一种新型缆索在排土场稳定性监测领域的应用

范立军，陶志刚，吕 谦，3，樊建纬

（1.本溪钢铁 （集团）南芬露天铁矿，辽宁 本溪 117014；2.中国矿业大学 （北京）力学与建筑工程学院，北京 100083；3.黑龙江科技学院建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 概述

露天矿山排土场是由松散的剥离物堆排形成，堆排的台阶较高、稳定性差，堆排生产过程中和结束后的较长时期均有沉降或滑落。在异常天气如降雨或雪融等条件的诱导下，易发生滑坡、泥石流灾害，需长期进行技术管理，开展土场稳定性监测预警，满足安全和环境保护方面的要求［1－2］。

南芬露天矿2号土场位于采矿场西侧，属外部永久土场，利用河谷和山谷堆排矿山剥离的岩石，顺坡排土，山坡倾角16°～20°，谷底倾角5°～10°，原地表生长灌木，腐殖土较薄。土场北部是南芬大东沟和冯家东沟两个山谷，山坡地形较陡，排土坡底线900m以外有村庄和国道；南部是黄柏峪河谷的阳坡，排土坡底线80m以外有村庄和乡村公路。根据南芬露天矿1500万t/a扩产工程设计，土场使用在20a以上，设计排土标高600m、堆排岩石量4.50亿t（堆置容积2.05亿 m3）、占地面积380万 m2，排土段高150m～200m、局部段高达280m。排岩方式是卡车运输－推土机推排和破碎－胶带运输－排土机联合排土，形成“一坡面”全段高排土形式，自然安息角34°～38°，平均35°［3－4］。在土场堆排过程中和雨季，发生过土场局部边坡失稳现象，局部边坡面沟蚀形成类似泥石流的现象，土场的稳定性受到安监部门关注。当前，监测土场边坡的方法是常规监测台阶坡顶线位移、裂缝和边坡面形状，存在的主要问题有：①人员直接在危险区频繁活动，安全隐患大；②劳动强度大，效率低，实时性差；③异常情况下（如降雨），无法持续监测；④监测结果是滑动的结果，缺少事前预警。

2 监测原理及监测系统

2.1 基本监测原理

在露天矿山排土场滑坡发生前和发生过程中，潜在滑动松散岩体中的应力首先发生变化，滑动力与抗滑力之间的平衡不断被打破。在不断形成新平衡的过程中，形成下滑力显现，之后伴随边坡产生变形和位移，下滑力显现是滑坡体产生的充分必要条件，变形和位移是滑坡体产生的必要条件。当监测到岩体有明显变形时，边坡已经发生了一定程度的滑动破坏。捕捉滑动体下滑力的显现变化特征，可以超前于地表位移和变形判断边坡的稳态趋势。

基于上述分析，恒阻大变形缆索滑动力监测预警系统以力的平衡原理为基础，建立摄动力与滑动力和抗滑力之间的关系，以摄动力来反映边坡滑动力和抗滑力的变化，实现对滑动体下滑力连续、自动、实时采集存储，并无线发射到远程室内接收终端，终端计算机进行分析并形成动态监测曲线，经分析后指导做出预警。在监测数据的获取上实现了不需要人员到达现场的远程自动化，克服人工现场测读数据受天气、安全等因素的影响。

2.2 监测系统

本次设计主要采用中国矿业大学（北京）岩土工程中心自主研发的恒阻大变形缆索滑动力监测预警系统［5－7］。该系统主要由三大部分构成，包括：恒阻大变形缆索、信号采集－传输设备、信号接收－分析设备，各部分都有相应的软配套软件。

1）恒阻大变形缆索。恒阻大变形缆索是针对岩土体大变形破坏而专门设计的一种集监测和预警于一体的通讯缆索。是指把缆索达到屈服强度的90%设计为缆索荷载，当缆索上的荷载达到设计值时，设置在缆索上的一种特殊联结装置，就可以通过恒阻体在特殊结构管体内滑移产生大变形来抵消荷载产生的拉断效应，防止缆索被拉断破坏，实现对滑坡全过程实时监测。同传统预应力锚索相比，其结构的关键是恒阻器，其它的组成部分与传统预应力锚索技术基本相同。

2）力学信号采集－传输设备。力学信号采集与传输设备安装在监测现场，可将滑动面上施加的扰动力数据自动采集、储存、发射，经中转到信号分析系统，见图1。

图1 力学信号采集和传输系统

3）信号接收－分析设备。该设备可将现场发来的数据自动接收并处理，利用摄动力与下滑力和抗滑力之间的函数关系，计算出下滑力的大小，并且形成动态监测曲线，据此判断监测对象的状态，实时做出监测预警。

2.3 系统应用目标

该系统应用到排土场边坡稳定性动态监测领域，实现了排土场持续排土、超前监测预警、强化安全措施的针对性。

1）捕捉土场边坡滑动体下滑力演变特征，优于对滑动体表面位移和裂缝的监测，从本质上实现对滑坡灾害超前预警。

2）通过延续监测，探寻土场边坡演变特征，判断其是否逐渐稳定。

3）提高监测频繁和精度。

4）根据边坡潜在滑动体下滑力的特征，预测发展动向，并做出危险预警指导避险。

5）提高监测的实时性、科学性和智能性。

2.4 数据分析

系统以“产、学、研”为平台，结合监测对象的差异，经不断研发完善改进，已在露天开采煤矿软质岩体边坡和露天开采铁矿硬质岩体边坡开展监测预警。自运行以来，多次成功预警了边坡失稳破坏灾害，指导了矿山人员和设备撤离避险，实现矿山安全生产［5］。恒阻大变形缆索监测预警特征曲线，如图2所示。

图2 监测预警模式

3 排土场监测设计

3.1 监测点设计依据和原则

1）土场边坡分级。土场边坡监测点设计达到国家相关滑坡地质灾害防治工程设计技术要求，如表1所示。

2）布点、布线原则。滑动力远程监测点和监测线的布置，原则上根据排土场边坡工程的重要性分级，严格按照表2内容进行设计。

3）承载板安装的固定混凝土结构位于滑动体上缘线外侧一定距离。

4）恒阻套管借助混凝土结构与土场边坡松散岩体融为一体。

5）在施加缆索应力设备的配合下，承载板处的锚具夹片具有可拆卸性。

表1 地质灾害防治工程分级

表2 滑动力监测点设计标准

3.2 设计方案

恒阻大变形缆索滑动力监测预警系统，在土场边坡的应用设计分三部分。包括：恒阻套管混凝土结构的设计、土场坡顶线部位支撑转角设计、承载板固定混凝土结构设计。

1）恒阻套管混凝土结构设计。恒阻套管与潜在的松散滑动体须融为一体，借助在恒阻套管外增加一个体积较大混凝土结构。结构内的钢筋与恒阻套管外点焊接，混凝土结构为圆台体，轴线与水平面夹角为松散岩体的自然安息角，上小下大（推荐参数：r＝400mm、R＝750mm、h＝2500mm）。具体的参数与岩性、粒度、含水量、松散系数、埋置深度等有关，采用相关试验确定。恒阻套管混凝土结构埋设的位置尽可能靠近排岩段高中下部。

2）土场坡顶线部位转角支撑设计。恒阻大变形缆索在台阶坡顶线部位有一个转角。为了减小缆索因受力而不均匀陷入松散的岩体中，避免转角小形成集中受力割断，在台阶坡顶线处的坡面和顶面上，以一定的距离设置缆索平衡器（推荐枕木），实现缆索均匀受力，并控制转角在合理范围内，缆索及其平衡器埋深0.5～1.0m。

3）承载板固定混凝土结构设计。承载板固定混凝土结构位于理论计算滑动体后缘线以外，承载能力达到设计拉力的2.5倍以上，同时设有防旋转和倾覆装置。主体结构埋深1.5m。

3.3 安装和运行解析

先施工承载板固定混凝土结构，并沿设计线开挖沟槽，放置缆索转角支撑；随后施工恒阻套管混凝土结构和组装恒阻大变形缆索，缆索比设计长15m，缆索外均匀涂抹防腐润滑剂，外套软质厚壁橡胶管，缆索间安装防缠绕装置；最后安装信号采集－传输设备，并调试信号接收－分析设备；各设备处于运行状态后，在恒阻套管混凝土结构稳定的情况下，逐步施加缆索应力，并回填沟槽，完成安装，设备处于待运行状态，见图3；土场在该部位的堆排生产继续进行，在原堆排坡顶线推进10m以上后，分三次增加缆索应力达到设计屈服强度荷载的90%。此时，恒阻大变形缆索滑坡监测预警系统正式投入运行。运行过程中，由于土场自然沉降会影响缆索应力，要经常在监测力学特征曲线的指导下，在承载板固定混凝土结构端调节缆索应力，保证其处于正常工作状态，尤其是在雨季和雪融时期，需之前调好缆索应力，实现监测数据的积累，排除自然沉降的干扰，以提高监测预警准确度。

图3 系统安装和运行示意图

3.4 需要继续解决的问题

1）缆索部位堆排岩石时，应避免大块滚落。

2）运行过程中，缆索有断裂反弹的安全隐患，应做好防护。

3）进一步检验缆索在岩石压紧条件下的工作状态。

4）针对扰动力与下滑力和抗滑力的关系，开发相关软件，提高系统的普遍适用性。

4 结论

恒阻大变形缆索滑动力远程监测预警系统在土场边坡的应用分析，是基于恒阻大变形缆索和滑坡监测预警系统研发成果，提出在土场边坡应用，系统随着边坡岩土体大变形而发生径向拉伸，吸收能量，避免由于岩土体大变形而发生缆索断裂、失效，从而避免边坡较小位移沉降、滑塌后监测设备就丧失作用，实现为土场边坡松散岩体稳定性监测与安全评价提供科学依据，确保人员、设备的安全。

该系统的运行不完全取代传统的土场巡视和对土场边坡异常情况的处理，如：排水、边坡形状、底角维护等，与传统监测方法比较，是一次土场边坡监测技术的突破。

［1］王运敏.现代采矿手册［M］.中册.北京：冶金工业出版社，2012.

［2］王青，史维祥.采矿学［M］.北京：冶金工业出版社，2001.

［3］本钢设计研究院.本钢南芬铁矿扩产工程初步设计说明书［R］.2009.

［4］张玉，杨志双，张瑛，等.本溪南芬铁矿排土场滑坡稳定性研究［J］.地质与资源，2008，17（1）：50-53.

［5］何满潮.滑坡地质灾害远程监测预报系统及其工程应用［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（6）：1081-1090.

［6］HE Manchao，TAO Zhigang，Zhangbin.Application of remote monitoring technology in landslides in the Luoshan mining area.Mining Science and Technology，2009，19（5）：609-614.

［7］陶志刚，张斌，何满潮.罗山矿区滑坡灾害发生机制与监测预警技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2011，30（Supp.1）：2931-2937.