非煤礦山露天開采邊坡安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究

熊贊民, 習(xí) 泳, 孫家駒, 王恒濤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

近年來,隨著砂石骨料等建材市場(chǎng)的發(fā)展,更多的露采礦山進(jìn)入建設(shè)實(shí)施階段;另一方面,隨著現(xiàn)有的金屬露天礦山開采延續(xù), 邊坡高度逐年加大, 進(jìn)而形成深凹露天邊坡, 安全風(fēng)險(xiǎn)越來越高。露天開采需要對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)[1-2],開采過程中,通過邊坡監(jiān)測(cè),獲取邊坡的變形參數(shù),實(shí)現(xiàn)滑坡預(yù)報(bào),關(guān)鍵特征參量數(shù)據(jù)是預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)保障[3],是保證礦山安全生產(chǎn)的重要抓手,通過邊坡安全監(jiān)測(cè),建立邊坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)滑坡風(fēng)險(xiǎn),降低事故率,對(duì)露天開采礦山的安全高效發(fā)展具有重要意義。

隨著遙感和遙測(cè)技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、各類航空遙感解譯技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、雷達(dá)差分干涉測(cè)量(D—InSAR)等智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)已在一些礦山得到廣泛應(yīng)用,各類監(jiān)測(cè)技術(shù)也在滑坡特定參量監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要作用[4-8]。

對(duì)于非煤露天開采邊坡,在相關(guān)技術(shù)規(guī)范里,均涉及到監(jiān)測(cè)內(nèi)容[9-10],但對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的要求不盡相同,執(zhí)行起來有諸多不便;在邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警值方面,沒有明確的規(guī)定;在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成方面,如何合理運(yùn)用這些先進(jìn)監(jiān)測(cè)手段,恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),也是迫切需要解決的問題。

本文綜合考慮有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,確定邊坡的監(jiān)測(cè)內(nèi)容;通過跟蹤露天礦邊坡多源多場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)主流的“空-天-地”一體化監(jiān)測(cè)技術(shù),優(yōu)選適合礦山露天開采安全經(jīng)濟(jì)的監(jiān)測(cè)方法;由近年來一些露天開采滑坡的實(shí)際監(jiān)測(cè)案例,給出了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)邊坡預(yù)警值,提出四級(jí)預(yù)警及安全控制措施,進(jìn)而建立滑坡地質(zhì)災(zāi)害安全預(yù)警系統(tǒng),形成經(jīng)濟(jì)、有效的監(jiān)測(cè)體系。

研究從邊坡監(jiān)測(cè)的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā),形成了多源數(shù)據(jù)融合的露天開采邊坡安全監(jiān)測(cè)整套設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)露天開采進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào),保證礦山安全生產(chǎn)。

2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容確定

露天開采邊坡監(jiān)測(cè)一般包括變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)。

邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(下簡稱非煤規(guī)范)《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(下簡稱高陡規(guī)范),針對(duì)露天采場(chǎng)到達(dá)最終設(shè)計(jì)開采境界位置時(shí)的邊坡高度和邊坡角,確定安全等級(jí)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容。據(jù)高陡規(guī)范,高陡邊坡是指露天開采高度或坡度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定界限值以上的邊坡,200 m以上(含200 m)的為高邊坡,坡度大于42°(含42°)的為陡坡。

高陡邊坡對(duì)邊坡高度或總邊坡角度有限值要求,超過后才適用,因此在監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先進(jìn)行判定。滿足非煤規(guī)范的前提下,如邊坡滿足高或者陡的規(guī)定,則需要同時(shí)滿足兩項(xiàng)規(guī)范的要求。

2.1 邊坡安全監(jiān)測(cè)等級(jí)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定“露天礦靠幫邊坡必須進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),邊坡監(jiān)測(cè)的內(nèi)容和方法應(yīng)根據(jù)邊坡安全等級(jí)確定”。邊坡工程安全等級(jí)由邊坡高度和邊坡危害等級(jí)兩項(xiàng)指標(biāo)來確定,分為三級(jí)。根據(jù)邊坡工程安全等級(jí)確定監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

根據(jù)高陡規(guī)范規(guī)定“露天礦山采場(chǎng)應(yīng)結(jié)合邊坡分區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等級(jí)要求,對(duì)邊坡變形,采動(dòng)應(yīng)力、爆破震動(dòng)、水文氣象和場(chǎng)內(nèi)視頻進(jìn)行監(jiān)測(cè)”。露天礦山采場(chǎng)邊坡依據(jù)高度、坡度、地質(zhì)條件、穩(wěn)定性等指標(biāo)確定不同采場(chǎng)邊坡安全監(jiān)測(cè)等級(jí),監(jiān)測(cè)等級(jí)分為四級(jí)。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

根據(jù)邊坡的等級(jí)確定的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,如兩個(gè)規(guī)范中任一規(guī)定為應(yīng)測(cè),則按應(yīng)測(cè)項(xiàng)執(zhí)行。監(jiān)測(cè)項(xiàng)見表1。

表1 根據(jù)規(guī)范確定的邊坡安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

由于金屬非金屬露天開采礦山總邊坡角度基本都大于42°,因此監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮兩種規(guī)范均適用的情況,根據(jù)表內(nèi)要求的內(nèi)容,選擇適宜的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

表中,變形監(jiān)測(cè)、降雨量和視頻監(jiān)控是必測(cè)項(xiàng),這三項(xiàng)是基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)項(xiàng)。一、二級(jí)邊坡需進(jìn)行邊坡應(yīng)力監(jiān)測(cè),由于露天開采邊坡按坡率法設(shè)計(jì),一般無支護(hù)結(jié)構(gòu),因此設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)。另根據(jù)國家安監(jiān)局的要求,現(xiàn)狀高度200 m及以上的邊坡,應(yīng)當(dāng)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

注:實(shí)際應(yīng)用時(shí)注意兩本規(guī)范并非每級(jí)都對(duì)應(yīng),但均需設(shè)置滿足各規(guī)范等級(jí)要求的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。表中列出了等級(jí)相同時(shí)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。表中a、b、c為高陡邊坡分別滿足裂縫條件、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)時(shí)由可測(cè)調(diào)整為應(yīng)測(cè)項(xiàng)。

3 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警值

3.1 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)表征

各等級(jí)邊坡均需設(shè)置變形監(jiān)測(cè)。由于變形監(jiān)測(cè)快速和便利,并具有直觀性、準(zhǔn)確性,是邊坡監(jiān)測(cè)中的最主要內(nèi)容。因此,選取邊坡向臨空側(cè)的表面水平位移來表征邊坡穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)邊坡出現(xiàn)裂縫后,同步對(duì)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè),分析變形值和裂縫參數(shù),共同判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)于露采邊坡,其變形發(fā)展可分為初始變形階段、勻速變形階段、加速變形階段(該階段又分為加速變形的初期、中期和后期),對(duì)應(yīng)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)、次穩(wěn)狀態(tài)、臨滑狀態(tài)和起滑狀態(tài),最終形成滑坡。邊坡變形階段如圖1所示。

圖1 邊坡變形各階段圖

3.2 邊坡表面水平位移閾值

需確定與變形量相匹配的預(yù)警判據(jù),采用巡視檢查與儀器檢測(cè)相結(jié)合的方法,及時(shí)檢測(cè)并掌握邊坡穩(wěn)定性情況,監(jiān)測(cè)工作貫穿全程。相關(guān)文獻(xiàn)提出了一些邊坡破壞前變形速率統(tǒng)計(jì)[11],具體見表2。

表2 邊坡破壞前變形速率統(tǒng)計(jì)表

相關(guān)文獻(xiàn)提出了一些邊坡滑坡變形加速度臨滑預(yù)警指標(biāo)[12],具體見表3。

表3 加速度臨滑統(tǒng)計(jì)表

在露天開采邊坡監(jiān)測(cè)方面,南芬鐵礦進(jìn)行監(jiān)測(cè),基于內(nèi)部應(yīng)力的攝動(dòng)力監(jiān)測(cè)對(duì)南芬露天鐵礦下盤邊坡滑體進(jìn)行邊坡預(yù)警,應(yīng)用南芬多源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)南芬2016滑坡進(jìn)行了預(yù)警,相關(guān)文獻(xiàn)根據(jù)安家?guī)X4.2 mm/d,大冶4.0 mm/d,確定大孤山楔形滑坡紅色預(yù)警值為4.0 mm/d。

根據(jù)《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)》,不同類型、不同性質(zhì)、不同特點(diǎn)的露天邊坡滑坡,在滑動(dòng)之前,均會(huì)表現(xiàn)出不同的異常(滑移)現(xiàn)象顯示出滑坡的預(yù)兆(前兆),發(fā)生下列情況均可認(rèn)為邊坡存在滑移現(xiàn)象。

(1)邊坡出現(xiàn)橫向及縱向放射狀裂縫。

(2)坡體前緣坡腳處,出現(xiàn)上隆(凸起)現(xiàn)象,后緣的裂縫急劇擴(kuò)展。

(3)位移觀測(cè)資料顯示的水平位移量或垂直位移量出現(xiàn)加速變化的趨勢(shì)。

邊坡存在滑移現(xiàn)象的,即為重大生產(chǎn)安全事故隱患。

根據(jù)已經(jīng)使用的滑坡變形預(yù)警判據(jù)和滑坡預(yù)警研究資料可知,滑坡變形不存在統(tǒng)一的預(yù)警指標(biāo),在滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)把握其時(shí)間演化規(guī)律,根據(jù)監(jiān)測(cè)曲線準(zhǔn)確地判斷邊坡所處的變形演化階段,借鑒已有的滑坡變形速率,將時(shí)間演化規(guī)律和滑坡地表裂縫的空間分布特征有機(jī)結(jié)合,綜合分析,并據(jù)此采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)策略和措施。

本文綜合分析上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),將邊坡啟滑時(shí)的水平變形閾值設(shè)定為:邊坡水平變形累計(jì)8 cm、水平變形速率4 mm/d。

目前相關(guān)規(guī)范中尚無邊坡變形的閾值規(guī)定值,因此在基建和生產(chǎn)中,需根據(jù)邊坡實(shí)際監(jiān)測(cè)和分析情況,對(duì)此閾值進(jìn)行調(diào)整。

3.3 邊坡預(yù)警值和四級(jí)預(yù)警級(jí)別設(shè)定

邊坡預(yù)警采用四級(jí):一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí),分別用紅色、橙色、黃色和藍(lán)色表示,一級(jí)為最高級(jí)別。邊坡預(yù)警值和四級(jí)預(yù)警級(jí)別見表4。

表4 邊坡預(yù)警值和四級(jí)預(yù)警級(jí)別表

4 監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

4.1 監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

目前露天開采監(jiān)測(cè)逐漸走向智能化,現(xiàn)已發(fā)展到天-空-地-內(nèi)多平臺(tái)多模式協(xié)同觀測(cè)階段,主要的監(jiān)測(cè)手段有:

(1)“天域”衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù):“天域”衛(wèi)星平臺(tái)識(shí)別技術(shù)包括新型識(shí)別技術(shù)和常規(guī)識(shí)別技術(shù),常規(guī)識(shí)別技術(shù)主要為衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)(低分辨率),新型識(shí)別技術(shù)包括高分衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、高分衛(wèi)星InSAR形變監(jiān)測(cè)技術(shù)、衛(wèi)星熱紅外遙感地?zé)岙惓ＷR(shí)別技術(shù)及多光譜、高光譜衛(wèi)星巖性識(shí)別技術(shù)等。

(2)“空域”航空平臺(tái)技術(shù):“空域”航空平臺(tái)識(shí)別技術(shù)包括各類航空遙感解譯技術(shù)(低分辨率),無人機(jī)(機(jī)載LiDAR)識(shí)別技術(shù)。

(3)“地域”地面平臺(tái)技術(shù): “地域”地面平臺(tái)識(shí)別技術(shù)包括常規(guī)地面地質(zhì)調(diào)繪、觀測(cè)與測(cè)試等,新型識(shí)別技術(shù)包括地面三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning,TLS)、導(dǎo)航衛(wèi)星GNSS在線監(jiān)測(cè)技術(shù)、雷達(dá)衛(wèi)星D-InSAR監(jiān)測(cè)技術(shù)等。

4.2 全天候監(jiān)測(cè)體系

1)室外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng):力學(xué)傳感器、力學(xué)信號(hào)采集一發(fā)射裝置、線·面狀災(zāi)害信息集中采集和傳輸設(shè)備、衛(wèi)星發(fā)射一體機(jī)等。

變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng):GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含接收機(jī)、供電及數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理軟件、防雷四個(gè)部分組成,該監(jiān)測(cè)供電一般采用外接太陽能電池進(jìn)行供電、數(shù)據(jù)通訊采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)法是一種非接觸面狀監(jiān)測(cè)手段?；谖⒉ㄟb感技術(shù)和干涉測(cè)量技術(shù),對(duì)整個(gè)坡面實(shí)現(xiàn)高分辨的全覆蓋,同時(shí)微波具有較強(qiáng)的穿透性,能夠在各種極端天氣下獲取到有效數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星通訊系統(tǒng)必須安裝在與監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視條件良好的地方,保證每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)．面狀災(zāi)害信息集中采集與傳輸節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星機(jī)距離適中,并且兩點(diǎn)之間必須通視。

2)室內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

室內(nèi)設(shè)備主要有:信號(hào)接收器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)以及一些輔助分析軟件。構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過邊坡測(cè)量數(shù)據(jù),分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

開始掃描監(jiān)測(cè)之后,雷達(dá)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳輸?shù)较到y(tǒng)軟件中,可實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)區(qū)域中各個(gè)位置或者區(qū)域的位移變化,根據(jù)實(shí)際情況選取監(jiān)測(cè)區(qū)域,可設(shè)置不同層級(jí)限差,根據(jù)設(shè)定的閾值,進(jìn)行不同階段預(yù)警,超出限差后可通過郵件、電腦彈屏、聲音等多種形式報(bào)警。

4.3 安全監(jiān)測(cè)設(shè)備選用

常用的監(jiān)測(cè)設(shè)備見表5。

4.4 安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)前述研究,露天采場(chǎng)的邊坡安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案如下:

(1)表面位移監(jiān)測(cè)(基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目):邊坡表面位移監(jiān)測(cè)采用GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè),具有全天候、全時(shí)段測(cè)量的特點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè),滿足高陡邊坡監(jiān)測(cè)要求。

邊坡雷達(dá)布設(shè)應(yīng)能對(duì)陡幫開采邊坡面進(jìn)行全方位監(jiān)測(cè),一般設(shè)置1臺(tái)即可。

沿陡幫邊坡開挖面豎向線性布置,應(yīng)布置3～4條剖面線。

(2)邊坡深部位移監(jiān)測(cè):按照規(guī)范要求,對(duì)采場(chǎng)邊坡深部位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè):按照規(guī)范要求,布置邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

(4)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè):按照規(guī)范要求,礦山在基建期應(yīng)進(jìn)行爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè),部署爆破振動(dòng)儀。

(5)雨量監(jiān)測(cè)(基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目):用于監(jiān)測(cè)露天采場(chǎng)降雨量,雨量計(jì)部署于采場(chǎng)最終境界外穩(wěn)定區(qū)域,設(shè)計(jì)1臺(tái)即可。

(6)地下水位監(jiān)測(cè):根據(jù)區(qū)域地下水情況,布置在滲流來源方向。

(7)視頻監(jiān)控(基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目):主要應(yīng)用于宏觀視頻監(jiān)控,根據(jù)采礦安全管理需求,監(jiān)控范圍應(yīng)覆蓋主要坡面與重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。

邊坡開挖高度小于200 m時(shí),建立臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn),達(dá)到200 m時(shí),建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4.5 安全監(jiān)測(cè)體系動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

邊坡穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)研究。露天礦邊坡客觀對(duì)象是動(dòng)態(tài)發(fā)展的,必須跟蹤監(jiān)測(cè)其穩(wěn)定性;同時(shí)主觀的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)隨采礦發(fā)展也是動(dòng)態(tài)的。

根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的邊坡狀態(tài),根據(jù)表5各級(jí)預(yù)警采取不同措施。如邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)跡象,在黃色和橙色預(yù)警時(shí)可選擇一些行之有效的邊坡加固治理方案,如錨桿加固、邊坡卸荷等措施來避免滑坡事件的發(fā)生;在紅色預(yù)警,達(dá)到重大事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí),則需要停止生產(chǎn),安排人員和設(shè)備迅速撤離,防止生命和財(cái)產(chǎn)損失。

5 結(jié)論

(1)露天邊坡安全監(jiān)測(cè)以非煤規(guī)范和高陡規(guī)范要求確定邊坡監(jiān)測(cè)等級(jí),選定監(jiān)測(cè)內(nèi)容。變形監(jiān)測(cè)、降雨量和視頻監(jiān)控是必測(cè)項(xiàng),這三項(xiàng)是露天開采邊坡基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)項(xiàng)。

(2)提出了“藍(lán)、黃、橙、紅”預(yù)警級(jí)別相匹配的預(yù)警判據(jù),邊坡起滑的臨界值:邊坡水平變形累計(jì)8 cm、水平變形速率4 mm/d,根據(jù)四色預(yù)警,針對(duì)每級(jí)預(yù)警采取相應(yīng)的安全管控措施。

(3)結(jié)合目前智能化監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀,提供了安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案。

本文提出了邊坡安全監(jiān)測(cè)水平位移各級(jí)預(yù)警的閾值,但邊坡巖體情況復(fù)雜,還需要大量的露采邊坡數(shù)據(jù)資料來校核驗(yàn)證、本文提出的閾值可供初步設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)使用,實(shí)際實(shí)施時(shí)還需監(jiān)測(cè)單位結(jié)合工程具體情況進(jìn)行調(diào)整,并應(yīng)在實(shí)際監(jiān)測(cè)中綜合判斷。