智能化安全評估與監測技術在上房溝鉬礦的應用實踐

肖春營，張 達，盧長偉，王利崗

(1.洛陽富川礦業有限公司，河南 欒川 471599；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

礦產資源是我國國民經濟的基礎，是中華民族偉大復興的重要戰略支撐。露天開采因其高效率、低成本、高安全性等特點，一直是我國非煤礦山首選的，也是最為普遍采用的開采方式。截至2020年底，我國共有非煤礦山3.2萬余座，其中露天礦山數量高達2.4萬余座。然而，隨著我國地表優質礦產資源的多年粗放型高強度開采，露天礦山的礦巖條件日趨復雜，開采深度逐年增加，邊坡高度和傾角日益提高，導致邊坡滑移、垮塌等巖土災害頻發，嚴重制約了礦山的開采作業安全，成為限制礦山未來可持續發展的瓶頸難題。與2015年相比，我國2020年非煤礦山安全生產事故起數和死亡人數分別下降28.2%和39.2%，總體趨勢向好。然而，進入2021年以來，非煤礦山連續出現多起安全生產事故，造成極為惡劣的影響，再一次為礦山的安全管控問題敲響了警鐘[1-3]。

對非煤露天礦山而言，邊坡垮塌事故致死人數一直居露天礦山安全事故致死人數之首。為此，近年來，我國出臺了一系列的法律法規以保障邊坡生產作業安全。2016年，應急管理部印發了《非煤礦山領域遏制重特大事故工作方案的通知(安監總管—[2016]60號)》，要求邊坡高度200 m以上的露天礦山高陡邊坡、堆置高度200 m以上的排土場，必須進行在線監測，并定期開展穩定性專項分析。2017年，應急管理部印發了《金屬非金屬礦山重大生產安全事故隱患判定標準(試行)》的通知(安監總管—[2017]98號)，將未按國家標準或行業標準對采場邊坡、排土場穩定性進行評估，高度200 m及以上的邊坡或排土場未進行在線監測或運行不正常等情況視為重大生產安全隱患，限期進行停產整改。2018年，應急管理部發布了《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》，進一步細化明確了采場邊坡監測和風險評估的具體技術要求及工程實施細則。

本文基于洛陽富川礦業有限公司上房溝鉬礦開采過程中的邊坡安全管控實踐，系統開展了露天礦山邊坡穩定性評估和在線監測技術研究，并建成了具備高可靠性、高擴展性和高智能性的邊坡在線綜合監測平臺，為礦山安全生產提供了必要的安全保障。

1 上房溝鉬礦基本情況

洛陽富川礦業有限公司上房溝鉬礦是亞洲最大的鉬礦床——欒川鉬礦床的一部分，采用露天開采，礦區面積為1.2073 km2，開采標高為+1 520～+1 154 m，礦山生產規模為165.00×104t/a。礦山為地下轉露天開采，1987年主平硐開始掘進，1988年河南省計委批復1 000 t/d采選工程項目，1993年地下開采投產，1996年開始露天基建，形成露天和地下聯合開采，至2004年底露采形成1 000 t/d生產能力，由于礦巖穩固性差，地下開采于2004年底全部停止并轉為露天開采，至2007年形成了5 000 t/d的露天采礦能力。目前，上房溝鉬礦共設置1個露天采場、5個廢石場、1個工業場地。其中露天采場以縱8線為界，分東、西兩部分，縱8線以東為東部采區，縱8線以西為西部采區。

2 上房溝鉬礦邊坡穩定性評估

2.1 邊坡現狀分析

上房溝鉬礦采場邊坡在開采過程中存在較大的安全隱患。一方面，局部地段受構造影響，巖石較破碎，且邊坡巖體局部節理裂隙發育，開采中或開采后可能形成大的邊坡危險巖體，爆破振動擾動下周圍巖土體應力場隨之遭受累進性破壞，導致巖土體變形而產生崩塌。另一方面，開采中或開采后形成了高陡露天邊坡，由于礦山開采過程中爆破振動，周圍巖土體應力場隨之遭受累進性破壞，特別是坡腳遭受切割，又沒有防護措施，在暴雨或人為活動的影響下，可能發生滑坡或滑塌災害事故。同時，土石方開挖致使形成的露天邊坡角度遠大于地形坡度，開采設計的邊坡參數為臺階坡面角70°，最終邊坡角45°，可能造成臺階巖石的崩塌，遇弱面可能造成邊坡滑坡。此外，由于露天采場范圍內存在大量的地下開采采空區，礦山開采過程中，在爆破振動影響下，也可能造成采場塌陷和影響邊坡穩定。通過現場踏勘發現，采場邊坡坡面上局部地段堆積有大量廢石，如圖1所示。在暴雨或爆破振動的影響下，易發滾石傷人事故或泥石流。

圖1 上房溝鉬礦采場邊坡現狀圖Fig.1 Open-pit slop of Shangfanggou Molybdenum Mine

針對上述邊坡風險，本文采用現場調研、工程地質踏勘、極限平衡法及理論分析等研究方法，綜合分析了上房溝鉬礦邊坡的穩定性，具體評估流程主要包括現場調研、工程地質踏勘、極限平衡分析、理論分析等環節，如圖2所示。

圖2 上房溝鉬礦采場邊坡穩定性評估流程Fig.2 Open-slope stability evaluation of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)現場調研

通過現場調研，詳細分析上房溝鉬礦的開采現狀，收集相關資料及以往的研究成果。

2)工程地質踏勘

對上房溝鉬礦地質背景及現狀邊坡工程地質特征進行分析，結合以往的勘探成果，初步判定邊坡的潛在滑坡模式，確定巖土體物理力學指標，為邊坡穩定性分析計算提供依據。

3)極限平衡分析

迄今為止，在邊坡穩定性分析中，極限平衡法以其概念清晰、計算簡單、工程資料豐富應用最為廣泛。常用的極限平衡分析方法有瑞典條分法(或Fellenius法)、簡化Bishop(畢肖普)法、Janbu(簡布)簡化法、Spencer(斯賓塞)法、Morgenstern-price法和陸軍工程師法等[4-6]。其中，Bishop法適合于圓弧滑動，考慮到上房溝鉬礦采場的邊坡工程地質條件，擬基于該算法，利用GeoStudio極限平衡分析軟件，對邊坡的穩定性進行計算和分析。

4)理論分析

通過查閱資料，歸納總結分析露天礦山采場邊坡風險，并結合上房溝鉬礦實際情況，制定有針對性的邊坡災害防控措施，為邊坡在線監測系統建設提供理論和數據支撐。

在開展邊坡穩定性分析過程中，結合現場邊坡開挖現狀，將邊坡臺階+1 380 m水平以上劃為Ⅰ臺階段，臺階+1 380～+1 335 m水平劃為Ⅱ臺階段，臺階+1 335～+1 290 m水平劃為Ⅲ臺階段，并建立邊坡分階段穩定性計算模型，如圖3所示。

圖3 采場邊坡分階段穩定性計算模型Fig.3 Slop stability calculation model and stages classification

本文計算了上房溝鉬礦采場南部邊坡和東部邊坡不同臺階區段在三種荷載組合下的穩定安全系數，如圖4所示。基于邊坡穩定性評估結果，再結合人工現場勘測和核查，可以得出結果如下：

圖4 上房溝鉬礦采場邊坡穩定性評估結果Fig.4 Open-slope stability evaluation output of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)采場南部邊坡Ⅰ臺階段(+1 380 m水平以上)坡面陡，坡面角最大為75°，最終邊坡角為56°，節理裂隙發育明顯，且大部分節理面與邊坡順層，在三種荷載組合下的穩定安全系數計算值都小于安全儲備系數1.3，屬于不穩定坡體。采場南部邊坡Ⅱ臺階段(+1 380～+1 335 m水平)坡面較緩，且已形成正規臺階，在三種荷載組合下的穩定安全系數計算值都大于1.3。由于上房溝鉬礦采礦作業主要集中在采場南部邊坡Ⅲ臺階段(+1 335～+1 290 m水平)范圍內，工作幫邊坡居多，采場底部因頂板剝離后礦體賦存高低不平，局部開采臺階高度與正常采礦臺階高度為15 m不盡一致，且臺階局部坡面較陡。從穩定性計算結果可以看出，在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩定安全系數小于1.3，其他兩種荷載組合工況穩定安全系數均大于1.3，說明該邊坡臺階區段總體較穩定，但存在一定垮塌風險。

2)采場東部邊坡由于坡度較緩，只有Ⅱ臺階段(+1 395～+1 335 m水平)在荷載組合Ⅲ(坡體自重+地震力)作用下，穩定安全系數小于1.3，其他邊坡臺階區段的穩定安全系數都大于1.3，邊坡總體穩定性較好。然而，采場東部邊坡巖體比較破碎，節理裂隙發育明顯，其邊坡穩定性更容易受到爆破振動、地震動或其他外力的影響，+1 335 m水平以上(除了Ⅱ臺階段荷載組合Ⅲ工況)的計算結果也是稍微高于安全儲備系數，存在一定風險隱患。

3 上房溝鉬礦邊坡在線監測系統構建

3.1 監測措施的選擇及布點設計

本文總體上基于點監測與區域監測技術相結合、高距離分辨率和高平面分辨率監測技術相結合的原則進行邊坡在線監測系統的優化構建。基于上房溝鉬礦的采場邊坡穩定性分析結果，需要重點針對采場南部邊坡開展安全監測，適當兼顧東部邊坡[7-9]。

依據國家相關規范，上房溝鉬礦采場南部邊坡的安全監測等級為一級，應設置的監測項包括：邊坡表面位移、內部位移監測、爆破震動監測、地下水監測、降雨量監測、視頻監測，監測點布置如圖5所示。

圖5 露天邊坡在線監測系統監測點布置Fig.5 Open-pit slope safety monitoring point layout

本項目采用了加拿大Optech公司的Polaris型三維激光掃描儀對邊坡進行實時的高空間分辨率三維掃描，并通過相鄰兩次掃描數據的對比，實現對于邊坡表面位移的動態監測。在邊坡北西側邊坡頂部穩定區域建設監測房，將三維激光掃描儀置于監測房內，從而實現對南部邊坡和東南部邊坡的在線監測，三維激光掃描儀及其在監測房內的運轉情況如圖6(a)所示，掃描得到的邊坡位移監測結果如圖6(b)所示。

圖6 露天邊坡三維激光掃描系統及監測結果Fig.6 3D laser scanner and the displacement output

考慮到在長時間強降雨、大霧等極端天氣條件下，三維激光掃描測量系統可能會因激光受到干擾而導致監測失效，本項目還采用了華測H3型GNSS接收機作為補充，可以與三維激光掃描監測數據相互融合，共在南部邊坡和東部邊坡布置了3個剖面7個監測點，其中在1380平臺設置監測點4個，在1410平臺設置監測點3個。另外，在北西側邊幫頂部、三維激光掃描儀監測站外側、碎礦車間外側卸礦點旁還設置了3個GNSS基準點。監測點和基準點的監測設備均采用一體化監測站，通過太陽能供電，實時監測數據通過4G全網通模塊加物聯網卡的方式匯聚到礦山智能調度中心，如圖7(a)所示。

圖7 露天邊坡在線監測系統一體化監測站Fig.7 Integrated monitoring station of open-pit slope safety monitoring system

邊坡內部位移監測采用固定式測斜儀，在1365平臺設置兩個監測孔，每個監測孔深100 m，孔內設三支測斜儀。地下水監測采用投入式壓電水位計，在1365平臺設置3個監測孔，每個監測孔深50 m，孔內設一支水位計。這些監測項均采用一體化監測站，通過太陽能供電，實時監測數據通過4G全網通模塊加物聯網卡的方式匯聚到礦山智能調度中心，如圖7(b)所示。

雨量監測采用翻斗式雨量計，設置在1365平臺中部，供電通信方式與內部位移監測、地下水監測相同。爆破振動監測采用網絡型爆破振動測試儀，在1365平臺、1380平臺、1410平臺中部各設一臺，數據直接通過無線發送至礦山智能調度中心。視頻監測點分布于采場周邊，可從各角度覆蓋邊坡主要區域開展全天候監控。

3.2 露天邊坡在線監測平臺建設

為保障邊坡在線監測系統的可靠性、穩定性和預警有效性，本文提出了公有云和本地私有云相結合的礦山安全監測分析云服務平臺架構。三維激光掃描儀、表面位移監測GNSS、地下水位監測、降雨量監測、爆破震動監測和視頻監測均采用物聯網方式實現接入，通過太陽能供電和無線通信，將數據經由無線基站發送至位于礦山調度中心的綜合監測服務器，在礦山本地的私有云平臺上完成數據采集、存儲、大屏幕展示和分析預警，如圖8所示。另外，這些監測數據通過互聯網和安全專線，同步至位于公有云的礦山安全監測分析云服務平臺，享受功能更加豐富的數據分析和系統運維服務，如圖9(a)所示。

圖8 露天邊坡在線監測系統網絡拓撲結構Fig.8 Network topology of open-pit slope safety monitoring system

本文結合上房溝鉬礦邊坡安全管理需求，建立了在線監測系統相關的數據報表、分析報告、預警信息等模板庫，實現了異地數據同步與前臺應用開發，完成了分析-統計-報表-報告-預警過程的在線發布，使得礦山管理人員能夠快速獲得第一手數據，對監測數據三維發布和分析結果進行綜合分析，如圖9(b)所示。

圖9 礦山安全監測分析云服務平臺Fig.9 Cloud platform of mine safety monitoring and analysis

礦山安全監測分析云服務平臺可實現對露天礦山生產過程中邊坡實時狀態的在線監測與風險評估，一旦邊坡出現異常情況，在線監測系統立即進行聯動報警，保障礦山的生產作業安全。同時，該平臺還通過故障自診斷技術對在線監測系統的運行狀態進行實時“體檢”，大幅提高監測數據的準確性和監測系統的可靠性，通過及時排查系統故障和處置潛在隱患，確保邊坡在線監測系統運行在最佳狀態。

4 結論

針對我國露天開采礦山日益頻發的因礦巖條件日趨復雜、開采深度逐年增加、邊坡高度和傾角日益提高所導致的邊坡滑移、垮塌等巖土災害，基于洛陽富川礦業有限公司上房溝鉬礦開采過程中的邊坡安全管控實踐，開展了露天礦山邊坡穩定性評估，基于評估結果有針對性地制定了邊坡的在線監測方案，并建成了具備高可靠性、高擴展性和高智能性的邊坡在線監測系統及礦山安全監測分析云服務平臺。現場應用表明，該系統運行可靠、預警有效，保障了上房溝鉬礦的生產作業安全，也為我國同類露天礦山的安全管控提供了有益參考。