謝振華

（中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048）

露天礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用與發(fā)展

謝振華

（中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系，北京100048）

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，分析了露天礦山排土場(chǎng)的災(zāi)害類型及其主要原因。論述了排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，確定了合理的包括GPS、固定式測(cè)斜儀、雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、土壓力盒等儀器的排土場(chǎng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警方法、智能預(yù)警支持系統(tǒng)等排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警的發(fā)展方向。

礦山排土場(chǎng)；災(zāi)害監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；預(yù)警方法

0 引言

我國露天礦山排土場(chǎng)數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，每年因?yàn)椴傻V而排放的巖土超過6億t[1]。排土場(chǎng)排放的是松散巖土，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性都較低。露天礦山排土場(chǎng)如果場(chǎng)址選擇不當(dāng)、地基處理不好、亂采亂挖坡腳、大暴雨等原因，可能會(huì)引起排土場(chǎng)滑坡或泥石流事故，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。如2008年8月1日，山西省婁煩縣某鐵礦排土場(chǎng)的滑坡事故造成45人遇難。2014年11月12日，遼寧某鐵礦一個(gè)廢棄的排土場(chǎng)發(fā)生緩慢滑坡事故，造成臨近的部分企業(yè)廠房、設(shè)備損毀，供電中斷。

露天礦山排土場(chǎng)存在的主要安全問題是設(shè)計(jì)不規(guī)范、不按規(guī)則排土、缺乏有效的安全管理等，而且礦山排土場(chǎng)基本上都沒有安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，很難對(duì)排土場(chǎng)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警。目前，邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用在公路邊坡、露天礦山采場(chǎng)邊坡、尾礦庫壩體邊坡中，有效預(yù)防了邊坡災(zāi)害的發(fā)生。國內(nèi)外關(guān)于露天礦山排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)的研究相對(duì)較少，還沒有科學(xué)實(shí)用的災(zāi)害預(yù)警方法[2]。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，論述了露天礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

1 排土場(chǎng)災(zāi)害類型

排土場(chǎng)災(zāi)害主要有滑坡和泥石流。

1.1 滑坡

排土場(chǎng)滑坡是排土場(chǎng)災(zāi)害的主要類型，滑坡的類型有3種：排土場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面滑坡、排土場(chǎng)與基底接觸面滑坡、排土場(chǎng)基底軟弱層滑坡[3]。排土場(chǎng)滑坡的主要原因包括以下5個(gè)方面：

1）排土場(chǎng)設(shè)計(jì)缺陷及建設(shè)質(zhì)量不高。排土場(chǎng)選址不當(dāng)或者設(shè)計(jì)不符合規(guī)范，導(dǎo)致排土場(chǎng)存在先天事故隱患。排土場(chǎng)在建設(shè)初期對(duì)質(zhì)量重視不夠，缺乏有效的建設(shè)監(jiān)督管理，未對(duì)排土場(chǎng)基地軟弱層進(jìn)行清理或者清理不徹底等，都給排土場(chǎng)滑坡留下了事故隱患。

2）未按管理規(guī)范進(jìn)行排土作業(yè)。礦山應(yīng)該制定排土場(chǎng)排土作業(yè)管理規(guī)范，并嚴(yán)格執(zhí)行。違規(guī)進(jìn)行排土作業(yè)，如在排土場(chǎng)一定區(qū)域中進(jìn)行巖土混排，會(huì)在排土場(chǎng)內(nèi)部形成軟弱面，當(dāng)堆置的巖土高度過大時(shí)，可能導(dǎo)致排土場(chǎng)內(nèi)部滑坡。

3）排土場(chǎng)的排水設(shè)施不健全。地表水和大氣降水對(duì)排土場(chǎng)的浸潤(rùn)作用是排土場(chǎng)滑坡事故的重要原因，可迅速降低排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。排土場(chǎng)應(yīng)按規(guī)范修建排水設(shè)施，并保證其完整、有效。如果排土場(chǎng)的排水設(shè)施不健全，暴雨時(shí)會(huì)有大量地表水滲入到排土場(chǎng)內(nèi)部，使排土場(chǎng)內(nèi)部含水處于飽和或過飽和，破壞排土場(chǎng)的平衡狀態(tài)，很容易形成排土場(chǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)面滑坡。

4）人為因素。我國排土場(chǎng)大多處于農(nóng)村地區(qū)，經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)，村民有時(shí)在排土場(chǎng)的坡底和兩側(cè)采石、取土，濫采濫挖，這將破壞排土場(chǎng)的穩(wěn)定性。另外，在排土場(chǎng)附近進(jìn)行爆破作業(yè)也會(huì)影響排土場(chǎng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致起排土場(chǎng)滑坡。

5）不可抗拒因素。人力不可抗拒因素有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致排土場(chǎng)的滑坡事故，如大暴雨、地震、海嘯等。

1.2 泥石流

按照泥石流的成因，排土場(chǎng)泥石流可分為重力成因泥石流和水動(dòng)力成因泥石流。重力成因泥石流是排土場(chǎng)巖土受到水的浸潤(rùn)，當(dāng)達(dá)到一定含水量時(shí)便轉(zhuǎn)化為粘稠狀流體，形成泥石流。水動(dòng)力成因泥石流是指水流沿陡坡地形急快速流動(dòng)時(shí)，沖刷山谷地帶的排土場(chǎng)松散巖土而形成的泥石流。此外，由排土場(chǎng)的滑坡、坍塌也可以轉(zhuǎn)化為泥石流。

礦山排土場(chǎng)的泥石流和滑坡常常同時(shí)出現(xiàn)，相互轉(zhuǎn)化，可分為沖刷型泥石流和滑坡型泥石流。礦山排土場(chǎng)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量松散巖土，是排土場(chǎng)泥石流災(zāi)害產(chǎn)生的基本條件。由于礦山排土場(chǎng)選址的原因，排土場(chǎng)很容易遭受洪水和暴雨的影響，引發(fā)泥石流災(zāi)害。

2 礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

通過對(duì)國內(nèi)礦山現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及文獻(xiàn)分析，目前公路、大壩、尾礦庫等邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有坡面的大地測(cè)量（經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、測(cè)距儀等），GPS監(jiān)測(cè)，紅外遙感監(jiān)測(cè)，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，全站儀監(jiān)測(cè)，鉆孔傾斜儀、錨索測(cè)力計(jì)和水壓檢測(cè)儀，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)等。

目前，我國露天礦山排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用很少，在少數(shù)幾個(gè)礦山主要采用GPS進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如紫金山金銅礦、鞍千礦業(yè)有限責(zé)任公司等[4-5]，監(jiān)測(cè)指標(biāo)較少，不能全面、及時(shí)反映排土場(chǎng)的安全狀況。露天礦山排土場(chǎng)滑坡監(jiān)測(cè)可參照露天礦山采場(chǎng)和尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見表1[6]。

表1 國內(nèi)主要采場(chǎng)邊坡及尾礦庫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.2 排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展

排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向是采用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，構(gòu)建監(jiān)測(cè)、采集、傳輸、網(wǎng)絡(luò)為一體的監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多種監(jiān)測(cè)設(shè)備的集中式、一體化管理，為邊坡安全狀況的現(xiàn)地監(jiān)控、異地監(jiān)視預(yù)警提供方便、快捷、高效的服務(wù)。根據(jù)我國大中型礦山排土場(chǎng)的實(shí)際狀況和安全監(jiān)管要求，提出以GPS監(jiān)測(cè)為主，包括固定式測(cè)斜儀、翻斗式雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、土壓力盒、土壤含水計(jì)、應(yīng)變計(jì)、裂縫計(jì)等儀器的綜合邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。某露天礦山排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成情況見表2。

表2 排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

3 排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警方法

露天礦山排土場(chǎng)的災(zāi)害預(yù)警是建立在礦山排土場(chǎng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，綜合考慮排土場(chǎng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)的變化情況，確定礦山排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)。

3.1 排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警方法的現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和文獻(xiàn)分析，排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警主要針對(duì)排土場(chǎng)滑坡，其預(yù)警方法主要有以監(jiān)測(cè)為主的方法、以內(nèi)因分析為主的方法、以外因分析為主的方法等3類，其中每種方法下又有許多有代表性的方法。

1）以監(jiān)測(cè)為主的方法。工程實(shí)踐表明，以監(jiān)測(cè)為主的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果通常較好。例如，浙江省國土資源廳建立的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，根據(jù)全省1 257個(gè)雨量觀測(cè)站的日降雨量、609處滑坡和泥石流等災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)地區(qū)的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、人口分布、土地利用類型等基礎(chǔ)資料，開發(fā)了集地理信息系統(tǒng)（GIS）與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）于一體的區(qū)域滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)浙江省地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。以監(jiān)測(cè)為主的預(yù)警方法需要滿足3個(gè)基本條件：①有成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)并能保證監(jiān)測(cè)設(shè)備的可靠運(yùn)行；②要有足夠的經(jīng)費(fèi)支持建立完善的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；③要有快速的數(shù)據(jù)分析和傳輸能力。

2）以內(nèi)因分析為主的方法。目前研究較多，有關(guān)滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中的大多數(shù)成果都是以內(nèi)因研究為主，但預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果不很理想。該方法首先是通過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查建立相應(yīng)的地質(zhì)模型，其次取樣在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)建立力學(xué)模型，再進(jìn)行極限平衡分析、數(shù)值分析等力學(xué)分析，最后根據(jù)分析結(jié)果建立相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以內(nèi)因分析為主的方法計(jì)算量都比較大，但預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的成功率并不太高。該類方法比較典型的預(yù)測(cè)方法是可拓理論，可拓理論中的動(dòng)態(tài)模型能很好地?cái)M合像滑坡這樣動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，在邊坡穩(wěn)定性研究中已有很多成功應(yīng)用。

3）以外因分析為主的方法。該類方法具有很好的發(fā)展前景，但還需加強(qiáng)理論和方法的研究。例如，香港學(xué)者李焯芬等提出的滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，根據(jù)暴雨期容易引發(fā)滑坡災(zāi)害的特點(diǎn)，建立起基于暴雨量的預(yù)報(bào)系統(tǒng)，多次成功預(yù)報(bào)了滑坡的發(fā)生。再如，我國國土資源部地質(zhì)調(diào)查局與國家氣象中心聯(lián)合開展的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，利用氣象預(yù)報(bào)分析降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，在貴州省已經(jīng)取得了成功應(yīng)用。

3.2 排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警方法的發(fā)展

排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警方法的未來發(fā)展將立足于排土場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)和安全檢查的大數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化預(yù)警，主要發(fā)展方向有以下2個(gè)方面。

1）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，即ANN）的預(yù)警方法。ANN利用模擬生物神經(jīng)元的某些基本功能組件，即人工神經(jīng)元，按不同的聯(lián)結(jié)方式構(gòu)建起一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。其目的是模擬人類大腦的某些機(jī)能，通過事先不斷的自學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型主要由基于BP、基于RBF的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，廣泛應(yīng)用于預(yù)警指標(biāo)的評(píng)價(jià)、非線性的預(yù)警模型。ANN對(duì)數(shù)據(jù)的分布要求不高，而且具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的特點(diǎn)，能在礦山排土場(chǎng)數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)不太完整的條件下成功應(yīng)用。

2）智能預(yù)警支持系統(tǒng)（Intelligent Early Warning Support System，即IEWSS）。預(yù)警支持系統(tǒng)是決策系統(tǒng)的重要分支，隨著規(guī)則推理、模糊推理、案例推理等技術(shù)在預(yù)警領(lǐng)域的逐漸應(yīng)用，產(chǎn)生了新的知識(shí)表示和推理方法，提出了智能預(yù)警支持系統(tǒng)。IEWSS首先根據(jù)大量的案例分析得到預(yù)警對(duì)象的特征描述，建立案例庫。然后根據(jù)排土場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在案例庫中檢索相似案例，通過對(duì)比分析獲得排土場(chǎng)的特征信息，對(duì)排土場(chǎng)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警。案例推理過程具有記憶性，對(duì)同一個(gè)預(yù)警問題不用重復(fù)相同的分析過程。IEWSS具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)功能，可以進(jìn)行定性、定量分析和預(yù)警。

4 結(jié)論

1）露天礦山排土場(chǎng)災(zāi)害主要有滑坡和泥石流，滑坡事故最為常見。排土場(chǎng)滑坡事故的主要原因有設(shè)計(jì)不合理、建設(shè)質(zhì)量不高、生產(chǎn)組織不規(guī)范、排水設(shè)施不健全、人為因素的影響等。

2）排土場(chǎng)應(yīng)建立以GPS監(jiān)測(cè)為主，包括固定式測(cè)斜儀、翻斗式雨量計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、土壓力盒、土壤含水計(jì)等儀器的排土場(chǎng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3）排土場(chǎng)災(zāi)害預(yù)警方法應(yīng)立足于排土場(chǎng)安全監(jiān)測(cè)和安全檢查，采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)警方法、智能預(yù)警支持系統(tǒng)等。

［1］趙洪穎.高臺(tái)階排土場(chǎng)安全控制技術(shù)的研究［D］.北京:北方工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］王運(yùn)敏，項(xiàng)宏海．排土場(chǎng)穩(wěn)定性及災(zāi)害防治［M］．北京:冶金工業(yè)出版，2011.

［3］黃錦林，趙吉國，張婷，等.基于層次分析法的庫岸高速滑坡危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2011，20（5）：95-99.

［4］傅能武.GPS在紫金山金銅礦排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：159-160.

［5］張德政，陳方明，宋鋒.排土場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)與智能預(yù)測(cè)管理系統(tǒng)［C］∥第三屆全國數(shù)字礦山高新技術(shù)成果交流會(huì)論文集，2014：65-68.

［6］李青石，李庶林，陳際經(jīng)．試論尾礦庫安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和前景［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22（1）：99-106.

【責(zé)任編輯：陳毓】

Application and development of disasters monitoring system and early warning methods in open-pit mine dump

XIE Zhenhua
(Department of Safety Engineering,China Institute of Industrial Relations,Beijing 100048,China)

Based on the field research and literature analysis,this article analyses the disasters types and major reasons of dump in open-pit mine,discusses the application status of disasters monitoring system and early warning methods in dump,determines the reasonable comprehensive monitoring system for dump,including GPS,stationary inclinometer,rain gauge,pore water manometer, earth pressure cell etc,and proposes the development trend of disasters early warning for dump including early warning method based on artificial neural network and intelligent early-warning support system.

mine dump;disaster monitoring;monitoring system;early warning method

TD77+1

B

1671－9816（2017）01－0083－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.023

謝振華.露天礦山排土場(chǎng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警方法的應(yīng)用與發(fā)展［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（1）：83-85.

2016-07-20

貴州省科技廳項(xiàng)目（黔科合服企［2015］4006）

謝振華（1968—），男，博士，中國勞動(dòng)關(guān)系學(xué)院安全工程系教授，研究方向?yàn)榈V山安全技術(shù)、安全管理。