司家營露天采場邊坡監控預警平臺的構建

陳志強 田益琳 郝紅澤 刁鵬飛

（河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦有限公司）

目前司家營露天采場隨著采場深度的不斷加深，臺階高度也在增加，意味著邊坡發生地質災害的概率也相應上升。單個臺階所承受的各方面的作用力也相應增加，集中程度上升，相鄰臺階對應力的分散作用能力減小，大大降低了臺階的自穩性［1］；加之采場一方面受東部灤河水系和西部地下水的影響，另一方面受其礦山本身的地質條件（如節理、裂隙、地質構造、斷層等）的影響，使得邊坡穩定性大大降低。為保證采場人員生命財產安全，保障后期安全生產，亟需一種行之有效的邊坡監測手段及預警體系，對高陡露天采場邊坡安全穩定性進行預防和預警。

1 采場邊坡穩定性及地質災害現狀

1.1采場邊坡穩定性現狀

目前，司家營露天礦分為I和II 2個采場，采場地質條件復雜，采場一方面受東部灤河水系和西部地下水的影響，另一方面受其礦山本身的地質條件（如節理、裂隙、地質構造、斷層等）的影響。東幫主要巖性為混合巖化黑云變粒巖和黑云變粒巖，局部有閃長巖入侵，東幫淺部是混合巖化黑云變粒巖，巖體風化程度較高；混合巖化黑云變粒巖由于風化程度不同，可細分為強風化、中風化、微風化3種；深部主要是黑云變粒巖，巖體完整性較好、強度較高；且東幫巖體普遍存在順層層理結構［2］。根據目前采場內礦體賦存情況及已揭露的巖層地質條件發現，東幫礦巖體質地較軟，節理裂隙大多與邊坡方向一致，且受東幫滲水影響，發生邊坡地質災害事故概率較高。

1.2采場邊坡地質災害現狀

1.2.1 I采場東幫主路西側山體滑坡

2018年7月，I采場東幫主路西側邊坡受連續強降雨影響，-6～-67 m臺階水平發生大規模山體滑坡，滑坡體總量大致為8萬t，寬度為30 m，整體前移15 m，橫跨5個臺階，如圖1所示。

1.2.2 采場東幫山體滑坡跡象

2018年8月，I采場東幫主路東側邊坡受降雨影響，-6～+18 m臺階水平發生輕微山體滑坡，造成邊坡多處出現裂縫，裂縫最大寬度已達10 cm，目測滑坡體寬度為15 m，跨度為2個臺階，滑坡體總量為5 000～10 000 t，如圖2所示。

1.2.3 西幫山體滑坡跡象

2017年6月，I采場西幫邊坡受降雨影響，+18～+6 m臺階水平發生輕微山體滑坡，造成邊坡多處出現裂縫，裂縫最大寬度已達5 cm，目測滑坡體寬度為30 m，跨度為1個臺階，滑坡體總量為3 000～5 000 t，如圖3所示。

2 采場邊坡穩定監測現狀

露天邊坡監測不等價于位移監測，在實際作業環境和工況條件下，需采用多種技術手段進行聯合分析。露天邊坡監測系統的研究工作與建設工作并重，多專業聯合攻關，逐步深化對邊坡機理的認知，應對邊坡預警方案和建設方案單獨立項，建立準確的監測數據驅動的邊坡機理模型，給出臨滑判據并動態更新閾值，再基于論證結果開展建設［3］，構建過程應該與生產同步，從而確保采礦安全。

當前，II采場最低生產標高為-172 m水平，最大邊坡高度已達240 m；I采場最低生產標高為-157 m水平，邊坡最大高度200 m。2018年，2采場已安裝在線監測系統，在I采場以北-42 m以上邊坡監測區域等共布置6個GNSS監測點。在II采場采用測量機器人監測和GNSS監測2種方式，在東幫布置7個測量機器人測點，西幫N6～N18線6 m以上邊坡監測區域布置22個測量機器人測點，10個GNSS測點，西南幫布置測量機器人觀測站，南幫布置另1個控制點，目前已經成功運行。監測系統在經過前期調試和近2 a的運行使用過程中，能夠基本滿足監測采場邊坡穩定性的要求，但是不足也很明顯，主要有數據表達形式單一，缺少三維模型表達；采場有2套系統，缺乏一個整體的集成系統；缺少結合本礦山地質條件，并基于已有中長期監測數據分析建立起的監測預警指標體系。

因此，基于以上的采場現狀和為滿足安全的生產實際需求，亟需建立統一的監測數據集成和處理云平臺，確定并逐漸完善監測預警指標體系，發布監測預警平臺三維可視化客戶端，才能完善當前邊坡在線監測系統，有效預警甚至預報，最大限度地發揮露天邊坡監測系統的功效，確保礦山生產安全。

3 采場邊坡穩定監測方案

3.1 邊坡重點監測區域

根據勘察資料和現場實際情況，本著對采場容易滑坡區域、盡量靠幫、重點工程設施設置部分實施在線監測的原則，確定邊坡重點監測區域如下。

（1）I采場東幫的順層強風化巖質邊坡。該區自上而下巖層分布為第四系、石英砂巖、白云母片巖、巖性主要為黑云變粒巖（上部按風化程度可分為強風化、中風化和微風化等）［4］，局部巖層互層。固定公路之上邊坡以第四系為主，部分為巖質邊坡。固定公路至-42 m邊坡為巖質邊坡，巖體風化程度不等。目前N26線防洪管道附近寬80 m，高50 m區域邊坡完成了錨索加格構梁加固。為了確保固定運輸道路安全以及及時評價加固效果，此區域需要重點監測。

（2）II采場西幫土坡。該區地表30 m邊坡靠界，6 m平臺邊坡接近靠界，此區域邊坡治理工程接近完工。其中在N9～N14區域，采場邊坡距離高壓線桿及礦山排巖膠帶距離較近，上部邊坡進行削坡減載，6～30 m邊坡治理采用人工灌注樁加固方式配合疏干排水工程。N14～N18線區域邊坡第四系厚度較大，對邊坡進行削坡減載工程，進行生態護坡，配合疏干排水工程，此區域需要重點監測。

（3）II采場東南位置及N9～N10線間-82 m轉載站監測區域。此區域-82 m平臺以上至南幫-42 m平臺區域基本靠界，為保護以后邊幫膠帶及轉運站等重點工程設施，需建立在線監測系統。

3.2 整體邊坡監測方案

結合邊坡重點監測區域、技術規程對邊坡監測的要求，對現階段靠幫邊坡采用表面位移監測、地下水位及降雨量監測和視頻監控多種監測手段。隨著開挖不斷加深，邊坡高度增加，未來邊坡的安全等級將從目前的II～III級逐漸上升至I～II級，需在重點區域增加深部監測手段，如深孔測斜和錨桿應力計監測。

（1）地表及深部位移監測方案。結合重點監測區域及目前礦山的靠幫情況，地表位移及深部位移主要布置I采場東幫N26加固區域，II采場西幫土坡加固區域，北端幫全風化花崗巖和南端幫區。

（2）錨桿軸力監測方案。為確保運輸道路的安全穩定，在N26勘探線加固區域進行錨桿軸力的監測，觀察錨桿每段的受力狀態及時判斷邊坡潛在滑坡模式。錨桿軸力監測位置分布平面圖及剖面圖見圖4，監測位置擬分布在東幫N26勘探線運輸平臺附近，錨孔直徑擬設計為110 m，孔深擬設計為20 m，錨桿入射角擬設計為與水平線成15°。

4 邊坡監測預警體系的構建

4.1 邊坡監測數據集成處理云平臺建立

針對司家營露天采場邊坡各部分不同的地質條件和邊坡穩定狀況，單一監測方案不能滿足保障邊坡安全穩定的需要，需要采用多種監測手段相互配合，強調邊坡表面和坡體內部協同測量和實時性。基于不同的監測原理，采用不同類型的傳感器可實時獲得礦山的地表位移、內部位移、應力等數據，此步驟即為監測數據的獲取。然后利用數據采集器和GPRS移動通信技術，完成數據采集器與監控中心之間的數據交換，實現監控中心與礦山監控點之間的遠程網絡數據傳輸［5］。

隨后，監測的數據將會傳輸到云服務器，云服務器起到一個信息中轉與處理的作用，除了將監測信息以數據庫文件格式保存在云磁盤以外，還將基于人工智能算法，實時結合初步確定的監測預警指標和多源監測數據自動預判，將潛在的預警信息通過短信或郵件實時發送專家系統［6］、現場相關工作人員及礦山領導部門；專家系統結合監測數據預警信息、三維可視化信息集成客戶端及現場實際反饋情況，決定是否達到預警條件以及預警級別，并及時建議礦山有關領導作出決策，最終整個系統實現實時在線監測、預警目的。

4.2 監測預警平臺客戶端

在平臺建立的初始階段首先需要利用3D Mine軟件建立整個礦山的三維數字模型，還有巖性模型、斷層模型、勘探線、礦體、卡車、監測儀器、坐標網格等模型，以及后續的各模型貼圖，已完成貼圖的地面模型如圖5所示。

基于Unity 3D綜合集成的專業引擎進行數據發布、預警平臺的建設，在PC端實現的功能在移動端也可實現，從而達到更便捷監測的目的。

目前已制作了一個初步的數據發布預警平臺，部分功能包括開采現狀地表模型、礦區的巖性分布以及礦區的應力、位移云圖和塑性區位置的估測模型。

5 監測與預警

通過模型與數據的結合，可以實現對模型的點擊查看監測數據，從而達到便捷地查詢所需監測數據的目的。以邊坡位移監測為例，如圖6所示。另外與監測廠家數據平臺實現了數據對接，建立了監測與歷史數據查詢功能，可實現累計位移、速度、加速度的實時查詢。另外還可以通過日期面板上對初始日期與終止日期的選擇，查詢所需時間段的歷史數據，從而進行歷史數據對比。

由于目前采場監測設備處于安裝和調試階段，缺乏實際的監測數據，所以尚未對預警功能進行較多的開發。在下一步的工作中，將會重點進行邊坡位移、滑動力和微震監測數據的分析以及預警閾值的計算。以預警閾值為基礎，將會開發相應的預警模塊，實現實時分析判斷接收的監測信息，對于達到預警標準的數據進行自動保存與預警。

6 結 論

（1）結合目前采場邊坡穩定性和監測現狀制定出了露天邊坡監測方案，初步實現了以云服務器為載體的監測數據集成處理平臺的搭建，包括從監測數據的獲取、傳輸以及監測數據到云服務器的簡易處理與存儲。同時以3DMine模型制作和Unity 3D虛擬開發平臺為基礎，開發出司家營露天采場邊坡數據監測預警平臺客戶端，最終實現對不同類型在線監測系統的整合。在長期的監測過程中，對系統不斷地調整完善，最終達到精準預警確保生產安全的目標。對于國內其他露天礦山高陡邊坡穩定監測具有借鑒意義。

（2）已經可以實現查看地表、斷層、礦體、巖性等三維模型；可以通過預設的自動觀察路徑或者自由選擇路徑，對司家營礦區進行全方位的觀察；可以通過查看應力、應變、塑性區隨開采進行發生的變化，對邊坡穩定性進行分析；可以通過數據的模擬實現邊坡位移監測與預警。