi)害預(yù)警方法[2]。在現(xiàn)場調(diào)研和文獻分析的基礎(chǔ)上，論述了露天礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向進行了預(yù)測。

1 排土場災(zāi)害類型

排土場災(zāi)害主要有滑坡和泥石流。

1.1 滑坡

排土場滑坡是排土場災(zāi)害的主要類型，滑坡的類型有3種：排土場內(nèi)部結(jié)構(gòu)面滑坡、排土場與基底接觸面滑坡、排土場基底軟弱層滑坡[3]。排土場滑坡的主要原因包括以下5個方面：

1）排土場設(shè)計缺陷及建設(shè)質(zhì)量不高。排土場選址不當(dāng)或者設(shè)計不符合規(guī)范，導(dǎo)致排土場存在先天事故隱患。排土場在建設(shè)初期對質(zhì)量重視不夠，缺乏有效的建設(shè)監(jiān)督管理，未對排土場基地軟弱層進行清理或者清理不徹底等，都給排土場滑坡留下了事故隱患。

2）未按管理規(guī)范進行排土作業(yè)。礦山應(yīng)該制定排土場排土作業(yè)管理規(guī)范，并嚴格執(zhí)行。違規(guī)進行排土作業(yè)，如在排土場一定區(qū)域中進行巖土混排，會在排土場內(nèi)部形成軟弱面，當(dāng)堆置的巖土高度過大時，可能導(dǎo)致排土場內(nèi)部滑坡。

3）排土場的排水設(shè)施不健全。地表水和大氣降水對排土場的浸潤作用是排土場滑坡事故的重要原因，可迅速降低排土場的穩(wěn)定性。排土場應(yīng)按規(guī)范修建排水設(shè)施，并保證其完整、有效。如果排土場的排水設(shè)施不健全，暴雨時會有大量地表水滲入到排土場內(nèi)部，使排土場內(nèi)部含水處于飽和或過飽和，破壞排土場的平衡狀態(tài)，很容易形成排土場內(nèi)部結(jié)構(gòu)面滑坡。

4）人為因素。我國排土場大多處于農(nóng)村地區(qū)，經(jīng)濟欠發(fā)達，村民有時在排土場的坡底和兩側(cè)采石、取土，濫采濫挖，這將破壞排土場的穩(wěn)定性。另外，在排土場附近進行爆破作業(yè)也會影響排土場的穩(wěn)定性，導(dǎo)致起排土場滑坡。

5）不可抗拒因素。人力不可抗拒因素有時也會導(dǎo)致排土場的滑坡事故，如大暴雨、地震、海嘯等。

1.2 泥石流

按照泥石流的成因，排土場泥石流可分為重力成因泥石流和水動力成因泥石流。重力成因泥石流是排土場巖土受到水的浸潤，當(dāng)達到一定含水量時便轉(zhuǎn)化為粘稠狀流體，形成泥石流。水動力成因泥石流是指水流沿陡坡地形急快速流動時，沖刷山谷地帶的排土場松散巖土而形成的泥石流。此外，由排土場的滑坡、坍塌也可以轉(zhuǎn)化為泥石流。

礦山排土場的泥石流和滑坡常常同時出現(xiàn)，相互轉(zhuǎn)化，可分為沖刷型泥石流和滑坡型泥石流。礦山排土場在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量松散巖土，是排土場泥石流災(zāi)害產(chǎn)生的基本條件。由于礦山排土場選址的原因，排土場很容易遭受洪水和暴雨的影響，引發(fā)泥石流災(zāi)害。

2 礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

通過對國內(nèi)礦山現(xiàn)場調(diào)研以及文獻分析，目前公路、大壩、尾礦庫等邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要有坡面的大地測量（經(jīng)緯儀、水準儀、測距儀等），GPS監(jiān)測，紅外遙感監(jiān)測，合成孔徑雷達干涉測量，全站儀監(jiān)測，鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓檢測儀，聲發(fā)射監(jiān)測等。

目前，我國露天礦山排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用很少，在少數(shù)幾個礦山主要采用GPS進行監(jiān)測，如紫金山金銅礦、鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司等[4-5]，監(jiān)測指標(biāo)較少，不能全面、及時反映排土場的安全狀況。露天礦山排土場滑坡監(jiān)測可參照露天礦山采場和尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)，見表1[6]。

表1 國內(nèi)主要采場邊坡及尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向是采用自動測量技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)，構(gòu)建監(jiān)測、采集、傳輸、網(wǎng)絡(luò)為一體的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種監(jiān)測設(shè)備的集中式、一體化管理，為邊坡安全狀況的現(xiàn)地監(jiān)控、異地監(jiān)視預(yù)警提供方便、快捷、高效的服務(wù)。根據(jù)我國大中型礦山排土場的實際狀況和安全監(jiān)管要求，提出以GPS監(jiān)測為主，包括固定式測斜儀、翻斗式雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒、土壤含水計、應(yīng)變計、裂縫計等儀器的綜合邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。某露天礦山排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的組成情況見表2。

表2 排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的組成

3 排土場災(zāi)害預(yù)警方法

露天礦山排土場的災(zāi)害預(yù)警是建立在礦山排土場災(zāi)害風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上，綜合考慮排土場災(zāi)害風(fēng)險評價結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測的排土場災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的變化情況，確定礦山排土場災(zāi)害預(yù)警等級。

3.1 排土場災(zāi)害預(yù)警方法的現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和文獻分析，排土場災(zāi)害預(yù)警主要針對排土場滑坡，其預(yù)警方法主要有以監(jiān)測為主的方法、以內(nèi)因分析為主的方法、以外因分析為主的方法等3類，其中每種方法下又有許多有代表性的方法。

1）以監(jiān)測為主的方法。工程實踐表明，以監(jiān)測為主的預(yù)測預(yù)報效果通常較好。例如，浙江省國土資源廳建立的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)全省1 257個雨量觀測站的日降雨量、609處滑坡和泥石流等災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、人口分布、土地利用類型等基礎(chǔ)資料，開發(fā)了集地理信息系統(tǒng)（GIS）與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）于一體的區(qū)域滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，能準確預(yù)測浙江省地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。以監(jiān)測為主的預(yù)警方法需要滿足3個基本條件：①有成熟的監(jiān)測技術(shù)并能保證監(jiān)測設(shè)備的可靠運行；②要有足夠的經(jīng)費支持建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)；③要有快速的數(shù)據(jù)分析和傳輸能力。

2）以內(nèi)因分析為主的方法。目前研究較多，有關(guān)滑坡預(yù)測預(yù)報中的大多數(shù)成果都是以內(nèi)因研究為主，但預(yù)測預(yù)報效果不很理想。該方法首先是通過現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，其次取樣在現(xiàn)場或?qū)嶒炇疫M行力學(xué)試驗建立力學(xué)模型，再進行極限平衡分析、數(shù)值分析等力學(xué)分析，最后根據(jù)分析結(jié)果建立相應(yīng)的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。以內(nèi)因分析為主的方法計算量都比較大，但預(yù)測預(yù)報的成功率并不太高。該類方法比較典型的預(yù)測方法是可拓理論，可拓理論中的動態(tài)模型能很好地擬合像滑坡這樣動態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，在邊坡穩(wěn)定性研究中已有很多成功應(yīng)用。

3）以外因分析為主的方法。該類方法具有很好的發(fā)展前景，但還需加強理論和方法的研究。例如，香港學(xué)者李焯芬等提出的滑坡預(yù)測預(yù)報方法，根據(jù)暴雨期容易引發(fā)滑坡災(zāi)害的特點，建立起基于暴雨量的預(yù)報系統(tǒng)，多次成功預(yù)報了滑坡的發(fā)生。再如，我國國土資源部地質(zhì)調(diào)查局與國家氣象中心聯(lián)合開展的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報工作，利用氣象預(yù)報分析降雨對地質(zhì)災(zāi)害的影響，在貴州省已經(jīng)取得了成功應(yīng)用。

3.2 排土場災(zāi)害預(yù)警方法的發(fā)展

排土場災(zāi)害預(yù)警方法的未來發(fā)展將立足于排土場安全監(jiān)測和安全檢查的大數(shù)據(jù)，進行智能化預(yù)警，主要發(fā)展方向有以下2個方面。

1）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，即ANN）的預(yù)警方法。ANN利用模擬生物神經(jīng)元的某些基本功能組件，即人工神經(jīng)元，按不同的聯(lián)結(jié)方式構(gòu)建起一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。其目的是模擬人類大腦的某些機能，通過事先不斷的自學(xué)習(xí)，實現(xiàn)準確預(yù)測。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要由基于BP、基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，廣泛應(yīng)用于預(yù)警指標(biāo)的評價、非線性的預(yù)警模型。ANN對數(shù)據(jù)的分布要求不高，而且具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的特點，能在礦山排土場數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)不太完整的條件下成功應(yīng)用。

2）智能預(yù)警支持系統(tǒng)（Intelligent Early Warning Support System，即IEWSS）。預(yù)警支持系統(tǒng)是決策系統(tǒng)的重要分支，隨著規(guī)則推理、模糊推理、案例推理等技術(shù)在預(yù)警領(lǐng)域的逐漸應(yīng)用，產(chǎn)生了新的知識表示和推理方法，提出了智能預(yù)警支持系統(tǒng)。IEWSS首先根據(jù)大量的案例分析得到預(yù)警對象的特征描述，建立案例庫。然后根據(jù)排土場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在案例庫中檢索相似案例，通過對比分析獲得排土場的特征信息，對排土場災(zāi)害進行預(yù)測預(yù)警。案例推理過程具有記憶性，對同一個預(yù)警問題不用重復(fù)相同的分析過程。IEWSS具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，可以進行定性、定量分析和預(yù)警。

4 結(jié)論

1）露天礦山排土場災(zāi)害主要有滑坡和泥石流，滑坡事故最為常見。排土場滑坡事故的主要原因有設(shè)計不合理、建設(shè)質(zhì)量不高、生產(chǎn)組織不規(guī)范、排水設(shè)施不健全、人為因素的影響等。

2）排土場應(yīng)建立以GPS監(jiān)測為主，包括固定式測斜儀、翻斗式雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒、土壤含水計等儀器的排土場綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

3）排土場災(zāi)害預(yù)警方法應(yīng)立足于排土場安全監(jiān)測和安全檢查，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警方法、智能預(yù)警支持系統(tǒng)等。

［1］趙洪穎.高臺階排土場安全控制技術(shù)的研究［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］王運敏，項宏海．排土場穩(wěn)定性及災(zāi)害防治［M］．北京:冶金工業(yè)出版，2011.

［3］黃錦林，趙吉國，張婷，等.基于層次分析法的庫岸高速滑坡危險度評價［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2011，20（5）：95-99.

［4］傅能武.GPS在紫金山金銅礦排土場邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：159-160.

［5］張德政，陳方明，宋鋒.排土場在線監(jiān)測與智能預(yù)測管理系統(tǒng)［C］∥第三屆全國數(shù)字礦山高新技術(shù)成果交流會論文集，2014：65-68.

［6］李青石，李庶林，陳際經(jīng)．試論尾礦庫安全監(jiān)測的現(xiàn)狀和前景［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2011，22（1）：99-106.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Application and development of disasters monitoring system and early warning methods in open-pit mine dump

XIE Zhenhua
(Department of Safety Engineering,China Institute of Industrial Relations,Beijing 100048,China)

Based on the field research and literature analysis,this article analyses the disasters types and major reasons of dump in open-pit mine,discusses the application status of disasters monitoring system and early warning methods in dump,determines the reasonable comprehensive monitoring system for dump,including GPS,stationary inclinometer,rain gauge,pore water manometer, earth pressure cell etc,and proposes the development trend of disasters early warning for dump including early warning method based on artificial neural network and intelligent early-warning support system.

mine dump;disaster monitoring;monitoring system;early warning method

TD77+1

B

1671－9816（2017）01－0083－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.023

謝振華.露天礦山排土場災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用與發(fā)展［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：83-85.

2016-07-20

貴州省科技廳項目（黔科合服企［2015］4006）

謝振華（1968—），男，博士，中國勞動關(guān)系學(xué)院安全工程系教授，研究方向為礦山安全技術(shù)、安全管理。