城門山銅礦臨湖開采高陡邊坡在線安全監測系統建設研究

羅來林 蔡 璋 馬 凱 楊天鴻 楊 博

（1.江西銅業股份有限公司城門山銅礦；2.東北大學資源與土木工程學院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

滑坡災害是露天礦安全高效開采的主要威脅。隨著露天礦產資源的持續開采，國內高陡邊坡數量不斷增加，邊坡失穩造成的滑坡災害日趨嚴重。據統計，僅2001—2007年，我國金屬非金屬露天礦山邊坡坍塌事故累計達1 951起，占事故總數的15%，傷亡人數就高達3 605人［3-4］。因此，對邊坡變形進行實時監測，研究邊坡失穩與滑坡致災機理，以形成一套完整可靠的監測預警系統是保證露天礦安全高效開采的重中之重。

邊坡在線實時監測是研究滑坡機理與實現滑坡預警的基礎，只有獲取精確、完整、真實的監測數據，才能保證滑坡分析及預警的可靠性［5］。目前多采用GPS-RTK技術［6］、S-SAR合成孔徑邊坡雷達［7］、三維激光掃描儀［8］、時域反射儀［9］、測量機器人與微波雷達［10］、北斗衛星系統［11］、地理信息系統（GIS）［12］等單一或多元系統監測邊坡穩定性，并致力于提高現場監測精度的研究［13］。

然而，若對整個邊坡進行實時監測，監測工程量與耗資巨大，且沒有必要，有時甚至影響礦山正常生產。不同的露天邊坡，其邊坡環境、地質條件、采掘形態等各具差異，由此決定的潛在危險點、易滑坡區域、重點監測區域是不同的。為此，本研究以城門山銅礦露天邊坡作為工程案例，基于邊坡工程及水文地質條件，確定影響邊坡穩定的主要因素。依據邊坡分級與工程地質分區結果，采用Maptek Sentry系統與GNSS系統相結合的非接觸與接觸式并行位移監測方法，并輔以降雨量、滲流壓力、裂縫監測，建立城門山銅礦臨湖開采高陡邊坡在線安全監測系統，做到實時監測，及時提供防治措施，盡可能提前發布滑坡預警，促進該礦二期工程安全高效開展。

1 工程概況

城門山銅礦屬廣義的矽卡巖型和斑巖銅礦床，并共生硫、鉬、鐵等礦產，是江西銅業公司的主要礦點之一。礦體走向近東西，走向長為160～1 040 m，傾向北，傾角為10～40°，礦體平均厚度約30 m。礦體賦存標高為+78～-493 m，埋藏淺，覆蓋層不厚，易于露天開采。對于城門山銅礦，威脅其邊坡穩定性的主要地質因素有以下幾個方面。

（1）邊坡巖體破碎程度與風化作用。從構成礦區邊坡的巖組特點來看，露天礦南幫的接觸角礫巖和復合成因角礫巖組成分復雜，結構比較松散，力學性質較差；而對于組成露采邊坡的其他巖組，受亞熱帶濕熱環境下嚴重風化作用影響，使其原巖力學性質大幅降低，上部風化層巖石多呈松散、碎軟狀，邊坡穩定性較差。礦區南部風化深度達-140 m，北部達-100～-150 m，西南風化帶最深達-300 m。前期綜合研究表明，城門山銅礦典型礦巖的平均單軸抗壓強度僅有10～40 MPa。

（2）水的作用與構造破碎帶。研究與實踐表明，水對邊坡穩定性具有重要影響。城門山銅礦采礦場位于丘陵和湖濱區、長江中下游昌河流域，除南部丘陵外，三面被賽湖、城門湖環抱，湖泥作為邊坡的頂部地層，分隔了湖水區域與礦區，廣泛分布于露天采坑的北部區域，絕大部分礦體位于侵蝕基準面以下。此外，F1、F2斷層位于礦區南部，形成了長1 600 m、寬20～60 m的斷裂破碎帶，嚴重影響邊坡穩定性。

隨著擴建工程進入二期，采場深度逐步增大，目前露天采場最低標高已達-110 m以深，邊坡南北長約1 200 m，東西寬約1 000 m。西側邊坡部分臺階并段后整體坡度較大；東部和北部邊坡相對更加松散破碎，東部和南部風化巖體邊坡都發生過局部滑坡。綜合城門山銅礦采場現狀、前期資料及礦區規劃圈定范圍，南部和東南部區域邊坡出現不同程度垮塌，北部、東北角邊坡有裂縫，西側邊坡沖刷溝槽，其它區的邊坡穩定性較好。且南部F1、F2斷層破碎帶及邊坡巖層均為順坡向，滑坡危險性較高。因此，對城門山銅礦露采邊坡穩定性進行實時監測及災害預警，將有利于其二期工程的安全高效開展。

2 監測系統建立

目前城門山銅礦露采邊坡上下高差已超過200 m，二期擴建工程完成時將超過370 m，屬高邊坡，高度等級指數H=2；巖石邊坡角為41～47°，屬于陡坡級別，坡度等級指數A=1；礦區地質條件等級指數G=1，前期確定的邊坡最終優化許用安全系數為1.20和1.25這2種工況，滑坡風險等級指數為3或4。綜合其變形指數D=H+A+G=4，安全監測等級確定為一級，故依據規范，邊坡監測包括邊坡變形監測（表面位移和內部位移）、采動應力監測、爆破震動監測（質點速度）、水文氣象監測（滲透壓力、地下水位、降雨量）、視頻監控5個方面內容。

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，同時結合降雨量、地下水、爆破震動、采場視頻監控等監測數據，綜合分析采場邊坡的安全狀態。為實現系統預警，需確定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，這里主要論述邊坡表面位移及部分水文氣象監測系統的建立。

2.1 現場監測方案

現場在線監測系統構建從系統功能出發考慮3個層次，分別為現場數據采集層、數據管理層與網絡應用層，以形成數據采集、傳輸與遠程分析的流程控制系統，如圖1所示。為保證監測數據實時、連續、完整獲取，數據采集層采用非接觸與接觸監測相結合的布置方式。在邊坡布置三維激光監測Maptek Sentry系統（非接觸式），并增設GNSS位移監測站（接觸式）在雨霧天氣下Maptek Sentry系統監測不良時以保證監測數據可靠獲取，確保實時監測。

Maptek Sentry監測系統利用三維激光掃描儀連續獲取邊坡點云數據，所使用的脈沖式激光測距技術可以保證精確地采集目標三維空間數據，可自動控制三維激光掃描儀采集邊坡點云數據。為將激光點云數據有效用于邊坡移動監測，監測軟件系統巧妙利用單元格參考元算法，即把邊坡某一區域的激光掃描點作為一組相關數據綜合考慮。Maptek Sentry全天候持續監測站設置在西幫中部，主要監測范圍110°，最大監測距離950 m，最短距離為700 m，目標對象監測區域見圖2（a），分為1#～8#。在南幫與東幫各設置1個定期監測站，在西幫設置2個定期監測站，以覆蓋全部露天采坑邊坡，見圖2（b）。監測數據通過無線網絡與光纖傳輸至礦山調度中心，監測預警分級通過短信或者郵件發送至相關人員。通過現場擺放木板與傾斜移動木板對位移變形數據做定點定量測試，監測系統穩定可靠。

為解決三維激光掃描儀在雨霧天氣監測數據不連續的問題，采用GNSS接觸式監測方式進行彌補，在具有代表性的區域建立變形觀測點，在遠離監測點合適的位置（如穩固的基巖上）建立基準點。并在基準點架設GNSS接收機，由已知的高精度三維坐標，定期連續觀測得到變形點坐標（或者基線）的變化量，建立安全監測模型，分析采場變形規律并及時反饋。為提高監測代表性，優化監測系統，GNSS點布設需綜合考慮邊坡現狀、監測范圍等要素。為此，通過邊坡分區以確定其布設方案。

邊坡分區包括地質分區和邊坡幾何參數分區。根據相關資料，將城門山銅礦露天采場分為4個不同的工程地質分區，如圖3所示。GNSS監測建設方案以工程地質分區作為分區監測依據，對各分區監測項目進行針對性設計。

I區位于露天采場二期最終境界南面邊坡，上部以中風化為主，巖體質量較好，堅硬強度高、透水性差，抗風化能力強；下部邊坡強風化，節理發育，巖石破碎。上部巖體弱面陡，且順邊坡傾向，可能形成平面剪切破壞。根據以往抽水試驗成果，該區2套地層含水性微弱，為相對隔水層，地下水對該區邊坡影響甚微。因此，在I區邊坡上布設3個表面位移監測斷面，每個監測斷面宜布置上下2個表面位移監測點，兼顧上部巖體整體滑移風險及下部破碎巖體局部失穩的監測，不設地下水位或滲流壓力監測，僅依靠人工觀察確定地表水頭出露情況。

II區位于現露天采場坑底南側和西南側，工程地質條件較差，地表水發達，地下水豐富，坡面有水流出，為區域地下水進入露天礦的集中徑流通道。該分區坡體上部湖泥分布廣泛且有巖溶發育，區域邊坡穩定較差。因II區邊坡較緩，僅布設1個表面位移監測斷面，重點監測上部湖泥層邊坡，另布設2個地下水滲流壓力監測點對該區地下水位及地表徑流水量實時監測。

III區位于露天采場中部、西側、北側和東側大部分區域，區域裂隙發育，透水性相對較弱，地下水對風化帶邊坡略有影響。西側邊坡上部巖體較風化，而湖泥固結改性又利于邊坡穩定，僅在西側邊坡的回填土垮塌區布設2個表面位移監測點，以監測其擠壓變形位移。北東側邊坡風化嚴重，地下水出露，且有兩處坍塌，故各布設2個位移監測點與滲流壓力監測點，監測其滑坡進一步發展與地下水動態。另外，北東側邊坡上部殘坡積層全部滑塌，有區域裂縫存在，另增設2個裂縫監測點，對裂縫變化趨勢跟蹤測量。III區東側邊坡風化、巖溶均較為嚴重，且有2處滑坡垮塌。因此，在東側邊坡布設表面位移監測斷面3個，每個斷面布置上下2個表面位移監測點，并在火成巖與灰巖的接觸帶附近設滲流壓力監測點3個。

IV區位于采場最終境界東面邊坡的南部。該區巖溶發育，平均滲透系數高，邊坡穩定受地下水影響嚴重，且有F1斷層通過。故在該區布設表面位移監測斷面2個，每個監測斷面布設上下2個表面位移監測點，監測點標高間距取30～50 m，重點布置在F1斷層通過的地段，另在2個監測斷面靠近坑底的合適位置（貼近F1斷層通過地段），布置滲流壓力監測點2個。邊坡GNSS監測點總體布置如圖4所示。

2.2 監測數據融合展示

除確定邊坡監測點布置方案外，還對現場監測供電、通訊、雷電防護等作了優化布置，確保監測系統安全穩定運行，保障監測數據實時獲取。為實現三維激光掃描數據與GNSS表面位移監測數據融合分析與直觀展示，采用自動導出接口與功能，或提供封裝后的程序調用模塊，輔助完成監測數據的綜合分析預警，并借助VR三維管控平臺進行統一展示。

3 監測結果分析

3.1 南部邊坡監測結果

從南部邊坡三維激光掃描儀與GNSS聯合監測結果看，該區于6月22日開始出現較大范圍變形量，影響范圍約1.2萬m2。圈選南部+14～-58 m邊坡與南部-10～-34 m邊坡變形曲線變形趨勢基本一致，南部-10～-34 m邊坡變形量從6月22日至今累計變形量持續增大，累計值達279 mm，位移增量為260 mm，幅度較大。該區變形出現2次加速，為6月22日至28日累計位移從10 mm突增至100 mm，保持基本不變后從7月5—7日位移變形量迅速增至280 mm。從變形曲線趨勢看，該區域位移變形仍將繼續擴大。

另外，南部+26～+14 m邊坡在7月4—7日，位移變形量從-5 mm增至+88 mm，變形量增幅較大。現場查看后，邊坡有大量裂縫出現，并存在巖石散落現象，坡體穩定性較差，具有滑坡風險。南部+38～+26 m邊坡6月份位移曲線如圖5，該區域邊坡表面位移變形呈S型，最大形變量為+90 mm，最小位移量為-21 mm，平均值為+40.7 mm，波動周期約為4 d，波動幅度呈擴大趨勢。再從變形速度上可以看出該區邊坡速率最大值為+200 mm/d，最小值為-935 mm/d，平均值約為+0.94 mm/d，忽略最小值后平均值約為2.5 mm/d。持續監測進入7月份后，位移變形保持穩定，無明顯突增現象，表明該區域坡體目前相對穩定，但仍需實時跟蹤監測。綜合上述監測結果，南部邊坡部分區域變形大小及分布范圍如圖6所示。

3.2 東南部邊坡監測結果

東南邊坡5月份各區域監測結果如表1?？梢钥闯鰱|南+14～-10 m、+86～+62 m、+110～+86 m邊坡5月份位移變形趨勢整體同步，+86～+62 m、+110～+86 m邊坡5月2—20日位移變形同步波動發展，而+14～-10 m邊坡位移變形則相對平穩，未有波動。5月20—22日，+110～+86 m邊坡監測數據出現斷續，其余2個區域位移變形同步突增，尤以+86～+62 m區域邊坡增幅最大，約200 mm。之后各區域位移變形經短期平穩后出現同步恢復，+14～-10 m邊坡區域基本恢復至突增前平穩狀態，+86～+62 m與+110～+86 m邊坡則繼續呈波動發展。另從邊坡變形速率同樣可獲取上述規律，可見5月份東南邊坡總體穩定性較好，位移變形未出現惡性持續突增與突減，邊坡企穩特性較強，+86～+62 m與+110～+86 m區域位移變形同步波動，+14～-10 m區域基本保持平穩。

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3.3 南部邊坡GNSS監測結果

選取南部邊坡說明輔助GNSS接觸式監測可靠性，其中+14 m平臺B70號GNSS實時在線監測點表面位移變形如圖7所示?？梢钥闯?，2020年6月1日—7月7日，監測數據傳輸實時連續，完全可彌補雨霧天氣三維激光掃描儀監測數據的不連續性。從位移變形情況看，B70號監測點從6月20日位移變形量逐漸增大，尤以向北變形最大，累計最大值達102.3 mm，向西變形次之，累計最大值為84.4 mm，高程下沉量相對較小，為42.6 mm。從曲線變形趨勢看，目前該點位移變形呈擴大趨勢。而該點速度變形結果表明，從7月4日開始出現2次較大跳動，北向速度最大值達2.2 mm/h，西向速度最大值達2.3 mm/h，高程位移速度波動較為劇烈，目前該點變形速度仍有增加，具有加速失穩滑坡可能性，仍需重點跟蹤監測，提前對滑坡災害進行預警。監測剖面上的+86 m平臺B69號監測點，其位移變形范圍較小，在三方向呈窄幅振蕩趨勢，位移速度雖波動劇烈，但始終未脫離窄幅區間，且未見失穩加速趨勢，邊坡穩定性較好。

3.4 降雨量與裂縫監測

城門山銅礦6—7月份降雨強度監測來看，該礦區邊坡降雨強度最大值為+69 mm/h，降雨量多集中在6月18—20日、6月22—24日和7月2—7日。結合上述邊坡各區域位移監測結果，降雨量與邊坡位移并無明顯直接的相關關系，降雨對邊坡穩定性的影響具有滯后性，應注重干濕循環條件下邊坡的劣化作用。而對于穩定性較差，且處于臨滑狀態的邊坡，降雨量突增多作為誘發因素導致滑坡形成。因此，多雨天氣下的邊坡穩定性監測對可能性的滑坡預警極其重要，需實時進行，跟蹤監測。

在圖8中，圈定了邊坡變形區并展示了6月底邊坡裂縫監測結果。6月28日，固定坑線+26～+38 m段北側擋墻出現微細裂縫（圖8（a）），寬約10 mm，總長約30 m，發生變形區段其裂縫發育反復活躍，需長期監測與處理。6月30日，+26 m平臺眉線出現垮塌（圖8（b）），但+14 m平臺完好。另外，-58 m平臺也有裂縫出現（圖8（c））。對于監測到有裂縫發育的區域，后續發展具有坍塌滑坡可能，應保持跟蹤監測，及時處理，尤其是防止地表水由裂縫進入坡體。

降雨除了誘發邊坡位移滑動與產生劣化作用外，同樣會促使邊坡范圍內裂縫形成與持續發育，降雨量突增甚至會沖破隔水工事，大幅降低邊坡穩定性。城門山銅礦7月初遇到強降雨，7月5日，強降雨在南部邊坡-34～-58 m形成沖溝（圖9（a）），并沖塌下方已做隔水措施的-58～-70 m邊坡（圖9（b））。7月6日，受降雨影響，固定坑線+38～+26 m段外沿+26 m平臺出現東西走向的張裂縫，寬約10 cm，傾向近于垂直，延深大于2 m，并有加寬趨勢（圖9（c）、（d））。降雨在邊坡外沿的防隔水區域同樣會產生裂縫，裂縫形成后，降水由裂縫持續進入坡體，影響邊坡穩定?，F場觀測顯示，+14 m平臺防隔水區域受降雨影響，裂縫形成與發育經歷了以下幾個階段：降雨前隔水防治狀況（6月30日）（圖9（e））、降雨后初始裂縫形成（7月6日）（圖9（f））、雨后裂縫持續發育與平臺沉降（7月7日）（圖9（g））、多條階梯狀后緣裂縫產生（7月8日）（圖9（h））。邊坡外沿過多的裂縫產生將加速地表水進入坡體，弱化坡體力學參數，潤滑巖體結構面，降低邊坡企穩特性，故需及時對裂縫做防隔水處理。

根據目前城門山銅礦監測數據分析結果，提出以下應對措施。

（1）加強汛期邊坡巡查力度，密切關注邊坡動態，及時處理。

（2）針對南部邊坡不穩狀況，在汛期來前對+14 m平臺采用黏土隔水，布設邊坡導水管集中疏導大氣降雨積水，防護邊坡。

（3）針對固定坑線+38～+26 m、+14～-10 m段道路張拉裂縫采用覆膜隔水方式治理，擋墻內移，警示單道通行，后期優化拓展道路，提高運輸安全。

（4）在南部邊坡險情未解除之前，采坑一定區域設置安全警示線，禁止人員與設備進入失穩邊坡危險區域。

（5）在防洪渡汛高危期，暫停采坑內晚班采剝作業。加大宣傳力度，提高員工自我保護及警提意識。

由監測數據分析表明，依據城門山銅礦露采地質條件所建立的在線安全監測系統具有較好的適應性與可靠性，采用人工定點監測、三維激光掃描儀在線監測及GNSS自動監測等多種方式監測邊坡形變動態，能夠提供連續、多維、實時監測數據，分析結果可有效用于判別邊坡穩定性狀態、識別潛在滑坡區域、指導潛在危險區域治理、盡可能提前發布預警信息等，可滿足城門山銅礦二期工程安全高效開展的實際需要。

4 結論

（1）以城門山銅礦露采邊坡為工程背景，確定了影響邊坡穩定性的主要因素，通過邊坡分級與地質分區，采用Maptek Sentry系統與GNSS系統相結合的非接觸與接觸式并行位移監測方法，并輔以降雨量、滲流壓力、裂縫監測，對邊坡重點區域進行實時監測，建立了城門山銅礦露天邊坡在線安全監測系統。

（2）通過分析部分區域監測數據，驗證了所建城門山銅礦露天邊坡在線安全監測系統的適應性與可靠性，監測數據實時連續，分析結果可有效用于判別邊坡穩定性狀態、識別潛在滑坡區域、指導潛在危險區域治理、盡可能提前發布預警信息等，可滿足城門山銅礦二期工程安全高效開展的實際需要，可為其他類似礦井安全監測系統建立提供參考。