排土場(chǎng)位移監(jiān)控系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

一、引言

2008年8月1日，山西省太原市婁煩縣尖山鐵礦排土場(chǎng)發(fā)生特別重大跨塌事件，造成45人遇難。十幾年前，福鼎玄武巖礦山廢石場(chǎng)也發(fā)生過滑坡事件，造成一定的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如何防范礦山排土場(chǎng)的跨塌、滑坡災(zāi)害，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，已經(jīng)成為非煤礦山企業(yè)經(jīng)營(yíng)者的一個(gè)十分嚴(yán)峻的重大課題。

福鼎玄武巖礦山由于開采初期歷史的原因，廢石場(chǎng)地段長(zhǎng)達(dá)近1000米，由于廢石場(chǎng)的高位勢(shì)能得不到釋放，加之特殊的地質(zhì)條件，因而埋下了滑坡隱患，成為礦山的一個(gè)重大危險(xiǎn)源，存在著隨時(shí)可能發(fā)生跨塌、滑坡的安全生產(chǎn)事故。而且排土場(chǎng)各地段發(fā)生跨塌、滑坡的風(fēng)險(xiǎn)概率具有隨機(jī)不確定的特征。

為了使制定排除重大安全隱患應(yīng)急預(yù)案有科學(xué)依據(jù)，防患于未然，有效地控制排土場(chǎng)避免發(fā)生跨塌、滑坡災(zāi)害。2000年，福鼎玄武巖礦山建立了一套礦山排土場(chǎng)位移監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)投八運(yùn)行以來(lái)，我們掌握了礦山排土場(chǎng)各地段動(dòng)態(tài)位移的準(zhǔn)確信息，使重大安全隱患優(yōu)先治理的事故處理原則有了科學(xué)的決策依據(jù)，并曾經(jīng)成功地預(yù)報(bào)并防范了一次排土場(chǎng)潛在的滑坡危機(jī)，收到了良好的效果。

二、排土場(chǎng)位移監(jiān)控理論機(jī)理簡(jiǎn)介

排土場(chǎng)發(fā)生位移是因?yàn)榕磐翀?chǎng)內(nèi)的固體排棄物受外界因素的誘發(fā)而獲得的了產(chǎn)生位移的動(dòng)能。根據(jù)能量平衡定律?；w得到的動(dòng)能等于滑體損失的位能與克服滑體移動(dòng)摩擦阻力所作的功之差。如下式所示：

摩擦系數(shù)f值決定了排土場(chǎng)滑體的抗下滑力。足夠大的摩擦系數(shù)是保障排土場(chǎng)隱定的前提條件。

摩擦系數(shù)f值是個(gè)變量。由于大氣降水下滲，加之地下水的作用，在排土場(chǎng)內(nèi)部形成滲水流，增加了排土場(chǎng)土巖中的靜水壓力和動(dòng)水壓力，從而使排放的固體排棄物與土巖接觸面的f值逐漸減少，降低了土巖的抗剪強(qiáng)度；另外，有的排土場(chǎng)原始山坡植被發(fā)育，殘積土層厚，在排放過程中又不注意土、石分棄，因而增強(qiáng)了排棄物親水性，在滲流水的作用下很容易軟化，而形成滑體的軟弱層。從而進(jìn)一步加劇了f值的下降速度。當(dāng)摩擦系數(shù)f值下降到其臨界點(diǎn)(即f＝tgα)時(shí)，將產(chǎn)生滑體整體突發(fā)性跨塌并形成“雪崩式”的連鎖反應(yīng)，即泥石流跨塌災(zāi)害。

f值的變化不是瞬間完成的，它的變化有一個(gè)過渡過程，由此而引發(fā)的滑體位移亦有一個(gè)從“漸變”到“突發(fā)”的過程。在這個(gè)過渡過程中，人們完全可以通過對(duì)排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)位移的準(zhǔn)確監(jiān)控達(dá)到對(duì)排土場(chǎng)跨塌、滑坡風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)的目的，從而進(jìn)行科學(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，從不確定的風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)中確定出高風(fēng)險(xiǎn)段，在其滑坡“漸變”的過渡過程中爭(zhēng)取足夠的時(shí)間進(jìn)行應(yīng)急處置，及時(shí)有效地防范和控制排土場(chǎng)出現(xiàn)的險(xiǎn)情，將跨塌、滑坡災(zāi)害消滅在事故萌芽狀態(tài)。

三、監(jiān)控系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

根據(jù)排土場(chǎng)滑坡產(chǎn)生機(jī)理，2000年，我們?cè)诘V山建立了一套排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)控系統(tǒng)，在礦山東坡、北坡、南坡三個(gè)原歷史遺留下來(lái)的順坡排棄的廢石場(chǎng)敏感部位建立控制點(diǎn)，引進(jìn)日本進(jìn)口的電子全站儀，分別以三個(gè)固定點(diǎn)三維坐標(biāo)為測(cè)量基點(diǎn)，測(cè)量控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。專人操作，周期測(cè)量(每十日一次，暴雨后加密測(cè)量)，通過測(cè)量掌握其動(dòng)態(tài)位移，成功地預(yù)報(bào)并防范了一次排土場(chǎng)潛在的滑坡危險(xiǎn)，收到了良好的效果。

2000年12月至2001年2月間，檢測(cè)數(shù)據(jù)表明北坡原廢石場(chǎng)位移較為明顯。該廢石場(chǎng)高程在＋502m至＋380m之間，其前后緣相對(duì)高差122m，軸向長(zhǎng)約250m，橫向?qū)捈s150m。人工堆積的廢石分布于原始坡度比較陡峭的山坡上，礦山開采早期廢石任意排放，順坡堆積，形成了人工石錐群約30萬(wàn)立方米，其巨大的荷重對(duì)山坡前緣及下部殘積土產(chǎn)生巨大的水平及垂直推力，致使近30萬(wàn)m?；w產(chǎn)生位移變形。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下表所示(其中N，點(diǎn)處于前緣位置，N4、N5點(diǎn)處于后緣位置)。

準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明滑體目前正處于一種平衡與不平衡的極限狀態(tài)中。從監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表可以看出，從1月23日至2月4日不足半個(gè)月的時(shí)間段內(nèi)，滑體前緣向正北方向移動(dòng)了0.4米，而滑體后緣向正北方向移動(dòng)了1.2米。前后緣均有移動(dòng)說明了位移不是局部的崩塌，而是滑體在整體下滑。而且如此大范圍的位移說明了滑體正承受著巨大的水平推力，滑體有可能處于全面跨塌的“臨界”狀態(tài)。如果不及時(shí)啟動(dòng)排除重大事故隱患應(yīng)急措施，滑體的“漸變”過程將有可能在強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨的作用下產(chǎn)生突發(fā)性下滑?？茖W(xué)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)機(jī)制的建立給我們贏得了處置重大安全隱患的寶貴時(shí)間，同時(shí)也給我們提供了制定排除這種重大安全隱患的方案的科學(xué)決策依據(jù)。在啟動(dòng)處理應(yīng)急預(yù)案的過程中，一方面我們采取了及時(shí)匯報(bào)、公布險(xiǎn)情、封鎖道路、嚴(yán)密觀測(cè)的應(yīng)急措施。同時(shí)尋求技術(shù)支持，委托富有地災(zāi)處理經(jīng)驗(yàn)的省地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行以下勘察分析：(1)因時(shí)間緊迫，在不采用物探手段的條件下根據(jù)目前場(chǎng)地情況最大限度地查明廢石場(chǎng)的地質(zhì)條件。(2)綜合分析近段時(shí)間位移監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)廢石場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析及推力計(jì)算。(3)對(duì)卸荷減載可行性具體方案提出具體的可操作的咨詢意見。在省地勘院有關(guān)專家的指導(dǎo)下，對(duì)廢石場(chǎng)滑坡特征進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)位移變形的成因進(jìn)行探討，最后形成了如下結(jié)論：(1)滑體由礦碴和殘坡積土組成，滑坡面位于殘坡積土中；(2)滑坡面積約3 7萬(wàn)m²，涉及方量約37萬(wàn)m³，屬推移式大型滑坡；(3)滑體目前正處于平衡與不平衡的極限狀態(tài)中，在誘發(fā)因素的作用下，將可能產(chǎn)生整體下滑并形成泥石流。根據(jù)對(duì)險(xiǎn)情分析的結(jié)果，立即采取卸荷減載壓腳的緊急治理措施，用數(shù)月時(shí)間徹底排除了滑坡隱患。

四、結(jié)束語(yǔ)

排土場(chǎng)是露天開采礦山的重大危險(xiǎn)源之一。在礦山建立起排土場(chǎng)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)控系統(tǒng)，利用觀測(cè)得到的排土場(chǎng)碴、土的位移量和位移速率，并進(jìn)行推力計(jì)算和穩(wěn)定性分析，根據(jù)分析的結(jié)果可以判定排土場(chǎng)的碴、土是否存在跨塌、滑坡的危險(xiǎn)，制定采取相應(yīng)的技術(shù)措施，是有效防范排土場(chǎng)發(fā)生跨塌、滑坡事故的方法手段之一。

(編輯／陳志華)