一種新型纜索在排土場穩定性監測領域的應用

范立軍，陶志剛，呂 謙，3，樊建緯

（1.本溪鋼鐵 （集團）南芬露天鐵礦，遼寧 本溪 117014；2.中國礦業大學 （北京）力學與建筑工程學院，北京 100083；3.黑龍江科技學院建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

露天礦山排土場是由松散的剝離物堆排形成，堆排的臺階較高、穩定性差，堆排生產過程中和結束后的較長時期均有沉降或滑落。在異常天氣如降雨或雪融等條件的誘導下，易發生滑坡、泥石流災害，需長期進行技術管理，開展土場穩定性監測預警，滿足安全和環境保護方面的要求［1－2］。

南芬露天礦2號土場位于采礦場西側，屬外部永久土場，利用河谷和山谷堆排礦山剝離的巖石，順坡排土，山坡傾角16°～20°，谷底傾角5°～10°，原地表生長灌木，腐殖土較薄。土場北部是南芬大東溝和馮家東溝兩個山谷，山坡地形較陡，排土坡底線900m以外有村莊和國道；南部是黃柏峪河谷的陽坡，排土坡底線80m以外有村莊和鄉村公路。根據南芬露天礦1500萬t/a擴產工程設計，土場使用在20a以上，設計排土標高600m、堆排巖石量4.50億t（堆置容積2.05億 m3）、占地面積380萬 m2，排土段高150m～200m、局部段高達280m。排巖方式是卡車運輸－推土機推排和破碎－膠帶運輸－排土機聯合排土，形成“一坡面”全段高排土形式，自然安息角34°～38°，平均35°［3－4］。在土場堆排過程中和雨季，發生過土場局部邊坡失穩現象，局部邊坡面溝蝕形成類似泥石流的現象，土場的穩定性受到安監部門關注。當前，監測土場邊坡的方法是常規監測臺階坡頂線位移、裂縫和邊坡面形狀，存在的主要問題有：①人員直接在危險區頻繁活動，安全隱患大；②勞動強度大，效率低，實時性差；③異常情況下（如降雨），無法持續監測；④監測結果是滑動的結果，缺少事前預警。

2 監測原理及監測系統

2.1 基本監測原理

在露天礦山排土場滑坡發生前和發生過程中，潛在滑動松散巖體中的應力首先發生變化，滑動力與抗滑力之間的平衡不斷被打破。在不斷形成新平衡的過程中，形成下滑力顯現，之后伴隨邊坡產生變形和位移，下滑力顯現是滑坡體產生的充分必要條件，變形和位移是滑坡體產生的必要條件。當監測到巖體有明顯變形時，邊坡已經發生了一定程度的滑動破壞。捕捉滑動體下滑力的顯現變化特征，可以超前于地表位移和變形判斷邊坡的穩態趨勢。

基于上述分析，恒阻大變形纜索滑動力監測預警系統以力的平衡原理為基礎，建立攝動力與滑動力和抗滑力之間的關系，以攝動力來反映邊坡滑動力和抗滑力的變化，實現對滑動體下滑力連續、自動、實時采集存儲，并無線發射到遠程室內接收終端，終端計算機進行分析并形成動態監測曲線，經分析后指導做出預警。在監測數據的獲取上實現了不需要人員到達現場的遠程自動化，克服人工現場測讀數據受天氣、安全等因素的影響。

2.2 監測系統

本次設計主要采用中國礦業大學（北京）巖土工程中心自主研發的恒阻大變形纜索滑動力監測預警系統［5－7］。該系統主要由三大部分構成，包括：恒阻大變形纜索、信號采集－傳輸設備、信號接收－分析設備，各部分都有相應的軟配套軟件。

1）恒阻大變形纜索。恒阻大變形纜索是針對巖土體大變形破壞而專門設計的一種集監測和預警于一體的通訊纜索。是指把纜索達到屈服強度的90%設計為纜索荷載，當纜索上的荷載達到設計值時，設置在纜索上的一種特殊聯結裝置，就可以通過恒阻體在特殊結構管體內滑移產生大變形來抵消荷載產生的拉斷效應，防止纜索被拉斷破壞，實現對滑坡全過程實時監測。同傳統預應力錨索相比，其結構的關鍵是恒阻器，其它的組成部分與傳統預應力錨索技術基本相同。

2）力學信號采集－傳輸設備。力學信號采集與傳輸設備安裝在監測現場，可將滑動面上施加的擾動力數據自動采集、儲存、發射，經中轉到信號分析系統，見圖1。

圖1 力學信號采集和傳輸系統

3）信號接收－分析設備。該設備可將現場發來的數據自動接收并處理，利用攝動力與下滑力和抗滑力之間的函數關系，計算出下滑力的大小，并且形成動態監測曲線，據此判斷監測對象的狀態，實時做出監測預警。

2.3 系統應用目標

該系統應用到排土場邊坡穩定性動態監測領域，實現了排土場持續排土、超前監測預警、強化安全措施的針對性。

1）捕捉土場邊坡滑動體下滑力演變特征，優于對滑動體表面位移和裂縫的監測，從本質上實現對滑坡災害超前預警。

2）通過延續監測，探尋土場邊坡演變特征，判斷其是否逐漸穩定。

3）提高監測頻繁和精度。

4）根據邊坡潛在滑動體下滑力的特征，預測發展動向，并做出危險預警指導避險。

5）提高監測的實時性、科學性和智能性。

2.4 數據分析

系統以“產、學、研”為平臺，結合監測對象的差異，經不斷研發完善改進，已在露天開采煤礦軟質巖體邊坡和露天開采鐵礦硬質巖體邊坡開展監測預警。自運行以來，多次成功預警了邊坡失穩破壞災害，指導了礦山人員和設備撤離避險，實現礦山安全生產［5］。恒阻大變形纜索監測預警特征曲線，如圖2所示。

圖2 監測預警模式

3 排土場監測設計

3.1 監測點設計依據和原則

1）土場邊坡分級。土場邊坡監測點設計達到國家相關滑坡地質災害防治工程設計技術要求，如表1所示。

2）布點、布線原則。滑動力遠程監測點和監測線的布置，原則上根據排土場邊坡工程的重要性分級，嚴格按照表2內容進行設計。

3）承載板安裝的固定混凝土結構位于滑動體上緣線外側一定距離。

4）恒阻套管借助混凝土結構與土場邊坡松散巖體融為一體。

5）在施加纜索應力設備的配合下，承載板處的錨具夾片具有可拆卸性。

表1 地質災害防治工程分級

表2 滑動力監測點設計標準

3.2 設計方案

恒阻大變形纜索滑動力監測預警系統，在土場邊坡的應用設計分三部分。包括：恒阻套管混凝土結構的設計、土場坡頂線部位支撐轉角設計、承載板固定混凝土結構設計。

1）恒阻套管混凝土結構設計。恒阻套管與潛在的松散滑動體須融為一體，借助在恒阻套管外增加一個體積較大混凝土結構。結構內的鋼筋與恒阻套管外點焊接，混凝土結構為圓臺體，軸線與水平面夾角為松散巖體的自然安息角，上小下大（推薦參數：r＝400mm、R＝750mm、h＝2500mm）。具體的參數與巖性、粒度、含水量、松散系數、埋置深度等有關，采用相關試驗確定。恒阻套管混凝土結構埋設的位置盡可能靠近排巖段高中下部。

2）土場坡頂線部位轉角支撐設計。恒阻大變形纜索在臺階坡頂線部位有一個轉角。為了減小纜索因受力而不均勻陷入松散的巖體中，避免轉角小形成集中受力割斷，在臺階坡頂線處的坡面和頂面上，以一定的距離設置纜索平衡器（推薦枕木），實現纜索均勻受力，并控制轉角在合理范圍內，纜索及其平衡器埋深0.5～1.0m。

3）承載板固定混凝土結構設計。承載板固定混凝土結構位于理論計算滑動體后緣線以外，承載能力達到設計拉力的2.5倍以上，同時設有防旋轉和傾覆裝置。主體結構埋深1.5m。

3.3 安裝和運行解析

先施工承載板固定混凝土結構，并沿設計線開挖溝槽，放置纜索轉角支撐；隨后施工恒阻套管混凝土結構和組裝恒阻大變形纜索，纜索比設計長15m，纜索外均勻涂抹防腐潤滑劑，外套軟質厚壁橡膠管，纜索間安裝防纏繞裝置；最后安裝信號采集－傳輸設備，并調試信號接收－分析設備；各設備處于運行狀態后，在恒阻套管混凝土結構穩定的情況下，逐步施加纜索應力，并回填溝槽，完成安裝，設備處于待運行狀態，見圖3；土場在該部位的堆排生產繼續進行，在原堆排坡頂線推進10m以上后，分三次增加纜索應力達到設計屈服強度荷載的90%。此時，恒阻大變形纜索滑坡監測預警系統正式投入運行。運行過程中，由于土場自然沉降會影響纜索應力，要經常在監測力學特征曲線的指導下，在承載板固定混凝土結構端調節纜索應力，保證其處于正常工作狀態，尤其是在雨季和雪融時期，需之前調好纜索應力，實現監測數據的積累，排除自然沉降的干擾，以提高監測預警準確度。

圖3 系統安裝和運行示意圖

3.4 需要繼續解決的問題

1）纜索部位堆排巖石時，應避免大塊滾落。

2）運行過程中，纜索有斷裂反彈的安全隱患，應做好防護。

3）進一步檢驗纜索在巖石壓緊條件下的工作狀態。

4）針對擾動力與下滑力和抗滑力的關系，開發相關軟件，提高系統的普遍適用性。

4 結論

恒阻大變形纜索滑動力遠程監測預警系統在土場邊坡的應用分析，是基于恒阻大變形纜索和滑坡監測預警系統研發成果，提出在土場邊坡應用，系統隨著邊坡巖土體大變形而發生徑向拉伸，吸收能量，避免由于巖土體大變形而發生纜索斷裂、失效，從而避免邊坡較小位移沉降、滑塌后監測設備就喪失作用，實現為土場邊坡松散巖體穩定性監測與安全評價提供科學依據，確保人員、設備的安全。

該系統的運行不完全取代傳統的土場巡視和對土場邊坡異常情況的處理，如：排水、邊坡形狀、底角維護等，與傳統監測方法比較，是一次土場邊坡監測技術的突破。

［1］王運敏.現代采礦手冊［M］.中冊.北京：冶金工業出版社，2012.

［2］王青，史維祥.采礦學［M］.北京：冶金工業出版社，2001.

［3］本鋼設計研究院.本鋼南芬鐵礦擴產工程初步設計說明書［R］.2009.

［4］張玉，楊志雙，張瑛，等.本溪南芬鐵礦排土場滑坡穩定性研究［J］.地質與資源，2008，17（1）：50-53.

［5］何滿潮.滑坡地質災害遠程監測預報系統及其工程應用［J］.巖石力學與工程學報，2009，28（6）：1081-1090.

［6］HE Manchao，TAO Zhigang，Zhangbin.Application of remote monitoring technology in landslides in the Luoshan mining area.Mining Science and Technology，2009，19（5）：609-614.

［7］陶志剛，張斌，何滿潮.羅山礦區滑坡災害發生機制與監測預警技術研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，30（Supp.1）：2931-2937.