露天金屬礦滑坡模式分析及預(yù)警體系研究

華 威

（海峽（福建）交通工程設(shè)計有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

德爾尼銅礦位于青海省東南部果洛州瑪沁縣南30 km，于2004 年8 月開工建設(shè)，2006 年11 月建成投產(chǎn)，項目年處理礦石30 萬t，該處礦的海拔在1 140～1 270 m，最大高差在130 m。包含了一采區(qū)和二采區(qū)兩個部分，在區(qū)域內(nèi)存在著F4 及F6 斷層帶，F(xiàn)4 斷層位于一采區(qū)的左側(cè)約100 m 處，F(xiàn)6 斷層帶則位于一采區(qū)和二采區(qū)之間。在采區(qū)內(nèi)地表和淺層的巖層由于受風(fēng)化的影響，整體結(jié)構(gòu)相對比較松軟。

在該露天礦內(nèi)還有3 個含水層，主要是第四系砂礫石含水層、風(fēng)化帶含水層及火山巖碎裂含水層。其中砂礫石含水層遍布整個礦區(qū)，含水層的平均厚度約為24.7 m，單位時間的平均涌水量約為1.14 L/（s·m）。風(fēng)化帶含水層從一采區(qū)向著二采區(qū)逐步變薄，最厚處的厚度為47.6 m，最薄處厚度約為27.2 m，單位時間的平均涌水量約為1.27 L/（s·m）?；鹕綆r碎裂含水層集中分布在地面下約95 m，單位時間的平均涌水量約為22.4 L/（s·m）。該礦區(qū)的降水集中在7/8 月份，降雪主要分布在10 月份到次年2 月份。

該露天礦由于開采量大而且在開采過程中會將產(chǎn)生的廢渣等集中堆放，因此在礦區(qū)內(nèi)形成了多個礦坑和礦堆。在礦坑邊坡位置由于地層松軟、降水等緣故，經(jīng)常出現(xiàn)滑坡事故，給礦山的正常作業(yè)帶來了較大的安全隱患。在優(yōu)化前礦場主要采用了安排專人對礦坑邊坡情況進(jìn)行排查，當(dāng)出現(xiàn)異常時進(jìn)行人工預(yù)警的模式，但該方案的監(jiān)測效率極低而且檢出率也低，難以滿足安全開采的需求[1]。

在對多種自動化邊坡監(jiān)控方案進(jìn)行分析后，提出利用雷達(dá)監(jiān)測和預(yù)警的方案對礦區(qū)邊坡的變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對其邊坡變形速度的分析來判斷邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)實際應(yīng)用，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡變形情況的實時監(jiān)測和預(yù)警，有效地提升了礦區(qū)邊坡監(jiān)測的可靠性。

1 露天礦場現(xiàn)狀分析

在金屬礦開采過程中除了開采產(chǎn)生的礦坑外，在開采時產(chǎn)生的粉砂巖、細(xì)砂巖等廢料都堆積在礦場周圍，會形成巨大的邊坡結(jié)構(gòu)。這些區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為松軟，從2020 年開始隨著礦坑的擴(kuò)大、堆積物的逐漸增加，導(dǎo)致部分邊坡開始出現(xiàn)變形，在2021 年4 月份的時候，邊坡的最大變形量就達(dá)到了304 mm。且這種變形量開始隨著堆積量和累積時間的增加不斷加大，甚至出現(xiàn)了小范圍的垮塌和滑坡情況。為了確保礦區(qū)的安全性，目前主要采用了減少堆積、排土等方案。同時安排專門的人員對礦場邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)出現(xiàn)異常時及時進(jìn)行報警。

經(jīng)過近半年的觀測，通過人工預(yù)警的模式效率低、可靠性差，難以滿足提前監(jiān)測預(yù)警的需求。因此迫切需要開發(fā)一種能夠?qū)吰路€(wěn)定性進(jìn)行實時監(jiān)測和提前預(yù)警的系統(tǒng)，當(dāng)露天金屬礦的邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)時能提前發(fā)出預(yù)警，提高礦坑作業(yè)的安全性。以德爾尼銅礦為研究對象，對其邊坡滑坡模式進(jìn)行了分析，提出了利用邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控的方案，為礦區(qū)的邊坡設(shè)計、邊坡穩(wěn)定性治理提供技術(shù)支持。

2 礦區(qū)滑坡模式分析

不管是礦坑還是開采廢物堆積而成的碎石堆，其穩(wěn)定性都比較差，因此可以認(rèn)為礦坑和堆積區(qū)淺層均為碎石土材料。因此邊坡的穩(wěn)定性不僅僅和淺層區(qū)域的堆積密實度有關(guān)，而且還和礦坑周圍地表斜率、基底、巖土的抗剪切強(qiáng)度、對接斜度、高度有關(guān)[2]。結(jié)合該礦區(qū)的實際情況和近兩年來的邊坡滑坡數(shù)據(jù)統(tǒng)計，將該礦區(qū)的滑坡分為五種[3]。

2.1 沿邊坡自然地表接觸面滑坡

這類滑坡主要是指邊坡坡度過大或者邊坡表面堆積物的抗剪切強(qiáng)度低于邊坡和地層間的抗剪強(qiáng)度時，邊坡沿著堆積場地自然的發(fā)生滑落，從而形成滑坡。其形成原因如圖1-1 所示。

圖1 邊坡滑移類別

2.2 沿邊坡地下部脆弱區(qū)域發(fā)生滑坡

這類滑坡主要是由于邊坡下部有脆弱地層，當(dāng)上部堆積區(qū)域的載荷超過其承載能力后，會使其發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致上側(cè)的土石垮落，形成滑坡。其形成原因如圖1-2 所示。

2.3 邊坡表層局部垮落發(fā)生滑坡

在邊坡的表層土石較為松軟，如果局部的堆積坡度大，會導(dǎo)致其內(nèi)應(yīng)力平衡被破壞掉，從而引發(fā)局部的坡體垮落。其形成原因如圖1-3 所示。

2.4 沿邊坡內(nèi)部滑移面形成的滑坡

該類滑坡時由于存在著不同巖性的材料，其具備不同的抗剪切強(qiáng)度，因此在受力的情況下，容易從邊坡內(nèi)部不同材料的接觸面上產(chǎn)生垮落。其形成原因如圖1-4 所示。

2.5 泥石流或其他外力導(dǎo)致的垮落

由于邊坡或者堆積區(qū)域的地質(zhì)材料較為松軟，因此在遇見暴雨或者大風(fēng)等強(qiáng)外力干擾的情況下會產(chǎn)生泥石流或者其他外力導(dǎo)致的垮落。其形成原因如圖1-5 所示。

3 金屬礦滑坡監(jiān)測方案分析

由于傳統(tǒng)人工進(jìn)行監(jiān)測的方案不僅效率低而且監(jiān)測的效果差，難以實現(xiàn)實時精確預(yù)警。而GNSS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）[4]監(jiān)測模式需要將監(jiān)測裝置布置在不穩(wěn)定的邊坡上，不僅安裝難度大而且也只能進(jìn)行單點監(jiān)測，容易出現(xiàn)漏報、誤報的情況。文章首次提出了一種新的激光邊坡雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)[5]，用于對整個礦區(qū)邊坡的變化情況進(jìn)行實時監(jiān)測和預(yù)警。

3.1 雷達(dá)監(jiān)測位置選擇

根據(jù)礦區(qū)的分布情況，為了實現(xiàn)監(jiān)測全覆蓋的要求，將激光雷達(dá)布置到礦坑的外圍能俯瞰整個礦坑的位置[6]，具體坐標(biāo)位置為（5 217 238 m，46 2831 m，783 m），雷達(dá)在礦場的布置位置如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)布置位置示意圖

3.2 監(jiān)測應(yīng)用情況分析

該系統(tǒng)自2022 年6 月份投入使用以來表現(xiàn)出了較高的穩(wěn)定性。對監(jiān)測區(qū)域1 和監(jiān)測區(qū)域2 2022 年6月—2022 年12 月邊坡位移情況和累計位移量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如表1 所示。

表1 2022 年邊坡變形監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表 單位：mm

由實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：

1）在監(jiān)測區(qū)域1 處，在6 個月內(nèi)的邊坡位移量達(dá)到了4 786.6 mm，平均每月的位移量達(dá)到了683.8 mm。在11 月份的滑移量最大，達(dá)到了2 072.8 mm，這主要是由于在11 月份出現(xiàn)了強(qiáng)降雪，雪融化后使邊坡內(nèi)部松軟結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，從而發(fā)生了較為明顯的滑移。

2）在監(jiān)測區(qū)域2，在6 個月內(nèi)的邊坡位移量達(dá)到了124.3 mm，平均每月的滑移量約為17.75 mm，整體的穩(wěn)定性較高，呈現(xiàn)比較有規(guī)律的緩慢滑移。在7 月份和11 月份的滑移量過大主要是由于降水增多，導(dǎo)致邊坡位置土石的松軟度增加，增加了邊坡的不穩(wěn)定性。

4 邊坡滑移預(yù)警案例分析

在2022 年11 月21 日上午09：24，系統(tǒng)監(jiān)測到在區(qū)域1 的北側(cè)出現(xiàn)了顯著的邊坡異常，系統(tǒng)立即發(fā)出了監(jiān)測預(yù)警，提醒附近人員進(jìn)行了快速的撤離，有效的避免了一起滑坡導(dǎo)致的人員傷亡和設(shè)備損失事故。

4.1 異常情況

出現(xiàn)異常的位置位于監(jiān)測區(qū)域1 的北側(cè)802～887 m 處，根據(jù)系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)在2022 年11 月22 日上午10：00 時邊坡的滑移速度達(dá)到了約9 mm/h，而且隨著時間的增加，邊坡滑移的速度和變形量均出現(xiàn)了持續(xù)增加的趨勢，截止到19：00 變形區(qū)域的面積已經(jīng)達(dá)到了130 m×87 m。在現(xiàn)場勘探后發(fā)現(xiàn)，礦坑邊坡上部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的橫向裂縫，下面的底鼓現(xiàn)象突出，已經(jīng)呈現(xiàn)了小范圍的滑坡。邊坡變形位置如圖3 所示。

圖3 邊坡滑移位置及開裂情況圖

4.2 滑移預(yù)警

滑移預(yù)警，是指對系統(tǒng)設(shè)置一個預(yù)警值，當(dāng)變坡的滑移速度達(dá)到40 mm/h 時，系統(tǒng)發(fā)出聲光預(yù)警，提醒相關(guān)區(qū)域的人員快速撤離，避免出現(xiàn)人員傷亡事故。為了保證系統(tǒng)預(yù)警的精確性，該監(jiān)測系統(tǒng)中設(shè)置了數(shù)據(jù)分析模塊，能夠根據(jù)監(jiān)測到的變坡滑移變化量，將其轉(zhuǎn)換為平滑的變形曲線。從而便于系統(tǒng)進(jìn)行快速的識別和預(yù)警，變坡滑移變形曲線如圖4 所示。

圖4 礦坑邊坡滑移變形曲線示意圖

由圖4 可知，在2022 年11 月22 日22 時，礦區(qū)邊坡的滑移速度已經(jīng)達(dá)到了約40 mm/h，根據(jù)預(yù)設(shè)的報警邏輯，系統(tǒng)觸發(fā)了聲光報警。礦區(qū)安全中心發(fā)布了邊坡滑移轉(zhuǎn)移指令，組織相關(guān)區(qū)域內(nèi)人員和關(guān)鍵設(shè)備的快速轉(zhuǎn)移。

在組織人員轉(zhuǎn)移后約23 h 后，礦坑邊坡變形迅速增加，最大達(dá)到了119 mm/h，導(dǎo)致此區(qū)域發(fā)生了一個較大范圍的邊坡滑落事故。在邊坡滑落完成后，組織人員對滑落現(xiàn)場進(jìn)行了勘探，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在在邊坡滑落的過程中，各個階層上的滑落速度基本相等，表明了該次滑落是呈整體式滑落[7]。對滑落區(qū)域進(jìn)行勘測，滑坡體滑面的法向后的和區(qū)域原始地表的土層后的基本一致，最終斷定此處的滑移屬于沿邊坡自然地表接觸面滑坡。

目前該監(jiān)測體系已經(jīng)在礦區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行約6 個月，在137 次預(yù)警中有135 次是正確的，預(yù)警準(zhǔn)確率達(dá)到了98.5%，已經(jīng)完全取消了3 個監(jiān)測人員，實現(xiàn)了礦區(qū)邊坡變形情況的自動監(jiān)測和預(yù)警。

5 結(jié)論

為了解決露天鐵礦邊坡監(jiān)測可靠性差的不足，在對礦區(qū)滑坡模式進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新的雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，根據(jù)實際應(yīng)用表明：

1）礦區(qū)的滑坡包括了沿邊坡自然地表接觸面滑坡、沿邊坡地下部脆弱區(qū)域發(fā)生滑坡、邊坡表層局部垮落發(fā)生滑坡、沿邊坡內(nèi)部滑移面形成的滑坡、泥石流或其他外力導(dǎo)致的垮落五種類型。

2）激光雷達(dá)布置時應(yīng)該設(shè)置到到礦坑的外圍能俯瞰整個礦坑的位置，保證對整個礦區(qū)邊坡的重點監(jiān)測和預(yù)警。

3）雷達(dá)監(jiān)測預(yù)警的準(zhǔn)確率達(dá)到了98.5%，能夠?qū)崿F(xiàn)直接減員3 人，顯著提升對礦區(qū)邊坡變化的預(yù)警效率和精確性。