翟 翔 超， 陶 體 盛， 眭 龍 勝

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

西藏巨龍礦業(yè)有限公司知不拉銅多金屬露天礦位于岡底斯山脈東段郭廓拉日山區(qū)，地勢南高北低，地形切割強烈，礦區(qū)最高海拔5 594 m，最低海拔5 050 m，最大相對高差544 m，屬高原中高山區(qū)。水系較為發(fā)育，總體北流，屬于雅魯藏布江流域。浪母家果曲及其支流從礦區(qū)由南向北、東部流過。礦區(qū)斷層與裂隙發(fā)育，第四系強風化層分布較廣。

礦區(qū)受區(qū)域性大斷裂以及多期次巖漿活動影響，次級斷裂構造較復雜，部分地段形成寬5～20 m不等、長達1 000 m左右的斷裂破碎帶，礦區(qū)內與成礦有關的主要斷裂包括F1、F2、F3、F8、F9和F10斷裂。在礦區(qū)碳酸鹽分布地段巖石破碎，裂隙發(fā)育，小褶曲在大理巖化灰?guī)r和矽卡巖中常見，深部在碳酸鹽巖發(fā)育地段多處遇到溶洞，溶洞深度為3～6 m，最深可達20 m。

南采區(qū)工程地質條件為較復雜,上部為安山質凝灰?guī)r、英安質凝灰?guī)r的風化層，飽和抗壓強度大于30 MPa,風化裂隙發(fā)育，巖石較破碎，呈鑲嵌結構，圍巖級別為Ⅲ級。開挖后圍巖可產生小坍塌，爆破震動過大時易發(fā)生坍塌。下部基巖為較完整的安山質凝灰?guī)r 、英安質凝灰?guī)r、大理巖化灰?guī)r，有少量裂隙發(fā)育，但其多閉合，裂隙組合關系不會產生下滑力，圍巖級別為Ⅱ級。開挖后，長時間暴露可能會局部產生小坍塌，但其側壁穩(wěn)定。

由前期礦區(qū)邊坡巖體穩(wěn)定性分析得知：露天采場大部分為山坡露天開采，設計人員結合終了境界內平均生產剝采比、排土場位置和選廠位置，同時考慮山坡露天的特點設計確定的采場邊坡參數(shù)見表1。

表1 露天采場邊坡幾何特征表

*資料來源：《西藏巨龍銅業(yè)有限公司知不拉銅礦露天開采邊坡穩(wěn)定性及邊坡角優(yōu)化研究報告》。

根據(jù)前期地質勘探工作結論，未來知不拉銅多金屬礦采場邊坡穩(wěn)定性是該礦工程地質面臨的主要問題，邊坡巖體存在大面積崩塌、滑坡等潛在地質災害。為確保礦山生產過程中人員、設備的安全，保證露天開采邊坡的整體穩(wěn)定，同時亦為確定露天終了境界經濟合理的剝離量以及采場臺階參數(shù)開展西藏知不拉銅多金屬礦采場高陡邊坡穩(wěn)定性綜合智能監(jiān)測預警技術研究迫在眉睫。

2 監(jiān)測預警系統(tǒng)方案

目前，知不拉銅多金屬礦南采區(qū)邊坡的最低標高為5 120 m，靠幫邊坡高度為50～240 m，根據(jù)相關規(guī)范，其屬于高邊坡，邊坡高度等級指數(shù)H=3，南采場開采過程中的邊坡角(高程5 360～5 120 m)達到52°，屬于陡坡級別，坡度等級指數(shù)A= 1；根據(jù)初步設計文件，上部圍巖級別為Ⅲ級，下部圍巖級別為Ⅱ級。因此，折中考慮地質條件等級指數(shù)按中等G=2計算，現(xiàn)階段南采場邊坡的變形指數(shù)D=H+A+G=6，邊坡安全監(jiān)測等級為二級。

根據(jù)相關國家規(guī)范，安全監(jiān)測等級為二級的露天礦山邊坡必備監(jiān)測項目包括：邊坡表面位移、爆破震動質點速度、地下水位、降雨量以及視頻監(jiān)測[1]。由于地下水位、爆破震動監(jiān)測可由采礦場技術人員按規(guī)范定期采用人工監(jiān)測，因此，該方案主要側重于邊坡表面位移監(jiān)測技術方案的制定，補充降雨量監(jiān)測和視頻監(jiān)測。因此，南采場邊坡安全監(jiān)測預警以邊坡表面變形(位移)監(jiān)測為主要監(jiān)測內容，同時，結合爆破震動、地下水位、降雨量、采場視頻監(jiān)控等監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析采場邊坡的安全狀態(tài)。為實現(xiàn)系統(tǒng)的預警，需要在監(jiān)測系統(tǒng)建設的同時，研究邊坡監(jiān)測預警判例的確定方法和預警初值，為邊坡監(jiān)測預警提供參考閾值；然后，通過邊坡的過程監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場邊坡水文地質資料等進行綜合分析，分級分區(qū)逐步確定和完善邊坡的生產過程預警閾值，真正實現(xiàn)邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測和預警功能。因此，邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)的建設應包括邊坡預警模型研究和初值的確定、邊坡監(jiān)測系統(tǒng)設施的實施和邊坡監(jiān)測系統(tǒng)后期運行數(shù)據(jù)和邊坡穩(wěn)定性分析等內容。

3 邊坡監(jiān)測技術的比選

分析得知：目前國內外高邊坡監(jiān)測技術應用較為廣泛和成熟的地表變形(位移)在線監(jiān)測技術主要有GNSS技術[2]、智能全站儀技術[3]、合成孔徑雷達干涉測量(InSAR)技術[4]、真實孔徑監(jiān)測雷達技術[5]、三維激光掃描技術、光纖分布式測量技術和靜力水準測量技術等。其技術特性對比情況見表2。

表2 監(jiān)測技術特性對比統(tǒng)計表

根據(jù)對表2中的各種監(jiān)測技術進行對比分析得知最適合知不拉銅多金屬礦采場邊坡表面位移監(jiān)測的方案應以地基合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達[6]作為邊坡位移監(jiān)測的主體，配合雨量計、地下水位、視頻等輔助監(jiān)測手段，對采場邊坡進行全覆蓋監(jiān)測。邊坡雷達采用國產設備可以大幅度降低投入，而且其后期維護和技術分析有保證。筆者對其進行了闡述。

4 合成孔徑邊坡監(jiān)測雷達系統(tǒng)

由于南采場區(qū)域較小，可在合適位置僅設一個固定監(jiān)測點，建設合成孔徑雷達觀測房等防護設施。根據(jù)雷達設備的視場角劃定雷達設備的安裝位置及可覆蓋的區(qū)域面積，基本覆蓋整個采場邊坡的表面位移監(jiān)測區(qū)域。具體實施時，先使用三維激光掃描儀對前期觀測確定的重點部位進行三維地理信息建模，再有針對性地部署邊坡監(jiān)測雷達，通過比較雷達獲取的邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其疊加在邊坡三維模型上形成的時移變化圖，快速、直觀、準確地圈定位移趨勢異常區(qū)域，最大限度地發(fā)揮先進設備的監(jiān)測功效；對于同一時刻暫無雷達設備在線監(jiān)測的區(qū)域，可使用其他監(jiān)測技術及人工巡測等手段對邊坡分區(qū)塊進行移動巡測，發(fā)現(xiàn)有明顯位移趨勢的區(qū)域時，再部署邊坡雷達進行高精度持續(xù)監(jiān)測。采用該策略，一方面提高了設備利用率，另一方面發(fā)揮了不同技術手段在監(jiān)測精度、適用范圍等方面的技術特長，從而實施分級監(jiān)測。

從系統(tǒng)功能角度出發(fā)，邊坡雷達在線監(jiān)測系統(tǒng)整體架構見圖1。

圖1 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)架構圖

智能雷達的數(shù)據(jù)分析需要將監(jiān)測數(shù)據(jù)域與DTM數(shù)據(jù)疊加匹配分析(圖2)，并應排除掃描區(qū)和雷達之間大氣溫濕度等的影響，找出真正的變形、速度曲線并設置報警，最后預測滑坡時間。

圖2 地基合成孔徑監(jiān)測雷達數(shù)據(jù)與DTM數(shù)據(jù)疊加匹配分析圖

合成孔徑邊坡雷達基于圖像數(shù)據(jù)快速匹配技術，可以方便、快速地將不同時間段對同一邊坡監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行拼接處理，可以方便地對同一邊坡在不同地點、不同時間進行不連續(xù)的監(jiān)測。通過獲取多種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析以提高系統(tǒng)監(jiān)測的準確性，這種綜合分析可以是兩種數(shù)據(jù)的綜合分析，也可以是多種監(jiān)測數(shù)據(jù)的綜合對比分析。這種分析是在各種單項分析的基礎上進行的。其中，各種單項分析技術內容包括：在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、爆破振動測試分析、其他人工監(jiān)測信息等。

通過分析處理智能雷達采集到的數(shù)據(jù)，做出邊坡巖體位移、速度曲線，通過日常管理經驗和軟件分析推薦值在軟件中設置合理的報警閾值，以達到邊坡監(jiān)測預警的效果。

該方案實施時，結合邊坡監(jiān)測雷達的技術特點，制定出了不同工況下應用邊坡監(jiān)測雷達指導安全生產的具體操作方式，以及對應的作業(yè)指導書和應急預案手冊，邊坡監(jiān)測雷達的使用能夠增強在邊坡危險作業(yè)區(qū)域內生產人員應對邊坡滑坡垮塌事故的信心，提高采礦作業(yè)的精細控制水平，保障作業(yè)人員和裝備安全。

5 結 語

通過安全監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究和建設，確定了采場邊坡預警策略，實現(xiàn)了邊坡穩(wěn)定性在線監(jiān)測，實時獲取了邊坡潛在滑坡風險并及時預警，可以預防采場邊坡坍塌安全事故，避免人員傷亡和財產損失，保障礦山安全生產，具有重要的經濟和社會意義。