錦豐金礦露天礦邊坡監(jiān)測(cè)及滑坡預(yù)報(bào)

章海象

（貴州錦豐礦業(yè)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 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(chǎn)狀局部直立甚至倒轉(zhuǎn)。斷裂帶實(shí)質(zhì)上是一個(gè)強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)變帶及強(qiáng)礦化蝕變帶，帶內(nèi)巖石強(qiáng)烈變形。

錦豐露天礦邊坡巖體主要由邊陽(yáng)組砂巖夾粘土巖半堅(jiān)硬-軟弱巖組組成；砂巖薄至中厚層，半堅(jiān)硬，抗風(fēng)化性強(qiáng)，但因受構(gòu)造強(qiáng)烈擠壓作用，完整性受到破壞，強(qiáng)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(jié)構(gòu)，層間結(jié)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(cè)

滑坡對(duì)露天礦危害極大，如切斷運(yùn)輸線路，掩埋采礦設(shè)備，造成人員傷亡，威脅附近井下開(kāi)采設(shè)施，甚至迫使礦山停產(chǎn)，嚴(yán)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(xiàn)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(cè)是進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)的可靠辦法之一。

錦豐金礦邊坡監(jiān)測(cè)包括日常邊坡巡查和使用IBIS-M雷達(dá)監(jiān)測(cè)邊坡。

2.1 日常邊坡巡查

巖石力學(xué)工程師攜帶卷尺、相機(jī)、噴漆、記錄表等，沿著露天采場(chǎng)的各平臺(tái)、運(yùn)輸?shù)缆沸凶?，用肉眼觀察沿線所有臺(tái)階坡面、平臺(tái)及擋墻等，判斷邊坡上有無(wú)新裂縫、坍塌發(fā)生，原有裂縫有無(wú)擴(kuò)大、延伸，邊坡有無(wú)隆起或下陷，邊坡支護(hù)、加固結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)變形等。每次檢查后應(yīng)及時(shí)做好相應(yīng)的檢查記錄，對(duì)于新發(fā)現(xiàn)的張裂隙，要用噴漆標(biāo)注裂縫，記錄發(fā)現(xiàn)裂縫的位置、寬度和長(zhǎng)度并拍照，如圖1所示；對(duì)于已有的張裂隙，不但要測(cè)量并記錄裂縫的當(dāng)前寬度和長(zhǎng)度，還要比較張裂隙當(dāng)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(jìn)展情況。對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的病害及險(xiǎn)情及時(shí)上報(bào)。

圖1 平臺(tái)張裂隙尺寸測(cè)量

2.2 使用IBIS-M雷達(dá)監(jiān)測(cè)邊坡

IBIS-M系統(tǒng)是意大利IDS公司和佛羅倫薩大學(xué)經(jīng)過(guò)6年合作研發(fā)的結(jié)果，它是一個(gè)基于微波干涉技術(shù)的高級(jí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，將步進(jìn)頻率連續(xù)波技術(shù)、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)、干涉測(cè)量技術(shù)以及永久散射體技術(shù)相結(jié)合，專(zhuān)門(mén)用于礦山邊坡、尾礦庫(kù)、大壩壩體、山體、地表、建筑和橋梁等位移變化的監(jiān)測(cè)。此外，IBIS-M能夠及時(shí)對(duì)礦山邊坡各危險(xiǎn)區(qū)域做出災(zāi)害早期預(yù)報(bào)，極大地減少或避免災(zāi)害對(duì)人員造成的傷害及對(duì)設(shè)備財(cái)產(chǎn)造成的損失［1-2］。

錦豐公司IBIS-M系統(tǒng)由合成孔徑雷達(dá)單元、2米線性軌道單元、智能供電控制單元、太陽(yáng)能電池板、傳輸單元、設(shè)備工作間等部分組成。露天采場(chǎng)安裝了一臺(tái)裝有Controller軟件的計(jì)算機(jī)控制IBIS-M主機(jī)及附件，主機(jī)在導(dǎo)軌上移動(dòng)，通過(guò)合成孔徑雷達(dá)技術(shù)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)街锌厥?；中控室?nèi)一臺(tái)裝有Guardian軟件的計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示被測(cè)區(qū)域的位移、速度、安全級(jí)別等，當(dāng)形變超過(guò)設(shè)定的閥值時(shí)即可通過(guò)電郵、短信、警報(bào)器等發(fā)出警報(bào)。錦豐公司IBIS-M雷達(dá)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(dá)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成及其布置

3 錦豐露天礦邊坡滑坡預(yù)報(bào)

進(jìn)行滑坡預(yù)報(bào)的意義在于及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)滑坡的時(shí)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(yù)報(bào)包括滑坡地點(diǎn)、滑體形態(tài)與規(guī)模及滑坡發(fā)生時(shí)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(lái)闡述錦豐露天礦所進(jìn)行的滑坡預(yù)報(bào)工作。

3.1 滑坡地點(diǎn)的預(yù)報(bào)

張裂隙的出現(xiàn)，是邊坡破壞、失穩(wěn)的標(biāo)志，而貫通的張裂隙就是將來(lái)滑坡發(fā)生時(shí)滑體邊界。早在2015年3月份，錦豐金礦南部運(yùn)輸?shù)缆飞暇统霈F(xiàn)一條與運(yùn)輸?shù)缆沸苯坏牧严?，如圖3-A所示。進(jìn)入4月份，降雨量越來(lái)越多。到了4月末，采礦工程延伸到了露天采場(chǎng)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(yùn)輸?shù)缆仿访鎻埩严吨饾u變寬、加深。至2015年5月24上午9:19，張裂隙總長(zhǎng)達(dá)110m，寬度達(dá)50cm，裂隙左側(cè)巖體（凌空面一側(cè)巖體）下沉量達(dá)60cm，如圖3-B所示。圖4為滑坡后南部運(yùn)輸?shù)缆氛掌瑥拇藞D可以看出，早期發(fā)現(xiàn)的張裂隙就是滑體的后部邊界。

圖3 南部運(yùn)輸?shù)缆飞系膹埩严栋l(fā)展變化

圖4 滑坡后南部運(yùn)輸?shù)缆?/p>

3.2 滑體形態(tài)與規(guī)模的預(yù)報(bào)

從2015年3月份觀察到南部運(yùn)輸?shù)缆飞铣霈F(xiàn)與運(yùn)輸?shù)缆沸苯坏膹埩严镀?，錦豐金礦技術(shù)服務(wù)部門(mén)開(kāi)始密切注意IBIS-M雷達(dá)對(duì)南部不穩(wěn)定邊坡的監(jiān)測(cè)結(jié)果。雷達(dá)把邊坡分成許多微小單元（像素），圖5為雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的南部邊坡各像素變形發(fā)展過(guò)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(dá)上大體顯示出來(lái)，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(dá)上越來(lái)越明顯（見(jiàn)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(dá)上已經(jīng)非常清晰了（見(jiàn)圖5-C中間的紅色區(qū)域）。2015年5月24日，滑體各個(gè)部位的位移速度都達(dá)到或超過(guò)設(shè)置的預(yù)警值（見(jiàn)圖5-D），并于當(dāng)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(duì)比圖5與圖6，可以看出，雷達(dá)上顯示的滑體與實(shí)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(shuō)明雷達(dá)是一種非?？煽俊?shí)用的邊坡監(jiān)測(cè)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(shí)間的預(yù)報(bào)

滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)是指對(duì)滑坡發(fā)生的具體時(shí)間的預(yù)報(bào)，即對(duì)已獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)某一時(shí)刻坡體的狀態(tài)?；聲r(shí)間預(yù)報(bào)是目前滑坡預(yù)報(bào)研究的核心內(nèi)容，也是滑坡預(yù)報(bào)研究最重要和最有意義的內(nèi)容。

滑坡時(shí)間預(yù)報(bào)通常分為長(zhǎng)期預(yù)報(bào)、中期預(yù)報(bào)、短期預(yù)報(bào)和臨滑預(yù)報(bào)。然而，大量的研究和實(shí)踐表明：由于滑坡變形時(shí)序動(dòng)態(tài)規(guī)律的非線性和復(fù)雜性，滑坡破壞時(shí)間的中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)具有顯著的不確定性；而在短期和臨滑預(yù)報(bào)階段，滑坡變形時(shí)序變化已由不確定型向確定型或相對(duì)確定型轉(zhuǎn)化，此時(shí)滑坡劇滑時(shí)間預(yù)報(bào)才具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)現(xiàn)的可能［4］。因此，本文只研究滑坡劇滑時(shí)間預(yù)報(bào)。

3.3.1 速度倒數(shù)法預(yù)報(bào)滑坡時(shí)間

1985年日本學(xué)者Fukuzono提出了用速度倒數(shù)預(yù)報(bào)滑坡的方法，并用Λ-t（Λ是速度倒數(shù)）作圖方法來(lái)預(yù)報(bào)滑坡失穩(wěn)時(shí)間［5］。后來(lái)由Voight1988年在總結(jié)前人研究成果，并根據(jù)大量室內(nèi)試驗(yàn)觀測(cè)和實(shí)例分析的基礎(chǔ)上，提出了在加速階段加速度和速度成冪函數(shù)關(guān)系，這使得速度倒數(shù)預(yù)報(bào)方法得到了理論證明。速度倒數(shù)預(yù)報(bào)法是一種簡(jiǎn)捷、有效的時(shí)間預(yù)報(bào)方法，在滑坡預(yù)報(bào)實(shí)踐中收到了比較好的應(yīng)用效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般繪制Λ-t曲線圖，用曲線關(guān)系外推進(jìn)行預(yù)報(bào)。把Λ-t曲線往時(shí)間軸正方向延伸，當(dāng)該曲線與時(shí)間軸相交時(shí)，即速度倒數(shù)Λ為0時(shí)的時(shí)間就是預(yù)報(bào)的滑坡時(shí)間。圖7-A為雷達(dá)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的邊坡移動(dòng)速度倒數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線。從該圖可以看出，進(jìn)入5月23日，速度倒數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線近似一直線，把這條直線往時(shí)間軸正方向延伸，使它與時(shí)間軸相交，從而得出滑坡時(shí)間為5月24日上午12:25，如圖7-B所示。

基于以上預(yù)報(bào)結(jié)果，技術(shù)服務(wù)部巖石力學(xué)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(guān)人員發(fā)出email，通報(bào) 了“露天南部邊坡已處于危險(xiǎn)狀態(tài)，近期內(nèi)會(huì)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(jìn)行排水作業(yè)的人員，并停止井下開(kāi)采在露天采坑的排渣作業(yè)，封閉了所有通往露天采場(chǎng)的道路。2015年5月24日下午13:10南部邊坡滑坡發(fā)生時(shí)，因采取了相應(yīng)的防災(zāi)措施，避免了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

圖7 運(yùn)用速度倒數(shù)預(yù)報(bào)滑坡時(shí)間

3.3.2 位移加速度法預(yù)報(bào)滑坡時(shí)間

許強(qiáng)、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(dāng)變形在外界因素的作用下突然啟動(dòng)后，隨著外界因素的減弱甚至消失，其變形速率會(huì)逐漸降低，其加速度為負(fù)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(jìn)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?，并呈逐漸增大的趨勢(shì)。大量的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)斜坡演化進(jìn)入臨滑階段后，累積變形量、變形速率以及加速度均會(huì)急劇增長(zhǎng)，這一顯著的前兆特征可作為滑坡臨滑預(yù)警的重要依據(jù)［6］。圖8為雷達(dá)邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的邊坡移動(dòng)加速度-時(shí)間關(guān)系曲線。從該圖可以看出，5月24日上午10:00開(kāi)始邊坡變形加速度急劇增長(zhǎng)，中午12:59:44邊坡移動(dòng)加速度由負(fù)變正， 據(jù)此預(yù)報(bào)滑坡發(fā)生時(shí)間為5月24日中午12:59。

圖8 滑體的移動(dòng)加速度-時(shí)間曲線

南部邊坡實(shí)際滑坡開(kāi)始時(shí)間為2015年5月24日下午13:10，用以上兩種方法預(yù)報(bào)的滑坡時(shí)間與實(shí)際的滑坡時(shí)間非常接近，預(yù)報(bào)的精度相當(dāng)高。

4 結(jié)論

（1）邊坡位移監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)掌握邊坡穩(wěn)定性狀況，對(duì)失穩(wěn)的邊坡作出相關(guān)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，為生產(chǎn)管理與技術(shù)人員提供邊坡的變形數(shù)據(jù)，追蹤邊坡的變化進(jìn)程，實(shí)時(shí)掌握邊坡的滑坡特征和演化過(guò)程，為后續(xù)的邊坡研究提供有效的依據(jù)。

（2）通過(guò)日常邊坡檢查及運(yùn)用雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)邊坡進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用國(guó)內(nèi)外滑坡動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的理論和方法，成功地在滑坡地點(diǎn)、滑體形態(tài)與規(guī)模及滑坡發(fā)生時(shí)間三方面對(duì)2015年5月24日露天礦南部多臺(tái)階滑坡進(jìn)行了預(yù)報(bào)。因及時(shí)采取了有效的防范措施，避免了人員傷亡、設(shè)備損壞，同時(shí)減少了滑坡對(duì)露天采坑排水、井下開(kāi)采在露天采坑排渣的不利影響。

（3）運(yùn)用移動(dòng)速度倒數(shù)法、移動(dòng)加速度法預(yù)報(bào)滑坡，其精度非常高，特別適合于錦豐露天礦邊坡的臨滑預(yù)報(bào)。

（4）滑坡預(yù)報(bào)的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確掌握滑坡變形的特點(diǎn)和所處的變形階段，建立能夠代表并真實(shí)反映滑坡整體變形特征的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)邊坡進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而IBIS-M實(shí)時(shí)預(yù)警雷達(dá)能很好地滿足這方面的需求。

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［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(cè)中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量, 2011(2):41-43.

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