錦豐金礦露天礦邊坡監(jiān)測及滑坡預報

章海象

（貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 引言

錦豐金礦露天礦區(qū)斷裂褶皺發(fā)育，地層支離破碎，產狀局部直立甚至倒轉。斷裂帶實質上是一個強構造應變帶及強礦化蝕變帶，帶內巖石強烈變形。

錦豐露天礦邊坡巖體主要由邊陽組砂巖夾粘土巖半堅硬-軟弱巖組組成；砂巖薄至中厚層，半堅硬，抗風化性強，但因受構造強烈擠壓作用，完整性受到破壞，強度降低。粘土巖十分松軟破碎，遇水軟化、泥化，極易垮塌。邊坡巖體總體上呈層狀結構，層間結合力差。粘土巖軟弱層及斷裂破碎帶，特別是順坡向的軟弱夾層是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

2 錦豐金礦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測

滑坡對露天礦危害極大，如切斷運輸線路，掩埋采礦設備，造成人員傷亡，威脅附近井下開采設施，甚至迫使礦山停產，嚴重制約礦山的可持續(xù)發(fā)展。一般邊坡滑坡的發(fā)生都有明顯前兆現象，邊坡變形就是最突出、最直接、最容易捕捉到的滑坡特征，所以邊坡變形監(jiān)測是進行滑坡預報的可靠辦法之一。

錦豐金礦邊坡監(jiān)測包括日常邊坡巡查和使用IBIS-M雷達監(jiān)測邊坡。

2.1 日常邊坡巡查

巖石力學工程師攜帶卷尺、相機、噴漆、記錄表等，沿著露天采場的各平臺、運輸道路行走，用肉眼觀察沿線所有臺階坡面、平臺及擋墻等，判斷邊坡上有無新裂縫、坍塌發(fā)生，原有裂縫有無擴大、延伸，邊坡有無隆起或下陷，邊坡支護、加固結構是否出現變形等。每次檢查后應及時做好相應的檢查記錄，對于新發(fā)現的張裂隙，要用噴漆標注裂縫，記錄發(fā)現裂縫的位置、寬度和長度并拍照，如圖1所示；對于已有的張裂隙，不但要測量并記錄裂縫的當前寬度和長度，還要比較張裂隙當前尺寸與以前尺寸，從而判斷存在張裂隙區(qū)域的邊坡失穩(wěn)進展情況。對檢查中發(fā)現的病害及險情及時上報。

圖1 平臺張裂隙尺寸測量

2.2 使用IBIS-M雷達監(jiān)測邊坡

IBIS-M系統是意大利IDS公司和佛羅倫薩大學經過6年合作研發(fā)的結果，它是一個基于微波干涉技術的高級遠程監(jiān)控系統，將步進頻率連續(xù)波技術、合成孔徑雷達技術、干涉測量技術以及永久散射體技術相結合，專門用于礦山邊坡、尾礦庫、大壩壩體、山體、地表、建筑和橋梁等位移變化的監(jiān)測。此外，IBIS-M能夠及時對礦山邊坡各危險區(qū)域做出災害早期預報，極大地減少或避免災害對人員造成的傷害及對設備財產造成的損失［1-2］。

錦豐公司IBIS-M系統由合成孔徑雷達單元、2米線性軌道單元、智能供電控制單元、太陽能電池板、傳輸單元、設備工作間等部分組成。露天采場安裝了一臺裝有Controller軟件的計算機控制IBIS-M主機及附件，主機在導軌上移動，通過合成孔徑雷達技術獲得監(jiān)測數據，監(jiān)測數據通過光纖傳輸到中控室；中控室內一臺裝有Guardian軟件的計算機可以實時顯示被測區(qū)域的位移、速度、安全級別等，當形變超過設定的閥值時即可通過電郵、短信、警報器等發(fā)出警報。錦豐公司IBIS-M雷達邊坡監(jiān)測系統組成及其在在錦豐露天礦的布置如圖2所示。

圖2 錦豐公司IBIS-M雷達邊坡監(jiān)測系統的組成及其布置

3 錦豐露天礦邊坡滑坡預報

進行滑坡預報的意義在于及時準確地預報滑坡的時間、空間和規(guī)模，由此可采取必要的防治、防范措施，避免或減少滑坡可能造成的損失。邊坡滑坡預報包括滑坡地點、滑體形態(tài)與規(guī)模及滑坡發(fā)生時間三要素［3］。下面以2015年5月24日中午發(fā)生的錦豐露天礦南部邊坡大滑坡為例，來闡述錦豐露天礦所進行的滑坡預報工作。

3.1 滑坡地點的預報

張裂隙的出現，是邊坡破壞、失穩(wěn)的標志，而貫通的張裂隙就是將來滑坡發(fā)生時滑體邊界。早在2015年3月份，錦豐金礦南部運輸道路上就出現一條與運輸道路斜交的裂隙，如圖3-A所示。進入4月份，降雨量越來越多。到了4月末，采礦工程延伸到了露天采場的底部境界。因邊坡坡腳失去支撐，再加上雨水的不斷滲入，南部運輸道路路面張裂隙逐漸變寬、加深。至2015年5月24上午9:19，張裂隙總長達110m，寬度達50cm，裂隙左側巖體（凌空面一側巖體）下沉量達60cm，如圖3-B所示。圖4為滑坡后南部運輸道路照片，從此圖可以看出，早期發(fā)現的張裂隙就是滑體的后部邊界。

圖3 南部運輸道路上的張裂隙發(fā)展變化

圖4 滑坡后南部運輸道路

3.2 滑體形態(tài)與規(guī)模的預報

從2015年3月份觀察到南部運輸道路上出現與運輸道路斜交的張裂隙起，錦豐金礦技術服務部門開始密切注意IBIS-M雷達對南部不穩(wěn)定邊坡的監(jiān)測結果。雷達把邊坡分成許多微小單元（像素），圖5為雷達監(jiān)測到的南部邊坡各像素變形發(fā)展過程，其中滑體的形狀、范圍及規(guī)模于2015年5月21日已在雷達上大體顯示出來，即圖5-A中間陰影部分。至2015年5月22日，隨著滑體變形速度加大，其形狀、范圍及規(guī)模在雷達上越來越明顯（見圖5-B中間淺紅至紅色部分）。至2015年5月23日，滑體的形狀、范圍及規(guī)模在雷達上已經非常清晰了（見圖5-C中間的紅色區(qū)域）。2015年5月24日，滑體各個部位的位移速度都達到或超過設置的預警值（見圖5-D），并于當日13:10發(fā)生邊坡失穩(wěn)。圖6為滑坡后的露天南部邊坡照片，對比圖5與圖6，可以看出，雷達上顯示的滑體與實際發(fā)生的滑坡在形態(tài)、范圍與規(guī)模上高度一致，這也說明雷達是一種非常可靠、實用的邊坡監(jiān)測裝置。

圖5 南部邊坡各區(qū)域變形速度發(fā)展變化

圖6 滑坡后的露天南部邊坡

3.3 滑坡發(fā)生時間的預報

滑坡時間預報是指對滑坡發(fā)生的具體時間的預報，即對已獲取的監(jiān)測數據，通過數學模型來預報未來某一時刻坡體的狀態(tài)。滑坡時間預報是目前滑坡預報研究的核心內容，也是滑坡預報研究最重要和最有意義的內容。

滑坡時間預報通常分為長期預報、中期預報、短期預報和臨滑預報。然而，大量的研究和實踐表明：由于滑坡變形時序動態(tài)規(guī)律的非線性和復雜性，滑坡破壞時間的中長期預報具有顯著的不確定性；而在短期和臨滑預報階段，滑坡變形時序變化已由不確定型向確定型或相對確定型轉化，此時滑坡劇滑時間預報才具有現實意義和實現的可能［4］。因此，本文只研究滑坡劇滑時間預報。

3.3.1 速度倒數法預報滑坡時間

1985年日本學者Fukuzono提出了用速度倒數預報滑坡的方法，并用Λ-t（Λ是速度倒數）作圖方法來預報滑坡失穩(wěn)時間［5］。后來由Voight1988年在總結前人研究成果，并根據大量室內試驗觀測和實例分析的基礎上，提出了在加速階段加速度和速度成冪函數關系，這使得速度倒數預報方法得到了理論證明。速度倒數預報法是一種簡捷、有效的時間預報方法，在滑坡預報實踐中收到了比較好的應用效果。

在實際應用中，一般繪制Λ-t曲線圖，用曲線關系外推進行預報。把Λ-t曲線往時間軸正方向延伸，當該曲線與時間軸相交時，即速度倒數Λ為0時的時間就是預報的滑坡時間。圖7-A為雷達邊坡監(jiān)測系統生成的邊坡移動速度倒數-時間關系曲線。從該圖可以看出，進入5月23日，速度倒數-時間關系曲線近似一直線，把這條直線往時間軸正方向延伸，使它與時間軸相交，從而得出滑坡時間為5月24日上午12:25，如圖7-B所示。

基于以上預報結果，技術服務部巖石力學工程師分別于2015年5月23日下午16:33和5月24日上午9:06，兩次向錦豐公司所有相關人員發(fā)出email，通報 了“露天南部邊坡已處于危險狀態(tài)，近期內會發(fā)生大滑坡”這一緊急情況。5月23日下午撤出了所有在露天采坑進行排水作業(yè)的人員，并停止井下開采在露天采坑的排渣作業(yè)，封閉了所有通往露天采場的道路。2015年5月24日下午13:10南部邊坡滑坡發(fā)生時，因采取了相應的防災措施，避免了人員傷亡和財產損失。

圖7 運用速度倒數預報滑坡時間

3.3.2 位移加速度法預報滑坡時間

許強、曾裕平等從斜坡變形三階段演化模式分析得出，在斜坡的初始變形階段，當變形在外界因素的作用下突然啟動后，隨著外界因素的減弱甚至消失，其變形速率會逐漸降低，其加速度為負值；在斜坡的等速變形階段，由于其變形速率基本維持在一恒定值，加速度基本為0；而一旦進入加速變形階段，隨著變形速率的不斷增加，其加速度變?yōu)檎担⒊手饾u增大的趨勢。大量的滑坡監(jiān)測數據表明，當斜坡演化進入臨滑階段后，累積變形量、變形速率以及加速度均會急劇增長，這一顯著的前兆特征可作為滑坡臨滑預警的重要依據［6］。圖8為雷達邊坡監(jiān)測系統生成的邊坡移動加速度-時間關系曲線。從該圖可以看出，5月24日上午10:00開始邊坡變形加速度急劇增長，中午12:59:44邊坡移動加速度由負變正， 據此預報滑坡發(fā)生時間為5月24日中午12:59。

圖8 滑體的移動加速度-時間曲線

南部邊坡實際滑坡開始時間為2015年5月24日下午13:10，用以上兩種方法預報的滑坡時間與實際的滑坡時間非常接近，預報的精度相當高。

4 結論

（1）邊坡位移監(jiān)測可以實時掌握邊坡穩(wěn)定性狀況，對失穩(wěn)的邊坡作出相關的預測預報，為生產管理與技術人員提供邊坡的變形數據，追蹤邊坡的變化進程，實時掌握邊坡的滑坡特征和演化過程，為后續(xù)的邊坡研究提供有效的依據。

（2）通過日常邊坡檢查及運用雷達系統對邊坡進行連續(xù)、動態(tài)、實時監(jiān)測，運用國內外滑坡動態(tài)預報的理論和方法，成功地在滑坡地點、滑體形態(tài)與規(guī)模及滑坡發(fā)生時間三方面對2015年5月24日露天礦南部多臺階滑坡進行了預報。因及時采取了有效的防范措施，避免了人員傷亡、設備損壞，同時減少了滑坡對露天采坑排水、井下開采在露天采坑排渣的不利影響。

（3）運用移動速度倒數法、移動加速度法預報滑坡，其精度非常高，特別適合于錦豐露天礦邊坡的臨滑預報。

（4）滑坡預報的關鍵在于準確掌握滑坡變形的特點和所處的變形階段，建立能夠代表并真實反映滑坡整體變形特征的監(jiān)測系統，并對邊坡進行連續(xù)、動態(tài)、實時監(jiān)測，而IBIS-M實時預警雷達能很好地滿足這方面的需求。

［1］于泓,彭軍還. IBIS-M系統在露天礦邊坡監(jiān)測的應用[J].采礦技術,2011(4):100-102.

［2］李靜濤,焦步青,盧毅. IBIS-M在安家?guī)X煤礦邊坡變形監(jiān)測中的應用[J].礦山測量, 2011(2):41-43.

［3］賀躍軍, 朱建輝. 露天礦邊坡移動監(jiān)測方法[J].新疆有色金屬,2002(1):44-47.

［4］毛廣湘.黃茨滑坡預報預報分析[J]. 建筑科學, 2007(3):31-33.

［5］Fukuzonot. Recent studies on time prediction of slope failure [J].Landslide News, 1990, 4:9-12.

［6］許強,曾裕平. 具有蠕變特點滑坡的加速度變化特征及臨滑預警指標研究[J].巖石力學與工程學報, 2009(6):1099-1102.