秦秀山，張 達，曹 輝

(1. 北京礦冶研究總院，北京 102628；2. 金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102628)

露天采場高陡邊坡監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

秦秀山1,2，張 達1,2，曹 輝1,2

(1. 北京礦冶研究總院，北京 102628；2. 金屬礦山智能開采技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102628)

通過收集國內(nèi)外邊坡監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)資料，介紹了露天采場高陡邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測的現(xiàn)有技術(shù)手段，總結(jié)了包括表面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測和深部滑動力監(jiān)測等各類技術(shù)的主要特點和存在問題。進一步對金屬非金屬露天礦山采場邊坡監(jiān)測技術(shù)的規(guī)范要求進行了簡要論述。綜合分析后提出，未來應基于區(qū)域形變和深部滑動力監(jiān)測技術(shù)，以滑坡地質(zhì)災害遠程實時監(jiān)測預報技術(shù)及裝備體系為研究方向。通過采用多源信息融合技術(shù)，以滑動力監(jiān)測和邊坡表面位移監(jiān)測為主導，輔以其他監(jiān)測方法，構(gòu)成一個深部和淺部聯(lián)合監(jiān)測的立體網(wǎng)絡系統(tǒng)。采用模塊化設計方案，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境靈活增減監(jiān)測子系統(tǒng)，可提高露天采場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預警的準確性與時效性。

露天采場；高陡邊坡；穩(wěn)定性；監(jiān)測預警

國內(nèi)外露天開采的礦山占有較大比例，以我國為例，露天開采的金屬礦山中鐵礦約占85%，有色金屬礦約占45%，化工礦山約占70%，建筑材料則全部采用露天開采，煤礦露天開采的比重在5%左右，但未來露天開采的發(fā)展?jié)摿薮骩1-2]。隨著淺部礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)利用和逐漸耗竭，深凹露天礦將成為露天礦山的發(fā)展趨勢，露天采場邊坡高度最大的已經(jīng)超千米[3]。

在深凹開采過程中，隨著開采深度的增加，邊坡的高度和角度也逐漸增大。隨著高陡邊坡的不斷形成和發(fā)展，邊坡的安全穩(wěn)定性越來越差；另一方面，提高邊坡角又是露天礦山充分回收礦產(chǎn)資源、降低剝采生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟效益的重要手段[4]。因此，露天礦深部開采過程中確保邊坡安全和提高經(jīng)濟效益的矛盾日益突出。

露天礦山邊坡安全穩(wěn)定對保障礦山安全生產(chǎn)、維持良好的經(jīng)濟和社會效益具有非常重要的作用。深入開展露天采場高陡邊坡穩(wěn)定性綜合監(jiān)測預警技術(shù)研究，對于推動我國未來的邊坡監(jiān)測技術(shù)發(fā)展、防范高大巖質(zhì)邊坡誘發(fā)的地質(zhì)災害、保證礦山安全生產(chǎn)具有重要的理論與實際意義。

1 現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)手段及特點

邊坡地質(zhì)條件和影響因素的復雜性決定了露天礦山高陡邊坡穩(wěn)定性必須依靠邊坡監(jiān)測手段來監(jiān)控和驗證。從目前邊坡監(jiān)測分析來看，國內(nèi)外采用的監(jiān)測儀器和方法有：表面位移監(jiān)測技術(shù)、深部位移監(jiān)測技術(shù)和深部滑動力監(jiān)測技術(shù)等[4-12]。

1.1 表面位移監(jiān)測技術(shù)

1.1.1 常規(guī)表面位移監(jiān)測技術(shù)

主要采用全站儀、水準儀、經(jīng)緯儀等光學電子監(jiān)測儀器，如圖1所示。近些年，國內(nèi)外學者在地質(zhì)災害監(jiān)測手段方面，如英國劍橋大學、美國地質(zhì)調(diào)查所等西方國家的大學和科研機構(gòu)，已經(jīng)廣泛運用GPS、GIS和RS技術(shù)對地質(zhì)災害進行空間分析、制圖、數(shù)據(jù)處理、模型預報和預警系統(tǒng)研究[5-6]。國內(nèi)學者在三峽庫區(qū)的邊坡監(jiān)測中采用GPS以及計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等新技術(shù)，實現(xiàn)邊坡監(jiān)測的動態(tài)采集(圖2)。

圖1 常規(guī)光學電子監(jiān)測設備

常規(guī)表面位移監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測結(jié)果比較直觀，可直接反映監(jiān)測邊坡的變形特征，但對典型位移監(jiān)測點的布設要求較高，加之表面位移在邊坡變形過程的遲滯性，常導致表面位移監(jiān)測較邊坡破壞發(fā)生滯后，不能有效發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)的預測預報作用。

1.1.2 三維激光掃描表面位移監(jiān)測

用于露天邊坡表面位移監(jiān)測的三維激光掃描設備主要有奧地利RIGEL VZ系列三維激光掃描儀和澳大利亞Maptek 8820三維激光掃描儀，如圖3所示。

該類設備的主要特點是基于多次回波技術(shù)可消除植被影響，能夠?qū)崿F(xiàn)露天礦山高典型性表面位移場監(jiān)測。該監(jiān)測手段的表面位移監(jiān)測精度6 mm，測距2 km，可設置監(jiān)測線實現(xiàn)遠程自動監(jiān)測預警，但設備價格較高。

1.1.3 合成孔徑雷達表面位移監(jiān)測

合成孔徑雷達表面位移場監(jiān)測使用業(yè)績較多的設備有意大利IDS IBIS邊坡合成孔徑雷達，如圖4所示。

該公司作為世界陸基雷達引領(lǐng)者，形成了IBIS-L/M/S系列，在全球多個礦山具有廣泛應用。距離向精度0.1 mm，測距4 km，空間分辨率 0.5 m×4.3 mrad@1km，但設備價格昂貴，需要DEM，測量范圍有限，掃描時間5～10 min。

圖2 GPS表面位移監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 三維激光掃描表面位移監(jiān)測

圖4 合成孔徑雷達表面位移監(jiān)測設備

1.1.4 真實孔徑雷達表面位移監(jiān)測

真實孔徑雷達表面位移監(jiān)測應用較多的主要有澳大利亞GroundProbe SSR系列真實孔徑雷達和南非Reutech MSR系列邊坡預警真實孔徑雷達。

該類設備的主要特點是無需DEM，直接輸出三維深度數(shù)據(jù)，距離向精度0.7 mm，測距2.5～3.5 km，空間分辨率4.4 m×4.4 m@1 km～10 m×10 m@1 km，可實現(xiàn)大范圍掃描，價格較昂貴。

1.2 深部位移監(jiān)測技術(shù)

1.2.1 鉆孔傾斜儀、TDR監(jiān)測儀

通過鉆孔傾斜儀、TDR等深部巖體監(jiān)測儀器，雖然能夠準確確定滑面位置，但當邊坡產(chǎn)生較大錯動后，深部監(jiān)測設備剪斷失效，后期滑坡位移數(shù)據(jù)無法獲得[6]，故其數(shù)據(jù)帶有“一孔之見”而有失準確，如圖5所示。

圖5 TDR監(jiān)測設備隨滑坡發(fā)生而失效

1.2.2 聲波測試

聲波測試的主要過程為巖石斷裂產(chǎn)生聲波，通過人工預埋聲波測試裝置，通過接收聲波并確定斷裂發(fā)生位置[7-8]。在滑面產(chǎn)生前，有裂紋擴展，可以準確探測到聲發(fā)射信號，而當滑面形成后，滑體開始運動，裂紋擴展急劇減少，聲發(fā)射信號大幅度減弱，給預測預報帶來困難。

1.3 深部滑動力監(jiān)測技術(shù)

邊坡應力監(jiān)測主要是測量邊坡巖體內(nèi)不同部位的應力變化和地表應力變化情況，反映變形強度，可配合其他監(jiān)測資料分析和預測變形動態(tài)。目前傳統(tǒng)的應力監(jiān)測儀器有錨桿應力計、錨索應力計、鉆孔應力計、土壓力計、地應力測試儀等。

目前，較為先進有效的邊坡應力監(jiān)測方法為深部滑動力監(jiān)測法，該方法源于錨索應力監(jiān)測，其主要原理如下：滑坡是主要在重力作用下產(chǎn)生的坡體變形，因此作用在天然滑坡力學系統(tǒng)的基本力系主要由三組力構(gòu)成：下滑力、抗滑力和滑體自身重力[9-12]。通過在自然不可測的天然滑坡體力學系統(tǒng)中加入一個人為的擾動力，即高能量吸收錨索的錨固力，組成一個復雜可測的力學系統(tǒng)，并建立起邊坡深部滑動力監(jiān)測的力學模型，借此開展滑坡地質(zhì)災害防治-加固-監(jiān)測-預警一體化控制技術(shù)研究，如圖6所示。

圖6 能量吸收錨索監(jiān)測原理

2 監(jiān)測技術(shù)存在的問題

1)現(xiàn)有研究技術(shù)手段主要基于位移監(jiān)測結(jié)果進行預測，在土質(zhì)滑坡預測方面取得了許多卓越的成果，對很多滑坡進行了成功的預測[13]。但是，滑坡預報主要針對土質(zhì)滑坡，由于土質(zhì)滑坡變形時間較長，變形跡象較為明顯，利用位移監(jiān)測資料進行預測預報較為有效，然而對于對大部分的巖質(zhì)邊坡來說，失穩(wěn)前變形往往很小，破壞極具突發(fā)性[14]，用常規(guī)的位移監(jiān)測方法進行預報很難達到超前預警效果。

2)利用傳統(tǒng)錨索和錨桿應用到邊坡監(jiān)測過程中，發(fā)現(xiàn)當滑坡災害發(fā)生時，下滑力遠遠大于傳統(tǒng)錨索的抗拉強度[15]，單純依靠提高錨索強度的做法不足以抵抗邊坡滑動作用力。當滑動力超過傳統(tǒng)錨索材料強度時，會發(fā)生錨索被拉斷、力學信息傳輸中斷、整個監(jiān)測系統(tǒng)失效，無法對滑坡全過程進行連續(xù)監(jiān)測。

3 露天邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范要求

為進一步規(guī)范金屬非金屬露天礦山采場邊坡安全監(jiān)測的要求，切實加強露天礦山采場邊坡的安全生產(chǎn)管理和安全監(jiān)管，國家安全監(jiān)管總局組織制定了《金屬非金屬露天礦山采場邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(征求意見稿)》，未來將可能作為露天礦山采場邊坡安全監(jiān)測技術(shù)的規(guī)范要求。

規(guī)范意見稿指出，露天礦山采場邊坡安全監(jiān)測等級由邊坡的變形指數(shù)和滑坡風險等級共同確定，共分為一、二、三、四級，一級為最高等級并依次降低，并對不同等級的邊坡相應提出不同的安全監(jiān)測基本指標要求，見表1。

金屬非金屬露天礦山采場邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范雖然正處于征求意見階段，尚未正式發(fā)布，但該意見已經(jīng)從變形監(jiān)測、采動應力監(jiān)測、爆破震動監(jiān)測、水文氣象監(jiān)測和視頻監(jiān)測等多個方面進行了綜合闡述，并對不同等級的露天邊坡提出了不同的綜合監(jiān)測要求，該指導意見為露天高陡邊坡監(jiān)測方案的設計和建設指明了發(fā)展方向與研究思路。

表1 邊坡安全監(jiān)測基本指標

注：●強制項，○推薦項，×不設項。

說明：①滿足一定條件的為強制項；② 滿足一定工程地質(zhì)條件的為強制項；③滿足一定水文地質(zhì)條件的為強制項；④應根據(jù)天氣預報對降雨量進行預警。

4 露天采場監(jiān)測技術(shù)發(fā)展方向

邊坡監(jiān)測預警研究已有一百多年的歷史，隨著各國經(jīng)濟建設的不斷發(fā)展，遇到的邊坡失穩(wěn)問題逐漸增多，對其研究也逐漸系統(tǒng)而深入。目前，國內(nèi)外應用于邊坡安全監(jiān)測的技術(shù)和方法很多，從傳統(tǒng)的經(jīng)緯儀、水準儀等，到新興的智能全站儀、GPS、雷達、三維激光掃描技術(shù)、深部滑動力監(jiān)測技術(shù)、TDR技術(shù)等，都大量運用于實際工程監(jiān)測中，而且很多是以多種技術(shù)集成的形式出現(xiàn)的。傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)雖然在數(shù)字化自動化方面比較落后，但是在長期的工程實踐中，積累了大量的成功經(jīng)驗，相關(guān)的分析手段也比較完備和成熟，而一些新型的監(jiān)測技術(shù)運用了新的測試原理，顯示出更優(yōu)異的性能。

將區(qū)域形變與深部滑動力監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的綜合邊坡監(jiān)測系統(tǒng)能夠克服單一監(jiān)測手段存在的明顯缺點，將露天邊坡在開拓、爆破、出礦整個礦山生產(chǎn)階段中的應力和位移變化由內(nèi)而外進行全方位監(jiān)測，提高預測預報的準確性與時效性(圖7)。

圖7 區(qū)域形變與深部滑動力監(jiān)測技術(shù)與露天開采過程關(guān)系圖

基于區(qū)域形變與深部滑動力監(jiān)測系統(tǒng)工作原理，北京礦冶研究總院提出采用“X321”形式的工作框架，即多種監(jiān)測設施(表面位移監(jiān)測、深部滑動力監(jiān)測)+3個系統(tǒng)(高可靠性通信系統(tǒng)、高兼容性泛在信息采集系統(tǒng)、專用分布式應急供電系統(tǒng))+2個平臺(邊坡安全監(jiān)測與應急救援信息平臺、邊坡安全遠程分析云服務平臺)+1個團隊(專業(yè)化巖土與安全咨詢專家團隊)，如圖8所示。

圖8 “X321”工作框架

為了保證露天高陡邊坡安全監(jiān)測的有效性，監(jiān)測系統(tǒng)提供安全監(jiān)測與應急救援平臺和安全遠程分析服務平臺。

1)安全監(jiān)測與應急救援平臺主要用于礦山管理人員在調(diào)度室進行綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)管理，其主要功能包括空間數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集、巡查管理、系統(tǒng)管理、參數(shù)配置、視頻監(jiān)控、資料管理、三維場景展示、監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、預警分析、統(tǒng)計分析、綜合分析與評價、歷史查看、系統(tǒng)故障自診斷及短信報警管理等。在發(fā)生災害情況下，還可聯(lián)動提供應急救援輔助手段，盡可能消除災害造成的損失。

2)安全遠程分析服務平臺，旨在基于現(xiàn)場安全監(jiān)測系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)，結(jié)合專業(yè)科研機構(gòu)在采礦工藝、巖石力學等方面的專業(yè)人才，提供全方面的數(shù)據(jù)分析及增值服務?；趯崟r傳遞到該平臺的監(jiān)測數(shù)據(jù)，由專業(yè)工程人員進行穩(wěn)定性分析評價，再將分析結(jié)果推送至現(xiàn)場的安全監(jiān)測與應急救援平臺，進一步提高露天高陡邊坡預警的可靠性和專業(yè)性。

5 結(jié)論

1)常規(guī)監(jiān)測方法針對的表面位移、巖體傾斜、深部應力、聲發(fā)射等單一監(jiān)測手段存在自身局限性，不能實現(xiàn)滑坡預測預報的準確性和時效性?；趨^(qū)域形變和深部滑動力的滑坡地質(zhì)災害遠程實時監(jiān)測預報技術(shù)及裝備體系是未來高陡邊坡監(jiān)測的發(fā)展方向。

2)露天礦邊坡監(jiān)測預警設計是一個復雜的系統(tǒng)工程，不是單純的設備選型問題，需要采礦工程、地質(zhì)工程、巖土工程、通訊工程、機械工程和自動化控制等多專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)同設計。

3)監(jiān)測系統(tǒng)采用多源信息融合技術(shù)，以滑動力監(jiān)測和邊坡表面位移監(jiān)測為主導，輔以其他監(jiān)測方法，采用模塊化設計方案，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境靈活增減監(jiān)測子系統(tǒng)，構(gòu)成一個深部和淺部聯(lián)合監(jiān)測的立體網(wǎng)絡系統(tǒng)，提高監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和經(jīng)濟性。

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Research status and development trend of monitoring technology for high and steep slope in open-pit mine

QIN Xiushan1,2，ZHANG Da1,2，CAO Hui1,2

( 1. Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy，Beijing 102628，China;2. Beijing Key Laboratory of Nonferrous Intelligent Mining Technology，Beijing 102628，China)

Based on the collection and review of the domestic and foreign literatures related to the slope monitoring technology, the existing technology for high and steep slope in open-pit mine is introduced. The main characteristics and problems of the existing technologies including surface displacement monitoring, deep displacement monitoring and deep sliding force monitoring are summarized as well. The specification requirement of the slope monitoring technology in metal and nonmetal mines is further discussed. On the basis of comprehensive analysis, it is suggested that based on the monitoring technology of regional deformation and deep sliding force, the remote real-time monitoring and forecasting technology and equipment system of landslide geological disaster is the research direction in the future. By using the multi-source information fusion technology, the sliding force monitoring and displacement monitoring of the slope surface is dominant, supplemented by other monitoring methods, a three-dimensional network system of deep and shallow joint monitoring is constituted. The modular design project is adopted according to the site environment flexibly, which can improve the accuracy and timeliness of the monitoring and early warning of the slope stability for open-pit mine.

open-pit mine; high and steep slope; stability; monitoring and early warning

2016-09-22

國家國際科技合作專項資助(編號：2015DFR70880)

秦秀山(1987-)，男，碩士，2011年畢業(yè)于北京礦冶研究總院采礦工程專業(yè)，工程師，主要從事礦山巖石力學方面的研究工作，E-mail：qxsh-2001@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)03-0107-05