非煤礦山露天開采邊坡安全監(jiān)測設(shè)計研究

熊贊民, 習(xí) 泳, 孫家駒, 王恒濤

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

1 前言

近年來,隨著砂石骨料等建材市場的發(fā)展,更多的露采礦山進入建設(shè)實施階段;另一方面,隨著現(xiàn)有的金屬露天礦山開采延續(xù), 邊坡高度逐年加大, 進而形成深凹露天邊坡, 安全風(fēng)險越來越高。露天開采需要對邊坡進行穩(wěn)定性分析,確定合理的設(shè)計參數(shù)[1-2],開采過程中,通過邊坡監(jiān)測,獲取邊坡的變形參數(shù),實現(xiàn)滑坡預(yù)報,關(guān)鍵特征參量數(shù)據(jù)是預(yù)報的基礎(chǔ)保障[3],是保證礦山安全生產(chǎn)的重要抓手,通過邊坡安全監(jiān)測,建立邊坡失穩(wěn)風(fēng)險控制機制,及時發(fā)現(xiàn)滑坡風(fēng)險,降低事故率,對露天開采礦山的安全高效發(fā)展具有重要意義。

隨著遙感和遙測技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、各類航空遙感解譯技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(GNSS)、雷達差分干涉測量(D—InSAR)等智能化監(jiān)測技術(shù)已在一些礦山得到廣泛應(yīng)用,各類監(jiān)測技術(shù)也在滑坡特定參量監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用[4-8]。

對于非煤露天開采邊坡,在相關(guān)技術(shù)規(guī)范里,均涉及到監(jiān)測內(nèi)容[9-10],但對監(jiān)測項目的要求不盡相同,執(zhí)行起來有諸多不便;在邊坡監(jiān)測預(yù)警值方面,沒有明確的規(guī)定;在監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成方面,如何合理運用這些先進監(jiān)測手段,恰當(dāng)?shù)剡M行安全監(jiān)測設(shè)計,也是迫切需要解決的問題。

本文綜合考慮有關(guān)規(guī)范的規(guī)定,確定邊坡的監(jiān)測內(nèi)容;通過跟蹤露天礦邊坡多源多場安全監(jiān)測主流的“空-天-地”一體化監(jiān)測技術(shù),優(yōu)選適合礦山露天開采安全經(jīng)濟的監(jiān)測方法;由近年來一些露天開采滑坡的實際監(jiān)測案例,給出了監(jiān)測設(shè)計邊坡預(yù)警值,提出四級預(yù)警及安全控制措施,進而建立滑坡地質(zhì)災(zāi)害安全預(yù)警系統(tǒng),形成經(jīng)濟、有效的監(jiān)測體系。

研究從邊坡監(jiān)測的各個環(huán)節(jié)出發(fā),形成了多源數(shù)據(jù)融合的露天開采邊坡安全監(jiān)測整套設(shè)計方法指導(dǎo)露天開采進行安全監(jiān)測和風(fēng)險預(yù)報,保證礦山安全生產(chǎn)。

2 監(jiān)測內(nèi)容確定

露天開采邊坡監(jiān)測一般包括變形監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、振動監(jiān)測、水文監(jiān)測。

邊坡監(jiān)測設(shè)計依據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(下簡稱非煤規(guī)范)《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(下簡稱高陡規(guī)范),針對露天采場到達最終設(shè)計開采境界位置時的邊坡高度和邊坡角,確定安全等級和監(jiān)測內(nèi)容。據(jù)高陡規(guī)范,高陡邊坡是指露天開采高度或坡度達到標準規(guī)定界限值以上的邊坡,200 m以上(含200 m)的為高邊坡,坡度大于42°(含42°)的為陡坡。

高陡邊坡對邊坡高度或總邊坡角度有限值要求,超過后才適用,因此在監(jiān)測設(shè)計時應(yīng)首先進行判定。滿足非煤規(guī)范的前提下,如邊坡滿足高或者陡的規(guī)定,則需要同時滿足兩項規(guī)范的要求。

2.1 邊坡安全監(jiān)測等級

根據(jù)相關(guān)規(guī)定“露天礦靠幫邊坡必須進行變形監(jiān)測,邊坡監(jiān)測的內(nèi)容和方法應(yīng)根據(jù)邊坡安全等級確定”。邊坡工程安全等級由邊坡高度和邊坡危害等級兩項指標來確定,分為三級。根據(jù)邊坡工程安全等級確定監(jiān)測項目。

根據(jù)高陡規(guī)范規(guī)定“露天礦山采場應(yīng)結(jié)合邊坡分區(qū)的安全監(jiān)測等級要求,對邊坡變形,采動應(yīng)力、爆破震動、水文氣象和場內(nèi)視頻進行監(jiān)測”。露天礦山采場邊坡依據(jù)高度、坡度、地質(zhì)條件、穩(wěn)定性等指標確定不同采場邊坡安全監(jiān)測等級,監(jiān)測等級分為四級。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)邊坡的等級確定的監(jiān)測項目,如兩個規(guī)范中任一規(guī)定為應(yīng)測,則按應(yīng)測項執(zhí)行。監(jiān)測項見表1。

表1 根據(jù)規(guī)范確定的邊坡安全監(jiān)測項目

由于金屬非金屬露天開采礦山總邊坡角度基本都大于42°,因此監(jiān)測設(shè)計時重點考慮兩種規(guī)范均適用的情況,根據(jù)表內(nèi)要求的內(nèi)容,選擇適宜的監(jiān)測內(nèi)容。

表中,變形監(jiān)測、降雨量和視頻監(jiān)控是必測項,這三項是基礎(chǔ)監(jiān)測項。一、二級邊坡需進行邊坡應(yīng)力監(jiān)測,由于露天開采邊坡按坡率法設(shè)計,一般無支護結(jié)構(gòu),因此設(shè)計時可不考慮支護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形監(jiān)測。另根據(jù)國家安監(jiān)局的要求,現(xiàn)狀高度200 m及以上的邊坡,應(yīng)當(dāng)進行在線監(jiān)測。

注:實際應(yīng)用時注意兩本規(guī)范并非每級都對應(yīng),但均需設(shè)置滿足各規(guī)范等級要求的監(jiān)測項目。表中列出了等級相同時的監(jiān)測項目。表中a、b、c為高陡邊坡分別滿足裂縫條件、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)時由可測調(diào)整為應(yīng)測項。

3 邊坡監(jiān)測預(yù)警值

3.1 邊坡穩(wěn)定狀態(tài)表征

各等級邊坡均需設(shè)置變形監(jiān)測。由于變形監(jiān)測快速和便利,并具有直觀性、準確性,是邊坡監(jiān)測中的最主要內(nèi)容。因此,選取邊坡向臨空側(cè)的表面水平位移來表征邊坡穩(wěn)定狀態(tài),當(dāng)邊坡出現(xiàn)裂縫后,同步對裂縫進行監(jiān)測,分析變形值和裂縫參數(shù),共同判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

對于露采邊坡,其變形發(fā)展可分為初始變形階段、勻速變形階段、加速變形階段(該階段又分為加速變形的初期、中期和后期),對應(yīng)邊坡穩(wěn)定狀態(tài)、次穩(wěn)狀態(tài)、臨滑狀態(tài)和起滑狀態(tài),最終形成滑坡。邊坡變形階段如圖1所示。

圖1 邊坡變形各階段圖

3.2 邊坡表面水平位移閾值

需確定與變形量相匹配的預(yù)警判據(jù),采用巡視檢查與儀器檢測相結(jié)合的方法,及時檢測并掌握邊坡穩(wěn)定性情況,監(jiān)測工作貫穿全程。相關(guān)文獻提出了一些邊坡破壞前變形速率統(tǒng)計[11],具體見表2。

表2 邊坡破壞前變形速率統(tǒng)計表

相關(guān)文獻提出了一些邊坡滑坡變形加速度臨滑預(yù)警指標[12],具體見表3。

表3 加速度臨滑統(tǒng)計表

在露天開采邊坡監(jiān)測方面,南芬鐵礦進行監(jiān)測,基于內(nèi)部應(yīng)力的攝動力監(jiān)測對南芬露天鐵礦下盤邊坡滑體進行邊坡預(yù)警,應(yīng)用南芬多源監(jiān)測系統(tǒng)對南芬2016滑坡進行了預(yù)警,相關(guān)文獻根據(jù)安家?guī)X4.2 mm/d,大冶4.0 mm/d,確定大孤山楔形滑坡紅色預(yù)警值為4.0 mm/d。

根據(jù)《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標準》,不同類型、不同性質(zhì)、不同特點的露天邊坡滑坡,在滑動之前,均會表現(xiàn)出不同的異常(滑移)現(xiàn)象顯示出滑坡的預(yù)兆(前兆),發(fā)生下列情況均可認為邊坡存在滑移現(xiàn)象。

(1)邊坡出現(xiàn)橫向及縱向放射狀裂縫。

(2)坡體前緣坡腳處,出現(xiàn)上隆(凸起)現(xiàn)象,后緣的裂縫急劇擴展。

(3)位移觀測資料顯示的水平位移量或垂直位移量出現(xiàn)加速變化的趨勢。

邊坡存在滑移現(xiàn)象的,即為重大生產(chǎn)安全事故隱患。

根據(jù)已經(jīng)使用的滑坡變形預(yù)警判據(jù)和滑坡預(yù)警研究資料可知,滑坡變形不存在統(tǒng)一的預(yù)警指標,在滑坡預(yù)警預(yù)報時應(yīng)把握其時間演化規(guī)律,根據(jù)監(jiān)測曲線準確地判斷邊坡所處的變形演化階段,借鑒已有的滑坡變形速率,將時間演化規(guī)律和滑坡地表裂縫的空間分布特征有機結(jié)合,綜合分析,并據(jù)此采取針對性的應(yīng)對策略和措施。

本文綜合分析上述監(jiān)測數(shù)據(jù),將邊坡啟滑時的水平變形閾值設(shè)定為:邊坡水平變形累計8 cm、水平變形速率4 mm/d。

目前相關(guān)規(guī)范中尚無邊坡變形的閾值規(guī)定值,因此在基建和生產(chǎn)中,需根據(jù)邊坡實際監(jiān)測和分析情況,對此閾值進行調(diào)整。

3.3 邊坡預(yù)警值和四級預(yù)警級別設(shè)定

邊坡預(yù)警采用四級:一級、二級、三級和四級,分別用紅色、橙色、黃色和藍色表示,一級為最高級別。邊坡預(yù)警值和四級預(yù)警級別見表4。

表4 邊坡預(yù)警值和四級預(yù)警級別表

4 監(jiān)測體系構(gòu)建

4.1 監(jiān)測技術(shù)手段

目前露天開采監(jiān)測逐漸走向智能化,現(xiàn)已發(fā)展到天-空-地-內(nèi)多平臺多模式協(xié)同觀測階段,主要的監(jiān)測手段有:

(1)“天域”衛(wèi)星平臺技術(shù):“天域”衛(wèi)星平臺識別技術(shù)包括新型識別技術(shù)和常規(guī)識別技術(shù),常規(guī)識別技術(shù)主要為衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)(低分辨率),新型識別技術(shù)包括高分衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、高分衛(wèi)星InSAR形變監(jiān)測技術(shù)、衛(wèi)星熱紅外遙感地?zé)岙惓ＷR別技術(shù)及多光譜、高光譜衛(wèi)星巖性識別技術(shù)等。

(2)“空域”航空平臺技術(shù):“空域”航空平臺識別技術(shù)包括各類航空遙感解譯技術(shù)(低分辨率),無人機(機載LiDAR)識別技術(shù)。

(3)“地域”地面平臺技術(shù): “地域”地面平臺識別技術(shù)包括常規(guī)地面地質(zhì)調(diào)繪、觀測與測試等,新型識別技術(shù)包括地面三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning,TLS)、導(dǎo)航衛(wèi)星GNSS在線監(jiān)測技術(shù)、雷達衛(wèi)星D-InSAR監(jiān)測技術(shù)等。

4.2 全天候監(jiān)測體系

1)室外監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng):力學(xué)傳感器、力學(xué)信號采集一發(fā)射裝置、線·面狀災(zāi)害信息集中采集和傳輸設(shè)備、衛(wèi)星發(fā)射一體機等。

變形監(jiān)測系統(tǒng):GNSS監(jiān)測系統(tǒng)包含接收機、供電及數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理軟件、防雷四個部分組成,該監(jiān)測供電一般采用外接太陽能電池進行供電、數(shù)據(jù)通訊采用移動網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

邊坡雷達監(jiān)測法是一種非接觸面狀監(jiān)測手段。基于微波遙感技術(shù)和干涉測量技術(shù),對整個坡面實現(xiàn)高分辨的全覆蓋,同時微波具有較強的穿透性,能夠在各種極端天氣下獲取到有效數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星通訊系統(tǒng)必須安裝在與監(jiān)測點通視條件良好的地方,保證每個監(jiān)測點的點．面狀災(zāi)害信息集中采集與傳輸節(jié)點與衛(wèi)星機距離適中,并且兩點之間必須通視。

2)室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

室內(nèi)設(shè)備主要有:信號接收器、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)以及一些輔助分析軟件。構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng),通過邊坡測量數(shù)據(jù),分析邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

開始掃描監(jiān)測之后,雷達傳感器采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)自動傳輸?shù)较到y(tǒng)軟件中,可實時查看監(jiān)測區(qū)域中各個位置或者區(qū)域的位移變化,根據(jù)實際情況選取監(jiān)測區(qū)域,可設(shè)置不同層級限差,根據(jù)設(shè)定的閾值,進行不同階段預(yù)警,超出限差后可通過郵件、電腦彈屏、聲音等多種形式報警。

4.3 安全監(jiān)測設(shè)備選用

常用的監(jiān)測設(shè)備見表5。

4.4 安全監(jiān)測設(shè)計方案

根據(jù)前述研究,露天采場的邊坡安全監(jiān)測設(shè)計方案如下:

(1)表面位移監(jiān)測(基礎(chǔ)監(jiān)測項目):邊坡表面位移監(jiān)測采用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)和邊坡雷達監(jiān)測,具有全天候、全時段測量的特點,能實現(xiàn)在線監(jiān)測,滿足高陡邊坡監(jiān)測要求。

邊坡雷達布設(shè)應(yīng)能對陡幫開采邊坡面進行全方位監(jiān)測,一般設(shè)置1臺即可。

沿陡幫邊坡開挖面豎向線性布置,應(yīng)布置3～4條剖面線。

(2)邊坡深部位移監(jiān)測:按照規(guī)范要求,對采場邊坡深部位移進行監(jiān)測。

(3)邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測:按照規(guī)范要求,布置邊坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測點。

(4)爆破振動監(jiān)測:按照規(guī)范要求,礦山在基建期應(yīng)進行爆破振動監(jiān)測,部署爆破振動儀。

(5)雨量監(jiān)測(基礎(chǔ)監(jiān)測項目):用于監(jiān)測露天采場降雨量,雨量計部署于采場最終境界外穩(wěn)定區(qū)域,設(shè)計1臺即可。

(6)地下水位監(jiān)測:根據(jù)區(qū)域地下水情況,布置在滲流來源方向。

(7)視頻監(jiān)控(基礎(chǔ)監(jiān)測項目):主要應(yīng)用于宏觀視頻監(jiān)控,根據(jù)采礦安全管理需求,監(jiān)控范圍應(yīng)覆蓋主要坡面與重點監(jiān)控區(qū)域。

邊坡開挖高度小于200 m時,建立臨時監(jiān)測點,達到200 m時,建立在線監(jiān)測系統(tǒng)。

4.5 安全監(jiān)測體系動態(tài)評價

邊坡穩(wěn)定性的動態(tài)評價研究。露天礦邊坡客觀對象是動態(tài)發(fā)展的,必須跟蹤監(jiān)測其穩(wěn)定性;同時主觀的穩(wěn)定性評價隨采礦發(fā)展也是動態(tài)的。

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)反饋的邊坡狀態(tài),根據(jù)表5各級預(yù)警采取不同措施。如邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)跡象,在黃色和橙色預(yù)警時可選擇一些行之有效的邊坡加固治理方案,如錨桿加固、邊坡卸荷等措施來避免滑坡事件的發(fā)生;在紅色預(yù)警,達到重大事故隱患判定標準時,則需要停止生產(chǎn),安排人員和設(shè)備迅速撤離,防止生命和財產(chǎn)損失。

5 結(jié)論

(1)露天邊坡安全監(jiān)測以非煤規(guī)范和高陡規(guī)范要求確定邊坡監(jiān)測等級,選定監(jiān)測內(nèi)容。變形監(jiān)測、降雨量和視頻監(jiān)控是必測項,這三項是露天開采邊坡基礎(chǔ)監(jiān)測項。

(2)提出了“藍、黃、橙、紅”預(yù)警級別相匹配的預(yù)警判據(jù),邊坡起滑的臨界值:邊坡水平變形累計8 cm、水平變形速率4 mm/d,根據(jù)四色預(yù)警,針對每級預(yù)警采取相應(yīng)的安全管控措施。

(3)結(jié)合目前智能化監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀,提供了安全監(jiān)測設(shè)計方案。

本文提出了邊坡安全監(jiān)測水平位移各級預(yù)警的閾值,但邊坡巖體情況復(fù)雜,還需要大量的露采邊坡數(shù)據(jù)資料來校核驗證、本文提出的閾值可供初步設(shè)計監(jiān)測方案設(shè)計使用,實際實施時還需監(jiān)測單位結(jié)合工程具體情況進行調(diào)整,并應(yīng)在實際監(jiān)測中綜合判斷。