智能化安全評估與監(jiān)測技術(shù)在上房溝鉬礦的應(yīng)用實踐

肖春營，張 達，盧長偉，王利崗

(1.洛陽富川礦業(yè)有限公司，河南 欒川 471599；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

礦產(chǎn)資源是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，是中華民族偉大復(fù)興的重要戰(zhàn)略支撐。露天開采因其高效率、低成本、高安全性等特點，一直是我國非煤礦山首選的，也是最為普遍采用的開采方式。截至2020年底，我國共有非煤礦山3.2萬余座，其中露天礦山數(shù)量高達2.4萬余座。然而，隨著我國地表優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源的多年粗放型高強度開采，露天礦山的礦巖條件日趨復(fù)雜，開采深度逐年增加，邊坡高度和傾角日益提高，導(dǎo)致邊坡滑移、垮塌等巖土災(zāi)害頻發(fā)，嚴重制約了礦山的開采作業(yè)安全，成為限制礦山未來可持續(xù)發(fā)展的瓶頸難題。與2015年相比，我國2020年非煤礦山安全生產(chǎn)事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別下降28.2%和39.2%，總體趨勢向好。然而，進入2021年以來，非煤礦山連續(xù)出現(xiàn)多起安全生產(chǎn)事故，造成極為惡劣的影響，再一次為礦山的安全管控問題敲響了警鐘[1-3]。

對非煤露天礦山而言，邊坡垮塌事故致死人數(shù)一直居露天礦山安全事故致死人數(shù)之首。為此，近年來，我國出臺了一系列的法律法規(guī)以保障邊坡生產(chǎn)作業(yè)安全。2016年，應(yīng)急管理部印發(fā)了《非煤礦山領(lǐng)域遏制重特大事故工作方案的通知(安監(jiān)總管—[2016]60號)》，要求邊坡高度200 m以上的露天礦山高陡邊坡、堆置高度200 m以上的排土場，必須進行在線監(jiān)測，并定期開展穩(wěn)定性專項分析。2017年，應(yīng)急管理部印發(fā)了《金屬非金屬礦山重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標準(試行)》的通知(安監(jiān)總管—[2017]98號)，將未按國家標準或行業(yè)標準對采場邊坡、排土場穩(wěn)定性進行評估，高度200 m及以上的邊坡或排土場未進行在線監(jiān)測或運行不正常等情況視為重大生產(chǎn)安全隱患，限期進行停產(chǎn)整改。2018年，應(yīng)急管理部發(fā)布了《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，進一步細化明確了采場邊坡監(jiān)測和風(fēng)險評估的具體技術(shù)要求及工程實施細則。

本文基于洛陽富川礦業(yè)有限公司上房溝鉬礦開采過程中的邊坡安全管控實踐，系統(tǒng)開展了露天礦山邊坡穩(wěn)定性評估和在線監(jiān)測技術(shù)研究，并建成了具備高可靠性、高擴展性和高智能性的邊坡在線綜合監(jiān)測平臺，為礦山安全生產(chǎn)提供了必要的安全保障。

1 上房溝鉬礦基本情況

洛陽富川礦業(yè)有限公司上房溝鉬礦是亞洲最大的鉬礦床——欒川鉬礦床的一部分，采用露天開采，礦區(qū)面積為1.2073 km2，開采標高為+1 520～+1 154 m，礦山生產(chǎn)規(guī)模為165.00×104t/a。礦山為地下轉(zhuǎn)露天開采，1987年主平硐開始掘進，1988年河南省計委批復(fù)1 000 t/d采選工程項目，1993年地下開采投產(chǎn)，1996年開始露天基建，形成露天和地下聯(lián)合開采，至2004年底露采形成1 000 t/d生產(chǎn)能力，由于礦巖穩(wěn)固性差，地下開采于2004年底全部停止并轉(zhuǎn)為露天開采，至2007年形成了5 000 t/d的露天采礦能力。目前，上房溝鉬礦共設(shè)置1個露天采場、5個廢石場、1個工業(yè)場地。其中露天采場以縱8線為界，分東、西兩部分，縱8線以東為東部采區(qū)，縱8線以西為西部采區(qū)。

2 上房溝鉬礦邊坡穩(wěn)定性評估

2.1 邊坡現(xiàn)狀分析

上房溝鉬礦采場邊坡在開采過程中存在較大的安全隱患。一方面，局部地段受構(gòu)造影響，巖石較破碎，且邊坡巖體局部節(jié)理裂隙發(fā)育，開采中或開采后可能形成大的邊坡危險巖體，爆破振動擾動下周圍巖土體應(yīng)力場隨之遭受累進性破壞，導(dǎo)致巖土體變形而產(chǎn)生崩塌。另一方面，開采中或開采后形成了高陡露天邊坡，由于礦山開采過程中爆破振動，周圍巖土體應(yīng)力場隨之遭受累進性破壞，特別是坡腳遭受切割，又沒有防護措施，在暴雨或人為活動的影響下，可能發(fā)生滑坡或滑塌災(zāi)害事故。同時，土石方開挖致使形成的露天邊坡角度遠大于地形坡度，開采設(shè)計的邊坡參數(shù)為臺階坡面角70°，最終邊坡角45°，可能造成臺階巖石的崩塌，遇弱面可能造成邊坡滑坡。此外，由于露天采場范圍內(nèi)存在大量的地下開采采空區(qū)，礦山開采過程中，在爆破振動影響下，也可能造成采場塌陷和影響邊坡穩(wěn)定。通過現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)，采場邊坡坡面上局部地段堆積有大量廢石，如圖1所示。在暴雨或爆破振動的影響下，易發(fā)滾石傷人事故或泥石流。

圖1 上房溝鉬礦采場邊坡現(xiàn)狀圖Fig.1 Open-pit slop of Shangfanggou Molybdenum Mine

針對上述邊坡風(fēng)險，本文采用現(xiàn)場調(diào)研、工程地質(zhì)踏勘、極限平衡法及理論分析等研究方法，綜合分析了上房溝鉬礦邊坡的穩(wěn)定性，具體評估流程主要包括現(xiàn)場調(diào)研、工程地質(zhì)踏勘、極限平衡分析、理論分析等環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 上房溝鉬礦采場邊坡穩(wěn)定性評估流程Fig.2 Open-slope stability evaluation of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)現(xiàn)場調(diào)研

通過現(xiàn)場調(diào)研，詳細分析上房溝鉬礦的開采現(xiàn)狀，收集相關(guān)資料及以往的研究成果。

2)工程地質(zhì)踏勘

對上房溝鉬礦地質(zhì)背景及現(xiàn)狀邊坡工程地質(zhì)特征進行分析，結(jié)合以往的勘探成果，初步判定邊坡的潛在滑坡模式，確定巖土體物理力學(xué)指標，為邊坡穩(wěn)定性分析計算提供依據(jù)。

3)極限平衡分析

迄今為止，在邊坡穩(wěn)定性分析中，極限平衡法以其概念清晰、計算簡單、工程資料豐富應(yīng)用最為廣泛。常用的極限平衡分析方法有瑞典條分法(或Fellenius法)、簡化Bishop(畢肖普)法、Janbu(簡布)簡化法、Spencer(斯賓塞)法、Morgenstern-price法和陸軍工程師法等[4-6]。其中，Bishop法適合于圓弧滑動，考慮到上房溝鉬礦采場的邊坡工程地質(zhì)條件，擬基于該算法，利用GeoStudio極限平衡分析軟件，對邊坡的穩(wěn)定性進行計算和分析。

4)理論分析

通過查閱資料，歸納總結(jié)分析露天礦山采場邊坡風(fēng)險，并結(jié)合上房溝鉬礦實際情況，制定有針對性的邊坡災(zāi)害防控措施，為邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

在開展邊坡穩(wěn)定性分析過程中，結(jié)合現(xiàn)場邊坡開挖現(xiàn)狀，將邊坡臺階+1 380 m水平以上劃為Ⅰ臺階段，臺階+1 380～+1 335 m水平劃為Ⅱ臺階段，臺階+1 335～+1 290 m水平劃為Ⅲ臺階段，并建立邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型，如圖3所示。

圖3 采場邊坡分階段穩(wěn)定性計算模型Fig.3 Slop stability calculation model and stages classification

本文計算了上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡不同臺階區(qū)段在三種荷載組合下的穩(wěn)定安全系數(shù)，如圖4所示?；谶吰路€(wěn)定性評估結(jié)果，再結(jié)合人工現(xiàn)場勘測和核查，可以得出結(jié)果如下：

圖4 上房溝鉬礦采場邊坡穩(wěn)定性評估結(jié)果Fig.4 Open-slope stability evaluation output of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)采場南部邊坡Ⅰ臺階段(+1 380 m水平以上)坡面陡，坡面角最大為75°，最終邊坡角為56°，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，且大部分節(jié)理面與邊坡順層，在三種荷載組合下的穩(wěn)定安全系數(shù)計算值都小于安全儲備系數(shù)1.3，屬于不穩(wěn)定坡體。采場南部邊坡Ⅱ臺階段(+1 380～+1 335 m水平)坡面較緩，且已形成正規(guī)臺階，在三種荷載組合下的穩(wěn)定安全系數(shù)計算值都大于1.3。由于上房溝鉬礦采礦作業(yè)主要集中在采場南部邊坡Ⅲ臺階段(+1 335～+1 290 m水平)范圍內(nèi)，工作幫邊坡居多，采場底部因頂板剝離后礦體賦存高低不平，局部開采臺階高度與正常采礦臺階高度為15 m不盡一致，且臺階局部坡面較陡。從穩(wěn)定性計算結(jié)果可以看出，在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.3，其他兩種荷載組合工況穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3，說明該邊坡臺階區(qū)段總體較穩(wěn)定，但存在一定垮塌風(fēng)險。

2)采場東部邊坡由于坡度較緩，只有Ⅱ臺階段(+1 395～+1 335 m水平)在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩(wěn)定安全系數(shù)小于1.3，其他邊坡臺階區(qū)段的穩(wěn)定安全系數(shù)都大于1.3，邊坡總體穩(wěn)定性較好。然而，采場東部邊坡巖體比較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，其邊坡穩(wěn)定性更容易受到爆破振動、地震動或其他外力的影響，+1 335 m水平以上(除了Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況)的計算結(jié)果也是稍微高于安全儲備系數(shù)，存在一定風(fēng)險隱患。

3 上房溝鉬礦邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 監(jiān)測措施的選擇及布點設(shè)計

本文總體上基于點監(jiān)測與區(qū)域監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合、高距離分辨率和高平面分辨率監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的原則進行邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)化構(gòu)建。基于上房溝鉬礦的采場邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果，需要重點針對采場南部邊坡開展安全監(jiān)測，適當(dāng)兼顧東部邊坡[7-9]。

依據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，上房溝鉬礦采場南部邊坡的安全監(jiān)測等級為一級，應(yīng)設(shè)置的監(jiān)測項包括：邊坡表面位移、內(nèi)部位移監(jiān)測、爆破震動監(jiān)測、地下水監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、視頻監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖5所示。

圖5 露天邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點布置Fig.5 Open-pit slope safety monitoring point layout

本項目采用了加拿大Optech公司的Polaris型三維激光掃描儀對邊坡進行實時的高空間分辨率三維掃描，并通過相鄰兩次掃描數(shù)據(jù)的對比，實現(xiàn)對于邊坡表面位移的動態(tài)監(jiān)測。在邊坡北西側(cè)邊坡頂部穩(wěn)定區(qū)域建設(shè)監(jiān)測房，將三維激光掃描儀置于監(jiān)測房內(nèi)，從而實現(xiàn)對南部邊坡和東南部邊坡的在線監(jiān)測，三維激光掃描儀及其在監(jiān)測房內(nèi)的運轉(zhuǎn)情況如圖6(a)所示，掃描得到的邊坡位移監(jiān)測結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 露天邊坡三維激光掃描系統(tǒng)及監(jiān)測結(jié)果Fig.6 3D laser scanner and the displacement output

考慮到在長時間強降雨、大霧等極端天氣條件下，三維激光掃描測量系統(tǒng)可能會因激光受到干擾而導(dǎo)致監(jiān)測失效，本項目還采用了華測H3型GNSS接收機作為補充，可以與三維激光掃描監(jiān)測數(shù)據(jù)相互融合，共在南部邊坡和東部邊坡布置了3個剖面7個監(jiān)測點，其中在1380平臺設(shè)置監(jiān)測點4個，在1410平臺設(shè)置監(jiān)測點3個。另外，在北西側(cè)邊幫頂部、三維激光掃描儀監(jiān)測站外側(cè)、碎礦車間外側(cè)卸礦點旁還設(shè)置了3個GNSS基準點。監(jiān)測點和基準點的監(jiān)測設(shè)備均采用一體化監(jiān)測站，通過太陽能供電，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G全網(wǎng)通模塊加物聯(lián)網(wǎng)卡的方式匯聚到礦山智能調(diào)度中心，如圖7(a)所示。

圖7 露天邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)一體化監(jiān)測站Fig.7 Integrated monitoring station of open-pit slope safety monitoring system

邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測采用固定式測斜儀，在1365平臺設(shè)置兩個監(jiān)測孔，每個監(jiān)測孔深100 m，孔內(nèi)設(shè)三支測斜儀。地下水監(jiān)測采用投入式壓電水位計，在1365平臺設(shè)置3個監(jiān)測孔，每個監(jiān)測孔深50 m，孔內(nèi)設(shè)一支水位計。這些監(jiān)測項均采用一體化監(jiān)測站，通過太陽能供電，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過4G全網(wǎng)通模塊加物聯(lián)網(wǎng)卡的方式匯聚到礦山智能調(diào)度中心，如圖7(b)所示。

雨量監(jiān)測采用翻斗式雨量計，設(shè)置在1365平臺中部，供電通信方式與內(nèi)部位移監(jiān)測、地下水監(jiān)測相同。爆破振動監(jiān)測采用網(wǎng)絡(luò)型爆破振動測試儀，在1365平臺、1380平臺、1410平臺中部各設(shè)一臺，數(shù)據(jù)直接通過無線發(fā)送至礦山智能調(diào)度中心。視頻監(jiān)測點分布于采場周邊，可從各角度覆蓋邊坡主要區(qū)域開展全天候監(jiān)控。

3.2 露天邊坡在線監(jiān)測平臺建設(shè)

為保障邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和預(yù)警有效性，本文提出了公有云和本地私有云相結(jié)合的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺架構(gòu)。三維激光掃描儀、表面位移監(jiān)測GNSS、地下水位監(jiān)測、降雨量監(jiān)測、爆破震動監(jiān)測和視頻監(jiān)測均采用物聯(lián)網(wǎng)方式實現(xiàn)接入，通過太陽能供電和無線通信，將數(shù)據(jù)經(jīng)由無線基站發(fā)送至位于礦山調(diào)度中心的綜合監(jiān)測服務(wù)器，在礦山本地的私有云平臺上完成數(shù)據(jù)采集、存儲、大屏幕展示和分析預(yù)警，如圖8所示。另外，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)和安全專線，同步至位于公有云的礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺，享受功能更加豐富的數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)運維服務(wù)，如圖9(a)所示。

圖8 露天邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.8 Network topology of open-pit slope safety monitoring system

本文結(jié)合上房溝鉬礦邊坡安全管理需求，建立了在線監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)報表、分析報告、預(yù)警信息等模板庫，實現(xiàn)了異地數(shù)據(jù)同步與前臺應(yīng)用開發(fā)，完成了分析-統(tǒng)計-報表-報告-預(yù)警過程的在線發(fā)布，使得礦山管理人員能夠快速獲得第一手數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)三維發(fā)布和分析結(jié)果進行綜合分析，如圖9(b)所示。

圖9 礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺Fig.9 Cloud platform of mine safety monitoring and analysis

礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺可實現(xiàn)對露天礦山生產(chǎn)過程中邊坡實時狀態(tài)的在線監(jiān)測與風(fēng)險評估，一旦邊坡出現(xiàn)異常情況，在線監(jiān)測系統(tǒng)立即進行聯(lián)動報警，保障礦山的生產(chǎn)作業(yè)安全。同時，該平臺還通過故障自診斷技術(shù)對在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時“體檢”，大幅提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，通過及時排查系統(tǒng)故障和處置潛在隱患，確保邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。

4 結(jié)論

針對我國露天開采礦山日益頻發(fā)的因礦巖條件日趨復(fù)雜、開采深度逐年增加、邊坡高度和傾角日益提高所導(dǎo)致的邊坡滑移、垮塌等巖土災(zāi)害，基于洛陽富川礦業(yè)有限公司上房溝鉬礦開采過程中的邊坡安全管控實踐，開展了露天礦山邊坡穩(wěn)定性評估，基于評估結(jié)果有針對性地制定了邊坡的在線監(jiān)測方案，并建成了具備高可靠性、高擴展性和高智能性的邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)及礦山安全監(jiān)測分析云服務(wù)平臺?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運行可靠、預(yù)警有效，保障了上房溝鉬礦的生產(chǎn)作業(yè)安全，也為我國同類露天礦山的安全管控提供了有益參考。