西藏知不拉銅多金屬礦南采區邊坡遠程監測預警系統研究

翟 翔 超， 陶 體 盛， 眭 龍 勝

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

西藏巨龍礦業有限公司知不拉銅多金屬露天礦位于岡底斯山脈東段郭廓拉日山區，地勢南高北低，地形切割強烈，礦區最高海拔5 594 m，最低海拔5 050 m，最大相對高差544 m，屬高原中高山區。水系較為發育，總體北流，屬于雅魯藏布江流域。浪母家果曲及其支流從礦區由南向北、東部流過。礦區斷層與裂隙發育，第四系強風化層分布較廣。

礦區受區域性大斷裂以及多期次巖漿活動影響，次級斷裂構造較復雜，部分地段形成寬5～20 m不等、長達1 000 m左右的斷裂破碎帶，礦區內與成礦有關的主要斷裂包括F1、F2、F3、F8、F9和F10斷裂。在礦區碳酸鹽分布地段巖石破碎，裂隙發育，小褶曲在大理巖化灰巖和矽卡巖中常見，深部在碳酸鹽巖發育地段多處遇到溶洞，溶洞深度為3～6 m，最深可達20 m。

南采區工程地質條件為較復雜,上部為安山質凝灰巖、英安質凝灰巖的風化層，飽和抗壓強度大于30 MPa,風化裂隙發育，巖石較破碎，呈鑲嵌結構，圍巖級別為Ⅲ級。開挖后圍巖可產生小坍塌，爆破震動過大時易發生坍塌。下部基巖為較完整的安山質凝灰巖 、英安質凝灰巖、大理巖化灰巖，有少量裂隙發育，但其多閉合，裂隙組合關系不會產生下滑力，圍巖級別為Ⅱ級。開挖后，長時間暴露可能會局部產生小坍塌，但其側壁穩定。

由前期礦區邊坡巖體穩定性分析得知：露天采場大部分為山坡露天開采，設計人員結合終了境界內平均生產剝采比、排土場位置和選廠位置，同時考慮山坡露天的特點設計確定的采場邊坡參數見表1。

表1 露天采場邊坡幾何特征表

*資料來源：《西藏巨龍銅業有限公司知不拉銅礦露天開采邊坡穩定性及邊坡角優化研究報告》。

根據前期地質勘探工作結論，未來知不拉銅多金屬礦采場邊坡穩定性是該礦工程地質面臨的主要問題，邊坡巖體存在大面積崩塌、滑坡等潛在地質災害。為確保礦山生產過程中人員、設備的安全，保證露天開采邊坡的整體穩定，同時亦為確定露天終了境界經濟合理的剝離量以及采場臺階參數開展西藏知不拉銅多金屬礦采場高陡邊坡穩定性綜合智能監測預警技術研究迫在眉睫。

2 監測預警系統方案

目前，知不拉銅多金屬礦南采區邊坡的最低標高為5 120 m，靠幫邊坡高度為50～240 m，根據相關規范，其屬于高邊坡，邊坡高度等級指數H=3，南采場開采過程中的邊坡角(高程5 360～5 120 m)達到52°，屬于陡坡級別，坡度等級指數A= 1；根據初步設計文件，上部圍巖級別為Ⅲ級，下部圍巖級別為Ⅱ級。因此，折中考慮地質條件等級指數按中等G=2計算，現階段南采場邊坡的變形指數D=H+A+G=6，邊坡安全監測等級為二級。

根據相關國家規范，安全監測等級為二級的露天礦山邊坡必備監測項目包括：邊坡表面位移、爆破震動質點速度、地下水位、降雨量以及視頻監測[1]。由于地下水位、爆破震動監測可由采礦場技術人員按規范定期采用人工監測，因此，該方案主要側重于邊坡表面位移監測技術方案的制定，補充降雨量監測和視頻監測。因此，南采場邊坡安全監測預警以邊坡表面變形(位移)監測為主要監測內容，同時，結合爆破震動、地下水位、降雨量、采場視頻監控等監測數據，綜合分析采場邊坡的安全狀態。為實現系統的預警，需要在監測系統建設的同時，研究邊坡監測預警判例的確定方法和預警初值，為邊坡監測預警提供參考閾值；然后，通過邊坡的過程監測數據、現場邊坡水文地質資料等進行綜合分析，分級分區逐步確定和完善邊坡的生產過程預警閾值，真正實現邊坡安全監測系統的監測和預警功能。因此，邊坡監測預警系統的建設應包括邊坡預警模型研究和初值的確定、邊坡監測系統設施的實施和邊坡監測系統后期運行數據和邊坡穩定性分析等內容。

3 邊坡監測技術的比選

分析得知：目前國內外高邊坡監測技術應用較為廣泛和成熟的地表變形(位移)在線監測技術主要有GNSS技術[2]、智能全站儀技術[3]、合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術[4]、真實孔徑監測雷達技術[5]、三維激光掃描技術、光纖分布式測量技術和靜力水準測量技術等。其技術特性對比情況見表2。

表2 監測技術特性對比統計表

根據對表2中的各種監測技術進行對比分析得知最適合知不拉銅多金屬礦采場邊坡表面位移監測的方案應以地基合成孔徑邊坡監測雷達[6]作為邊坡位移監測的主體，配合雨量計、地下水位、視頻等輔助監測手段，對采場邊坡進行全覆蓋監測。邊坡雷達采用國產設備可以大幅度降低投入，而且其后期維護和技術分析有保證。筆者對其進行了闡述。

4 合成孔徑邊坡監測雷達系統

由于南采場區域較小，可在合適位置僅設一個固定監測點，建設合成孔徑雷達觀測房等防護設施。根據雷達設備的視場角劃定雷達設備的安裝位置及可覆蓋的區域面積，基本覆蓋整個采場邊坡的表面位移監測區域。具體實施時，先使用三維激光掃描儀對前期觀測確定的重點部位進行三維地理信息建模，再有針對性地部署邊坡監測雷達，通過比較雷達獲取的邊坡位移監測數據并將其疊加在邊坡三維模型上形成的時移變化圖，快速、直觀、準確地圈定位移趨勢異常區域，最大限度地發揮先進設備的監測功效；對于同一時刻暫無雷達設備在線監測的區域，可使用其他監測技術及人工巡測等手段對邊坡分區塊進行移動巡測，發現有明顯位移趨勢的區域時，再部署邊坡雷達進行高精度持續監測。采用該策略，一方面提高了設備利用率，另一方面發揮了不同技術手段在監測精度、適用范圍等方面的技術特長，從而實施分級監測。

從系統功能角度出發，邊坡雷達在線監測系統整體架構見圖1。

圖1 邊坡監測系統架構圖

智能雷達的數據分析需要將監測數據域與DTM數據疊加匹配分析(圖2)，并應排除掃描區和雷達之間大氣溫濕度等的影響，找出真正的變形、速度曲線并設置報警，最后預測滑坡時間。

圖2 地基合成孔徑監測雷達數據與DTM數據疊加匹配分析圖

合成孔徑邊坡雷達基于圖像數據快速匹配技術，可以方便、快速地將不同時間段對同一邊坡監測的數據進行拼接處理，可以方便地對同一邊坡在不同地點、不同時間進行不連續的監測。通過獲取多種監測數據進行綜合分析以提高系統監測的準確性，這種綜合分析可以是兩種數據的綜合分析，也可以是多種監測數據的綜合對比分析。這種分析是在各種單項分析的基礎上進行的。其中，各種單項分析技術內容包括：在線監測系統數據分析、爆破振動測試分析、其他人工監測信息等。

通過分析處理智能雷達采集到的數據，做出邊坡巖體位移、速度曲線，通過日常管理經驗和軟件分析推薦值在軟件中設置合理的報警閾值，以達到邊坡監測預警的效果。

該方案實施時，結合邊坡監測雷達的技術特點，制定出了不同工況下應用邊坡監測雷達指導安全生產的具體操作方式，以及對應的作業指導書和應急預案手冊，邊坡監測雷達的使用能夠增強在邊坡危險作業區域內生產人員應對邊坡滑坡垮塌事故的信心，提高采礦作業的精細控制水平，保障作業人員和裝備安全。

5 結 語

通過安全監測預警系統的研究和建設，確定了采場邊坡預警策略，實現了邊坡穩定性在線監測，實時獲取了邊坡潛在滑坡風險并及時預警，可以預防采場邊坡坍塌安全事故，避免人員傷亡和財產損失，保障礦山安全生產，具有重要的經濟和社會意義。