非煤礦山露天開采邊坡安全監測設計研究

熊贊民, 習 泳, 孫家駒, 王恒濤

(中國恩菲工程技術有限公司, 北京 100038)

1 前言

近年來,隨著砂石骨料等建材市場的發展,更多的露采礦山進入建設實施階段;另一方面,隨著現有的金屬露天礦山開采延續, 邊坡高度逐年加大, 進而形成深凹露天邊坡, 安全風險越來越高。露天開采需要對邊坡進行穩定性分析,確定合理的設計參數[1-2],開采過程中,通過邊坡監測,獲取邊坡的變形參數,實現滑坡預報,關鍵特征參量數據是預報的基礎保障[3],是保證礦山安全生產的重要抓手,通過邊坡安全監測,建立邊坡失穩風險控制機制,及時發現滑坡風險,降低事故率,對露天開采礦山的安全高效發展具有重要意義。

隨著遙感和遙測技術的發展,衛星遙感解譯技術、各類航空遙感解譯技術、衛星導航定位系統(GNSS)、雷達差分干涉測量(D—InSAR)等智能化監測技術已在一些礦山得到廣泛應用,各類監測技術也在滑坡特定參量監測中發揮著重要作用[4-8]。

對于非煤露天開采邊坡,在相關技術規范里,均涉及到監測內容[9-10],但對監測項目的要求不盡相同,執行起來有諸多不便;在邊坡監測預警值方面,沒有明確的規定;在監測系統構成方面,如何合理運用這些先進監測手段,恰當地進行安全監測設計,也是迫切需要解決的問題。

本文綜合考慮有關規范的規定,確定邊坡的監測內容;通過跟蹤露天礦邊坡多源多場安全監測主流的“空-天-地”一體化監測技術,優選適合礦山露天開采安全經濟的監測方法;由近年來一些露天開采滑坡的實際監測案例,給出了監測設計邊坡預警值,提出四級預警及安全控制措施,進而建立滑坡地質災害安全預警系統,形成經濟、有效的監測體系。

研究從邊坡監測的各個環節出發,形成了多源數據融合的露天開采邊坡安全監測整套設計方法指導露天開采進行安全監測和風險預報,保證礦山安全生產。

2 監測內容確定

露天開采邊坡監測一般包括變形監測、應力監測、振動監測、水文監測。

邊坡監測設計依據《非煤露天礦邊坡工程技術規范》(下簡稱非煤規范)《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》(下簡稱高陡規范),針對露天采場到達最終設計開采境界位置時的邊坡高度和邊坡角,確定安全等級和監測內容。據高陡規范,高陡邊坡是指露天開采高度或坡度達到標準規定界限值以上的邊坡,200 m以上(含200 m)的為高邊坡,坡度大于42°(含42°)的為陡坡。

高陡邊坡對邊坡高度或總邊坡角度有限值要求,超過后才適用,因此在監測設計時應首先進行判定。滿足非煤規范的前提下,如邊坡滿足高或者陡的規定,則需要同時滿足兩項規范的要求。

2.1 邊坡安全監測等級

根據相關規定“露天礦靠幫邊坡必須進行變形監測,邊坡監測的內容和方法應根據邊坡安全等級確定”。邊坡工程安全等級由邊坡高度和邊坡危害等級兩項指標來確定,分為三級。根據邊坡工程安全等級確定監測項目。

根據高陡規范規定“露天礦山采場應結合邊坡分區的安全監測等級要求,對邊坡變形,采動應力、爆破震動、水文氣象和場內視頻進行監測”。露天礦山采場邊坡依據高度、坡度、地質條件、穩定性等指標確定不同采場邊坡安全監測等級,監測等級分為四級。

2.2 監測內容

根據邊坡的等級確定的監測項目,如兩個規范中任一規定為應測,則按應測項執行。監測項見表1。

表1 根據規范確定的邊坡安全監測項目

由于金屬非金屬露天開采礦山總邊坡角度基本都大于42°,因此監測設計時重點考慮兩種規范均適用的情況,根據表內要求的內容,選擇適宜的監測內容。

表中,變形監測、降雨量和視頻監控是必測項,這三項是基礎監測項。一、二級邊坡需進行邊坡應力監測,由于露天開采邊坡按坡率法設計,一般無支護結構,因此設計時可不考慮支護結構的應力和變形監測。另根據國家安監局的要求,現狀高度200 m及以上的邊坡,應當進行在線監測。

注:實際應用時注意兩本規范并非每級都對應,但均需設置滿足各規范等級要求的監測項目。表中列出了等級相同時的監測項目。表中a、b、c為高陡邊坡分別滿足裂縫條件、地質條件、水文地質時由可測調整為應測項。

3 邊坡監測預警值

3.1 邊坡穩定狀態表征

各等級邊坡均需設置變形監測。由于變形監測快速和便利,并具有直觀性、準確性,是邊坡監測中的最主要內容。因此,選取邊坡向臨空側的表面水平位移來表征邊坡穩定狀態,當邊坡出現裂縫后,同步對裂縫進行監測,分析變形值和裂縫參數,共同判定邊坡的穩定狀態。

對于露采邊坡,其變形發展可分為初始變形階段、勻速變形階段、加速變形階段(該階段又分為加速變形的初期、中期和后期),對應邊坡穩定狀態、次穩狀態、臨滑狀態和起滑狀態,最終形成滑坡。邊坡變形階段如圖1所示。

圖1 邊坡變形各階段圖

3.2 邊坡表面水平位移閾值

需確定與變形量相匹配的預警判據,采用巡視檢查與儀器檢測相結合的方法,及時檢測并掌握邊坡穩定性情況,監測工作貫穿全程。相關文獻提出了一些邊坡破壞前變形速率統計[11],具體見表2。

表2 邊坡破壞前變形速率統計表

相關文獻提出了一些邊坡滑坡變形加速度臨滑預警指標[12],具體見表3。

表3 加速度臨滑統計表

在露天開采邊坡監測方面,南芬鐵礦進行監測,基于內部應力的攝動力監測對南芬露天鐵礦下盤邊坡滑體進行邊坡預警,應用南芬多源監測系統對南芬2016滑坡進行了預警,相關文獻根據安家嶺4.2 mm/d,大冶4.0 mm/d,確定大孤山楔形滑坡紅色預警值為4.0 mm/d。

根據《金屬非金屬礦山重大事故隱患判定標準》,不同類型、不同性質、不同特點的露天邊坡滑坡,在滑動之前,均會表現出不同的異常(滑移)現象顯示出滑坡的預兆(前兆),發生下列情況均可認為邊坡存在滑移現象。

(1)邊坡出現橫向及縱向放射狀裂縫。

(2)坡體前緣坡腳處,出現上隆(凸起)現象,后緣的裂縫急劇擴展。

(3)位移觀測資料顯示的水平位移量或垂直位移量出現加速變化的趨勢。

邊坡存在滑移現象的,即為重大生產安全事故隱患。

根據已經使用的滑坡變形預警判據和滑坡預警研究資料可知,滑坡變形不存在統一的預警指標,在滑坡預警預報時應把握其時間演化規律,根據監測曲線準確地判斷邊坡所處的變形演化階段,借鑒已有的滑坡變形速率,將時間演化規律和滑坡地表裂縫的空間分布特征有機結合,綜合分析,并據此采取針對性的應對策略和措施。

本文綜合分析上述監測數據,將邊坡啟滑時的水平變形閾值設定為:邊坡水平變形累計8 cm、水平變形速率4 mm/d。

目前相關規范中尚無邊坡變形的閾值規定值,因此在基建和生產中,需根據邊坡實際監測和分析情況,對此閾值進行調整。

3.3 邊坡預警值和四級預警級別設定

邊坡預警采用四級:一級、二級、三級和四級,分別用紅色、橙色、黃色和藍色表示,一級為最高級別。邊坡預警值和四級預警級別見表4。

表4 邊坡預警值和四級預警級別表

4 監測體系構建

4.1 監測技術手段

目前露天開采監測逐漸走向智能化,現已發展到天-空-地-內多平臺多模式協同觀測階段,主要的監測手段有:

(1)“天域”衛星平臺技術:“天域”衛星平臺識別技術包括新型識別技術和常規識別技術,常規識別技術主要為衛星遙感解譯技術(低分辨率),新型識別技術包括高分衛星遙感解譯技術、高分衛星InSAR形變監測技術、衛星熱紅外遙感地熱異常識別技術及多光譜、高光譜衛星巖性識別技術等。

(2)“空域”航空平臺技術:“空域”航空平臺識別技術包括各類航空遙感解譯技術(低分辨率),無人機(機載LiDAR)識別技術。

(3)“地域”地面平臺技術: “地域”地面平臺識別技術包括常規地面地質調繪、觀測與測試等,新型識別技術包括地面三維激光掃描技術(terrestrial laser scanning,TLS)、導航衛星GNSS在線監測技術、雷達衛星D-InSAR監測技術等。

4.2 全天候監測體系

1)室外監測系統構建

應力監測系統:力學傳感器、力學信號采集一發射裝置、線·面狀災害信息集中采集和傳輸設備、衛星發射一體機等。

變形監測系統:GNSS監測系統包含接收機、供電及數據通訊、數據處理軟件、防雷四個部分組成,該監測供電一般采用外接太陽能電池進行供電、數據通訊采用移動網絡進行數據傳輸。

邊坡雷達監測法是一種非接觸面狀監測手段。基于微波遙感技術和干涉測量技術,對整個坡面實現高分辨的全覆蓋,同時微波具有較強的穿透性,能夠在各種極端天氣下獲取到有效數據。

衛星通訊系統必須安裝在與監測點通視條件良好的地方,保證每個監測點的點．面狀災害信息集中采集與傳輸節點與衛星機距離適中,并且兩點之間必須通視。

2)室內監測系統構建

室內設備主要有:信號接收器、數據處理分析系統以及一些輔助分析軟件。構建監測系統,通過邊坡測量數據,分析邊坡的穩定狀態。

開始掃描監測之后,雷達傳感器采集的數據通過網絡自動傳輸到系統軟件中,可實時查看監測區域中各個位置或者區域的位移變化,根據實際情況選取監測區域,可設置不同層級限差,根據設定的閾值,進行不同階段預警,超出限差后可通過郵件、電腦彈屏、聲音等多種形式報警。

4.3 安全監測設備選用

常用的監測設備見表5。

4.4 安全監測設計方案

根據前述研究,露天采場的邊坡安全監測設計方案如下:

(1)表面位移監測(基礎監測項目):邊坡表面位移監測采用GNSS監測系統和邊坡雷達監測,具有全天候、全時段測量的特點,能實現在線監測,滿足高陡邊坡監測要求。

邊坡雷達布設應能對陡幫開采邊坡面進行全方位監測,一般設置1臺即可。

沿陡幫邊坡開挖面豎向線性布置,應布置3～4條剖面線。

(2)邊坡深部位移監測:按照規范要求,對采場邊坡深部位移進行監測。

(3)邊坡內部應力監測:按照規范要求,布置邊坡內部應力監測點。

(4)爆破振動監測:按照規范要求,礦山在基建期應進行爆破振動監測,部署爆破振動儀。

(5)雨量監測(基礎監測項目):用于監測露天采場降雨量,雨量計部署于采場最終境界外穩定區域,設計1臺即可。

(6)地下水位監測:根據區域地下水情況,布置在滲流來源方向。

(7)視頻監控(基礎監測項目):主要應用于宏觀視頻監控,根據采礦安全管理需求,監控范圍應覆蓋主要坡面與重點監控區域。

邊坡開挖高度小于200 m時,建立臨時監測點,達到200 m時,建立在線監測系統。

4.5 安全監測體系動態評價

邊坡穩定性的動態評價研究。露天礦邊坡客觀對象是動態發展的,必須跟蹤監測其穩定性;同時主觀的穩定性評價隨采礦發展也是動態的。

根據監測系統反饋的邊坡狀態,根據表5各級預警采取不同措施。如邊坡出現失穩跡象,在黃色和橙色預警時可選擇一些行之有效的邊坡加固治理方案,如錨桿加固、邊坡卸荷等措施來避免滑坡事件的發生;在紅色預警,達到重大事故隱患判定標準時,則需要停止生產,安排人員和設備迅速撤離,防止生命和財產損失。

5 結論

(1)露天邊坡安全監測以非煤規范和高陡規范要求確定邊坡監測等級,選定監測內容。變形監測、降雨量和視頻監控是必測項,這三項是露天開采邊坡基礎監測項。

(2)提出了“藍、黃、橙、紅”預警級別相匹配的預警判據,邊坡起滑的臨界值:邊坡水平變形累計8 cm、水平變形速率4 mm/d,根據四色預警,針對每級預警采取相應的安全管控措施。

(3)結合目前智能化監測發展現狀,提供了安全監測設計方案。

本文提出了邊坡安全監測水平位移各級預警的閾值,但邊坡巖體情況復雜,還需要大量的露采邊坡數據資料來校核驗證、本文提出的閾值可供初步設計監測方案設計使用,實際實施時還需監測單位結合工程具體情況進行調整,并應在實際監測中綜合判斷。