李愛民

（河鋼集團司家營礦山分公司，河北 唐山 063000）

1 項目概況

本項目主要應用于露天采場邊坡在線監(jiān)測。

1.1 立項背景

司家營鐵礦位于河北省灤州市城南3km，地理坐標為118°45′40″，北緯39°38′20″～39°39′42″。2017年3月，司家營鐵礦采場最低生產(chǎn)標高為-142m水平，最大邊坡高度已達210m，高大邊坡對露天采場的安全生產(chǎn)存在威脅，邊坡一旦滑坡將會導致邊坡一側(cè)作業(yè)面上的人員和設備受到傷害，造成不可估量的經(jīng)濟損失。

國內(nèi)多數(shù)金屬及非金屬露天礦山，其邊坡高度達到200m時，均開展地表水平位移和垂直位移裂縫錯位和邊坡深度變形監(jiān)測內(nèi)容，其中采用GPS系統(tǒng)和全站儀設備對邊坡不穩(wěn)定部位監(jiān)測的占大多數(shù)。國外礦山諸如智利丘基卡馬塔銅礦、加拿大帕拉博拉銅礦均采用邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)對邊坡變形進行監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)通常需要在邊坡鉆孔放入同軸電纜使測試儀與監(jiān)測設備相連，隨著邊坡的移動，邊坡巖體的位移和變形使埋置其中的同軸電纜產(chǎn)生局部剪切、拉伸變形。為了獲得邊坡變形和位移的準確變化，獲得高精度的三維網(wǎng)變形信息，準確對邊坡位移進行形變分析，課題組決定引入物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，改變傳統(tǒng)GPS系統(tǒng)和全站儀設備測量方式，并克服邊坡位移破壞測量儀與監(jiān)測設備連接線纜的缺點，實現(xiàn)新一代的邊坡在線監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)對接技術(shù)，對露天采場實現(xiàn)準確的邊坡位移監(jiān)測和安全預警。

1.2 主要內(nèi)容

課題組對司家營鐵礦露天采場邊坡進行了細致研究和分析。

（1）在對露天采場滑坡事故進行總結(jié)分析后，地質(zhì)勘查是第一個難點。

課題組用一年時間對露天采場內(nèi)地質(zhì)進行全面勘查并建立司家營鐵礦地質(zhì)模型和網(wǎng)絡模型，根據(jù)赤平投影運動分析方法，初步分析了邊坡潛在破壞模式，確定出邊坡監(jiān)測區(qū)域。緊后則對邊坡監(jiān)測設備進行市場調(diào)研，確定邊坡監(jiān)測設備選用型號、監(jiān)測方案和監(jiān)測位置。

（2）第二個難點則是變形監(jiān)測系統(tǒng)的選用。

在對比目前應用較多的各種變形監(jiān)測系統(tǒng)后，課題組決定選用RocMos自動化變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)，因其數(shù)據(jù)傳輸模塊支持多種通訊模式，是克服邊坡位移破壞測量儀與監(jiān)測設備連接線纜的缺點的優(yōu)選方式。

（3）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用是第三個難點。

物聯(lián)網(wǎng)作為新興技術(shù)，課題組成員對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采取了理論學習和市場交流多種方式，逐步掌握了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要點，最終確定以服務器裝在RocMos自動化變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)，實現(xiàn)邊坡監(jiān)測設備與RocMos自動化變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)的物物互聯(lián)。

（4）第四個難點則是邊坡預警思路的確定。

露天采場邊坡滑動面的位置、平整程度、力學參數(shù)、上部載荷大小、地下水活動情況等均難以得到準確數(shù)值，不確定性因素和無法量化的數(shù)據(jù)使預警值難以提出，而且不同的邊坡，邊坡角和地質(zhì)情況均不相同，臨界的監(jiān)測預警值也有很大差異。最終，課題組成員對大量國內(nèi)礦山滑坡事故數(shù)據(jù)進行研究，決定采用工程類比、在線監(jiān)測時間軸曲線確定預警值，將預警值錄入RocMos自動化變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)后，系統(tǒng)可對邊坡位移進行準確預警。

1.3 特點及應用推廣情況

露天采場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)對接的研究和應用過程中，分別取得了如下成果。

1.3.1 層狀巖質(zhì)邊坡工程地質(zhì)勘察與潛在破壞模式

司家營鐵礦露天采場東幫邊坡出露的變質(zhì)巖系自下而上地層層序為，鉀長石化白云母片巖、黑云變粒巖。其中，位于下層的鉀長石化白云母片巖經(jīng)風化后呈土黃色，極易破碎，遇水后呈泥狀，是易造成邊坡失穩(wěn)滑塌的巖石類型。

通過赤平投影運動分析方法，初步分析了邊坡潛在破壞模式。分析表明東幫邊坡主要破壞模式為順層滑移—平面破壞模式，西幫邊坡主要破壞模式為反傾破碎巖體傾倒崩塌破壞，第四系特厚沖積層在降雨、地下水滲流等不利因素作用下，發(fā)生圓弧滑坡破壞。在此基礎上，對局部滑坡進行抗剪強度參數(shù)反算，對強風化巖體進行反算確定其抗減強度參數(shù)。

1.3.2 地質(zhì)模型的建立

利用3dmine建立起司家營鐵礦地質(zhì)模型及網(wǎng)絡模型，該地質(zhì)模型包括黑云變粒巖、強風化黑云變粒巖、中風化黑云變粒巖、微風化黑云變粒巖、石英砂巖、白云母片巖及磁鐵石英巖這7種巖性，網(wǎng)絡模型包括現(xiàn)狀境界、開挖至2022年境界及最終境界。以下為2022年司家營鐵礦露天采場境界圖。

圖1 地質(zhì)模型的建立

1.3.3 各向異性滲流-應力耦合數(shù)值模擬及排水方案優(yōu)化

通過應力及滲流場分析，結(jié)合邊坡潛在破壞模式及對巖層傾角進行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，各向同性模型計算表明上部風化巖破壞模式多呈單臺階破壞，由臺階坡面角控制，折減系數(shù)較小時，未出現(xiàn)巖層面貫穿多臺階破壞。各向異性模型計算所得邊坡?lián)p傷區(qū)在風化帶出現(xiàn)平面型破壞區(qū)，這與采用滑面應力法計算結(jié)果所搜索的滑動區(qū)域相吻合，各向異性模型更適用于順層巖質(zhì)邊坡破壞機理分析。

1.3.4 引入物聯(lián)網(wǎng)，搭建邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)

在研究過程中，從監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取、傳輸?shù)奖O(jiān)測數(shù)據(jù)在云服務器的簡易處理和存儲，實現(xiàn)了監(jiān)測點與服務器和自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的對接，形成物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，并利用云計算技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)的應用賦能，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的完美對接。對物聯(lián)網(wǎng)的應用提升了邊坡的安全系數(shù)，也使邊坡位移監(jiān)測更加方便快捷，節(jié)省大量人力物力及時間，極大程度上適應現(xiàn)在社會發(fā)展的需求，對礦山行業(yè)也將產(chǎn)生深遠影響。

1.3.5 實施效果

在實際運行過程中，自動化變形監(jiān)測安全預警系統(tǒng)提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工測量的監(jiān)測點數(shù)據(jù)誤差均在《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》要求允許的范圍內(nèi)（對于巖質(zhì)邊坡，水平位移監(jiān)測相鄰點位中誤差不大于6mm，垂直位移監(jiān)測高程中誤差不大于3mm，對于土質(zhì)邊坡，水平位移監(jiān)測相鄰點位中誤差不大于12mm，垂直位移監(jiān)測高程中誤差不大于10mm），可以實現(xiàn)對邊坡水平位移和沉降位移的準確監(jiān)測，使人更為科學的掌握邊坡的安全狀況和運行狀況。在研究過程中，根據(jù)邊坡潛在破壞模式的分析，司家營鐵礦對潛在危險區(qū)域進行提前治理，消除邊坡安全隱患，同時開展生態(tài)護坡工作，綠化面積達50000余平方米，栽種樹苗上萬棵，成活率高達90%，將露天采場邊坡改造成青山綠林。

1.3.6 推廣實施

此套露天采場邊坡在線監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)對接的新技術(shù)已經(jīng)在司家營露天采場東幫靠界邊坡和西幫靠界邊坡得到應用，按照目前技術(shù)水準，露天采場邊坡在線監(jiān)測與物聯(lián)網(wǎng)對接解決了利用GPS系統(tǒng)和全站儀設備進行人工測量的通視程度低、準確度低、無法預測滑坡發(fā)生的難點，并引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，攻克了邊坡位移破壞測量儀與監(jiān)測設備連接線纜的關(guān)鍵技術(shù)難題，已經(jīng)達到了邊坡在線監(jiān)測的新水平，可以在同類露天礦山中推廣應用。

2 結(jié)語

綜上所述，目前國內(nèi)外露天煤礦邊坡監(jiān)測技術(shù)多以GPS監(jiān)測技術(shù)為主，其主要優(yōu)點是價格較低，設備安裝較容易，而近幾年也陸續(xù)有使用雷達監(jiān)測技術(shù)及三維激光掃描系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測、遠距離監(jiān)測，但價格相比GPS較貴，設備多為國外引進設備。