西藏知不拉銅多金屬礦南采區(qū)邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)研究

翟 翔 超， 陶 體 盛， 眭 龍 勝

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

西藏巨龍礦業(yè)有限公司知不拉銅多金屬露天礦位于岡底斯山脈東段郭廓拉日山區(qū)，地勢(shì)南高北低，地形切割強(qiáng)烈，礦區(qū)最高海拔5 594 m，最低海拔5 050 m，最大相對(duì)高差544 m，屬高原中高山區(qū)。水系較為發(fā)育，總體北流，屬于雅魯藏布江流域。浪母家果曲及其支流從礦區(qū)由南向北、東部流過。礦區(qū)斷層與裂隙發(fā)育，第四系強(qiáng)風(fēng)化層分布較廣。

礦區(qū)受區(qū)域性大斷裂以及多期次巖漿活動(dòng)影響，次級(jí)斷裂構(gòu)造較復(fù)雜，部分地段形成寬5～20 m不等、長(zhǎng)達(dá)1 000 m左右的斷裂破碎帶，礦區(qū)內(nèi)與成礦有關(guān)的主要斷裂包括F1、F2、F3、F8、F9和F10斷裂。在礦區(qū)碳酸鹽分布地段巖石破碎，裂隙發(fā)育，小褶曲在大理巖化灰?guī)r和矽卡巖中常見，深部在碳酸鹽巖發(fā)育地段多處遇到溶洞，溶洞深度為3～6 m，最深可達(dá)20 m。

南采區(qū)工程地質(zhì)條件為較復(fù)雜,上部為安山質(zhì)凝灰?guī)r、英安質(zhì)凝灰?guī)r的風(fēng)化層，飽和抗壓強(qiáng)度大于30 MPa,風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖石較破碎，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。開挖后圍巖可產(chǎn)生小坍塌，爆破震動(dòng)過大時(shí)易發(fā)生坍塌。下部基巖為較完整的安山質(zhì)凝灰?guī)r 、英安質(zhì)凝灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r，有少量裂隙發(fā)育，但其多閉合，裂隙組合關(guān)系不會(huì)產(chǎn)生下滑力，圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)。開挖后，長(zhǎng)時(shí)間暴露可能會(huì)局部產(chǎn)生小坍塌，但其側(cè)壁穩(wěn)定。

由前期礦區(qū)邊坡巖體穩(wěn)定性分析得知：露天采場(chǎng)大部分為山坡露天開采，設(shè)計(jì)人員結(jié)合終了境界內(nèi)平均生產(chǎn)剝采比、排土場(chǎng)位置和選廠位置，同時(shí)考慮山坡露天的特點(diǎn)設(shè)計(jì)確定的采場(chǎng)邊坡參數(shù)見表1。

表1 露天采場(chǎng)邊坡幾何特征表

*資料來源：《西藏巨龍銅業(yè)有限公司知不拉銅礦露天開采邊坡穩(wěn)定性及邊坡角優(yōu)化研究報(bào)告》。

根據(jù)前期地質(zhì)勘探工作結(jié)論，未來知不拉銅多金屬礦采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性是該礦工程地質(zhì)面臨的主要問題，邊坡巖體存在大面積崩塌、滑坡等潛在地質(zhì)災(zāi)害。為確保礦山生產(chǎn)過程中人員、設(shè)備的安全，保證露天開采邊坡的整體穩(wěn)定，同時(shí)亦為確定露天終了境界經(jīng)濟(jì)合理的剝離量以及采場(chǎng)臺(tái)階參數(shù)開展西藏知不拉銅多金屬礦采場(chǎng)高陡邊坡穩(wěn)定性綜合智能監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究迫在眉睫。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)方案

目前，知不拉銅多金屬礦南采區(qū)邊坡的最低標(biāo)高為5 120 m，靠幫邊坡高度為50～240 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，其屬于高邊坡，邊坡高度等級(jí)指數(shù)H=3，南采場(chǎng)開采過程中的邊坡角(高程5 360～5 120 m)達(dá)到52°，屬于陡坡級(jí)別，坡度等級(jí)指數(shù)A= 1；根據(jù)初步設(shè)計(jì)文件，上部圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，下部圍巖級(jí)別為Ⅱ級(jí)。因此，折中考慮地質(zhì)條件等級(jí)指數(shù)按中等G=2計(jì)算，現(xiàn)階段南采場(chǎng)邊坡的變形指數(shù)D=H+A+G=6，邊坡安全監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)。

根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范，安全監(jiān)測(cè)等級(jí)為二級(jí)的露天礦山邊坡必備監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：邊坡表面位移、爆破震動(dòng)質(zhì)點(diǎn)速度、地下水位、降雨量以及視頻監(jiān)測(cè)[1]。由于地下水位、爆破震動(dòng)監(jiān)測(cè)可由采礦場(chǎng)技術(shù)人員按規(guī)范定期采用人工監(jiān)測(cè)，因此，該方案主要側(cè)重于邊坡表面位移監(jiān)測(cè)技術(shù)方案的制定，補(bǔ)充降雨量監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)測(cè)。因此，南采場(chǎng)邊坡安全監(jiān)測(cè)預(yù)警以邊坡表面變形(位移)監(jiān)測(cè)為主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容，同時(shí)，結(jié)合爆破震動(dòng)、地下水位、降雨量、采場(chǎng)視頻監(jiān)控等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合分析采場(chǎng)邊坡的安全狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)警，需要在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)的同時(shí)，研究邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警判例的確定方法和預(yù)警初值，為邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考閾值；然后，通過邊坡的過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)邊坡水文地質(zhì)資料等進(jìn)行綜合分析，分級(jí)分區(qū)逐步確定和完善邊坡的生產(chǎn)過程預(yù)警閾值，真正實(shí)現(xiàn)邊坡安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。因此，邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)包括邊坡預(yù)警模型研究和初值的確定、邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)施的實(shí)施和邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后期運(yùn)行數(shù)據(jù)和邊坡穩(wěn)定性分析等內(nèi)容。

3 邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的比選

分析得知：目前國內(nèi)外高邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用較為廣泛和成熟的地表變形(位移)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有GNSS技術(shù)[2]、智能全站儀技術(shù)[3]、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量(InSAR)技術(shù)[4]、真實(shí)孔徑監(jiān)測(cè)雷達(dá)技術(shù)[5]、三維激光掃描技術(shù)、光纖分布式測(cè)量技術(shù)和靜力水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)等。其技術(shù)特性對(duì)比情況見表2。

表2 監(jiān)測(cè)技術(shù)特性對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)對(duì)表2中的各種監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析得知最適合知不拉銅多金屬礦采場(chǎng)邊坡表面位移監(jiān)測(cè)的方案應(yīng)以地基合成孔徑邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)[6]作為邊坡位移監(jiān)測(cè)的主體，配合雨量計(jì)、地下水位、視頻等輔助監(jiān)測(cè)手段，對(duì)采場(chǎng)邊坡進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)。邊坡雷達(dá)采用國產(chǎn)設(shè)備可以大幅度降低投入，而且其后期維護(hù)和技術(shù)分析有保證。筆者對(duì)其進(jìn)行了闡述。

4 合成孔徑邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)

由于南采場(chǎng)區(qū)域較小，可在合適位置僅設(shè)一個(gè)固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建設(shè)合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)房等防護(hù)設(shè)施。根據(jù)雷達(dá)設(shè)備的視場(chǎng)角劃定雷達(dá)設(shè)備的安裝位置及可覆蓋的區(qū)域面積，基本覆蓋整個(gè)采場(chǎng)邊坡的表面位移監(jiān)測(cè)區(qū)域。具體實(shí)施時(shí)，先使用三維激光掃描儀對(duì)前期觀測(cè)確定的重點(diǎn)部位進(jìn)行三維地理信息建模，再有針對(duì)性地部署邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)，通過比較雷達(dá)獲取的邊坡位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并將其疊加在邊坡三維模型上形成的時(shí)移變化圖，快速、直觀、準(zhǔn)確地圈定位移趨勢(shì)異常區(qū)域，最大限度地發(fā)揮先進(jìn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)功效；對(duì)于同一時(shí)刻暫無雷達(dá)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的區(qū)域，可使用其他監(jiān)測(cè)技術(shù)及人工巡測(cè)等手段對(duì)邊坡分區(qū)塊進(jìn)行移動(dòng)巡測(cè)，發(fā)現(xiàn)有明顯位移趨勢(shì)的區(qū)域時(shí)，再部署邊坡雷達(dá)進(jìn)行高精度持續(xù)監(jiān)測(cè)。采用該策略，一方面提高了設(shè)備利用率，另一方面發(fā)揮了不同技術(shù)手段在監(jiān)測(cè)精度、適用范圍等方面的技術(shù)特長(zhǎng)，從而實(shí)施分級(jí)監(jiān)測(cè)。

從系統(tǒng)功能角度出發(fā)，邊坡雷達(dá)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖1。

圖1 邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

智能雷達(dá)的數(shù)據(jù)分析需要將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)域與DTM數(shù)據(jù)疊加匹配分析(圖2)，并應(yīng)排除掃描區(qū)和雷達(dá)之間大氣溫濕度等的影響，找出真正的變形、速度曲線并設(shè)置報(bào)警，最后預(yù)測(cè)滑坡時(shí)間。

圖2 地基合成孔徑監(jiān)測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)與DTM數(shù)據(jù)疊加匹配分析圖

合成孔徑邊坡雷達(dá)基于圖像數(shù)據(jù)快速匹配技術(shù)，可以方便、快速地將不同時(shí)間段對(duì)同一邊坡監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，可以方便地對(duì)同一邊坡在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間進(jìn)行不連續(xù)的監(jiān)測(cè)。通過獲取多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析以提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，這種綜合分析可以是兩種數(shù)據(jù)的綜合分析，也可以是多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合對(duì)比分析。這種分析是在各種單項(xiàng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。其中，各種單項(xiàng)分析技術(shù)內(nèi)容包括：在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、爆破振動(dòng)測(cè)試分析、其他人工監(jiān)測(cè)信息等。

通過分析處理智能雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)，做出邊坡巖體位移、速度曲線，通過日常管理經(jīng)驗(yàn)和軟件分析推薦值在軟件中設(shè)置合理的報(bào)警閾值，以達(dá)到邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的效果。

該方案實(shí)施時(shí)，結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn)，制定出了不同工況下應(yīng)用邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)指導(dǎo)安全生產(chǎn)的具體操作方式，以及對(duì)應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書和應(yīng)急預(yù)案手冊(cè)，邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)的使用能夠增強(qiáng)在邊坡危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)人員應(yīng)對(duì)邊坡滑坡垮塌事故的信心，提高采礦作業(yè)的精細(xì)控制水平，保障作業(yè)人員和裝備安全。

5 結(jié) 語

通過安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究和建設(shè)，確定了采場(chǎng)邊坡預(yù)警策略，實(shí)現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取了邊坡潛在滑坡風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)預(yù)警，可以預(yù)防采場(chǎng)邊坡坍塌安全事故，避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，保障礦山安全生產(chǎn)，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。