锦丰金矿露天矿边坡监测及滑坡预报

章海象

（贵州锦丰矿业有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 引言

锦丰金矿露天矿区断裂褶皱发育，地层支离破碎，产状局部直立甚至倒转。断裂带实质上是一个强构造应变带及强矿化蚀变带，带内岩石强烈变形。

锦丰露天矿边坡岩体主要由边阳组砂岩夹粘土岩半坚硬-软弱岩组组成；砂岩薄至中厚层，半坚硬，抗风化性强，但因受构造强烈挤压作用，完整性受到破坏，强度降低。粘土岩十分松软破碎，遇水软化、泥化，极易垮塌。边坡岩体总体上呈层状结构，层间结合力差。粘土岩软弱层及断裂破碎带，特别是顺坡向的软弱夹层是影响边坡稳定性的主要因素。

2 锦丰金矿边坡稳定性监测

滑坡对露天矿危害极大，如切断运输线路，掩埋采矿设备，造成人员伤亡，威胁附近井下开采设施，甚至迫使矿山停产，严重制约矿山的可持续发展。一般边坡滑坡的发生都有明显前兆现象，边坡变形就是最突出、最直接、最容易捕捉到的滑坡特征，所以边坡变形监测是进行滑坡预报的可靠办法之一。

锦丰金矿边坡监测包括日常边坡巡查和使用IBIS-M雷达监测边坡。

2.1 日常边坡巡查

岩石力学工程师携带卷尺、相机、喷漆、记录表等，沿着露天采场的各平台、运输道路行走，用肉眼观察沿线所有台阶坡面、平台及挡墙等，判断边坡上有无新裂缝、坍塌发生，原有裂缝有无扩大、延伸，边坡有无隆起或下陷，边坡支护、加固结构是否出现变形等。每次检查后应及时做好相应的检查记录，对于新发现的张裂隙，要用喷漆标注裂缝，记录发现裂缝的位置、宽度和长度并拍照，如图1所示；对于已有的张裂隙，不但要测量并记录裂缝的当前宽度和长度，还要比较张裂隙当前尺寸与以前尺寸，从而判断存在张裂隙区域的边坡失稳进展情况。对检查中发现的病害及险情及时上报。

图1 平台张裂隙尺寸测量

2.2 使用IBIS-M雷达监测边坡

IBIS-M系统是意大利IDS公司和佛罗伦萨大学经过6年合作研发的结果，它是一个基于微波干涉技术的高级远程监控系统，将步进频率连续波技术、合成孔径雷达技术、干涉测量技术以及永久散射体技术相结合，专门用于矿山边坡、尾矿库、大坝坝体、山体、地表、建筑和桥梁等位移变化的监测。此外，IBIS-M能够及时对矿山边坡各危险区域做出灾害早期预报，极大地减少或避免灾害对人员造成的伤害及对设备财产造成的损失［1-2］。

锦丰公司IBIS-M系统由合成孔径雷达单元、2米线性轨道单元、智能供电控制单元、太阳能电池板、传输单元、设备工作间等部分组成。露天采场安装了一台装有Controller软件的计算机控制IBIS-M主机及附件，主机在导轨上移动，通过合成孔径雷达技术获得监测数据，监测数据通过光纤传输到中控室；中控室内一台装有Guardian软件的计算机可以实时显示被测区域的位移、速度、安全级别等，当形变超过设定的阀值时即可通过电邮、短信、警报器等发出警报。锦丰公司IBIS-M雷达边坡监测系统组成及其在在锦丰露天矿的布置如图2所示。

图2 锦丰公司IBIS-M雷达边坡监测系统的组成及其布置

3 锦丰露天矿边坡滑坡预报

进行滑坡预报的意义在于及时准确地预报滑坡的时间、空间和规模，由此可采取必要的防治、防范措施，避免或减少滑坡可能造成的损失。边坡滑坡预报包括滑坡地点、滑体形态与规模及滑坡发生时间三要素［3］。下面以2015年5月24日中午发生的锦丰露天矿南部边坡大滑坡为例，来阐述锦丰露天矿所进行的滑坡预报工作。

3.1 滑坡地点的预报

张裂隙的出现，是边坡破坏、失稳的标志，而贯通的张裂隙就是将来滑坡发生时滑体边界。早在2015年3月份，锦丰金矿南部运输道路上就出现一条与运输道路斜交的裂隙，如图3-A所示。进入4月份，降雨量越来越多。到了4月末，采矿工程延伸到了露天采场的底部境界。因边坡坡脚失去支撑，再加上雨水的不断渗入，南部运输道路路面张裂隙逐渐变宽、加深。至2015年5月24上午9:19，张裂隙总长达110m，宽度达50cm，裂隙左侧岩体（凌空面一侧岩体）下沉量达60cm，如图3-B所示。图4为滑坡后南部运输道路照片，从此图可以看出，早期发现的张裂隙就是滑体的后部边界。

图3 南部运输道路上的张裂隙发展变化

图4 滑坡后南部运输道路

3.2 滑体形态与规模的预报

从2015年3月份观察到南部运输道路上出现与运输道路斜交的张裂隙起，锦丰金矿技术服务部门开始密切注意IBIS-M雷达对南部不稳定边坡的监测结果。雷达把边坡分成许多微小单元（像素），图5为雷达监测到的南部边坡各像素变形发展过程，其中滑体的形状、范围及规模于2015年5月21日已在雷达上大体显示出来，即图5-A中间阴影部分。至2015年5月22日，随着滑体变形速度加大，其形状、范围及规模在雷达上越来越明显（见图5-B中间浅红至红色部分）。至2015年5月23日，滑体的形状、范围及规模在雷达上已经非常清晰了（见图5-C中间的红色区域）。2015年5月24日，滑体各个部位的位移速度都达到或超过设置的预警值（见图5-D），并于当日13:10发生边坡失稳。图6为滑坡后的露天南部边坡照片，对比图5与图6，可以看出，雷达上显示的滑体与实际发生的滑坡在形态、范围与规模上高度一致，这也说明雷达是一种非常可靠、实用的边坡监测装置。

图5 南部边坡各区域变形速度发展变化

图6 滑坡后的露天南部边坡

3.3 滑坡发生时间的预报

滑坡时间预报是指对滑坡发生的具体时间的预报，即对已获取的监测数据，通过数学模型来预报未来某一时刻坡体的状态。滑坡时间预报是目前滑坡预报研究的核心内容，也是滑坡预报研究最重要和最有意义的内容。

滑坡时间预报通常分为长期预报、中期预报、短期预报和临滑预报。然而，大量的研究和实践表明：由于滑坡变形时序动态规律的非线性和复杂性，滑坡破坏时间的中长期预报具有显著的不确定性；而在短期和临滑预报阶段，滑坡变形时序变化已由不确定型向确定型或相对确定型转化，此时滑坡剧滑时间预报才具有现实意义和实现的可能［4］。因此，本文只研究滑坡剧滑时间预报。

3.3.1 速度倒数法预报滑坡时间

1985年日本学者Fukuzono提出了用速度倒数预报滑坡的方法，并用Λ-t（Λ是速度倒数）作图方法来预报滑坡失稳时间［5］。后来由Voight1988年在总结前人研究成果，并根据大量室内试验观测和实例分析的基础上，提出了在加速阶段加速度和速度成幂函数关系，这使得速度倒数预报方法得到了理论证明。速度倒数预报法是一种简捷、有效的时间预报方法，在滑坡预报实践中收到了比较好的应用效果。

在实际应用中，一般绘制Λ-t曲线图，用曲线关系外推进行预报。把Λ-t曲线往时间轴正方向延伸，当该曲线与时间轴相交时，即速度倒数Λ为0时的时间就是预报的滑坡时间。图7-A为雷达边坡监测系统生成的边坡移动速度倒数-时间关系曲线。从该图可以看出，进入5月23日，速度倒数-时间关系曲线近似一直线，把这条直线往时间轴正方向延伸，使它与时间轴相交，从而得出滑坡时间为5月24日上午12:25，如图7-B所示。

基于以上预报结果，技术服务部岩石力学工程师分别于2015年5月23日下午16:33和5月24日上午9:06，两次向锦丰公司所有相关人员发出email，通报 了“露天南部边坡已处于危险状态，近期内会发生大滑坡”这一紧急情况。5月23日下午撤出了所有在露天采坑进行排水作业的人员，并停止井下开采在露天采坑的排渣作业，封闭了所有通往露天采场的道路。2015年5月24日下午13:10南部边坡滑坡发生时，因采取了相应的防灾措施，避免了人员伤亡和财产损失。

图7 运用速度倒数预报滑坡时间

3.3.2 位移加速度法预报滑坡时间

许强、曾裕平等从斜坡变形三阶段演化模式分析得出，在斜坡的初始变形阶段，当变形在外界因素的作用下突然启动后，随着外界因素的减弱甚至消失，其变形速率会逐渐降低，其加速度为负值；在斜坡的等速变形阶段，由于其变形速率基本维持在一恒定值，加速度基本为0；而一旦进入加速变形阶段，随着变形速率的不断增加，其加速度变为正值，并呈逐渐增大的趋势。大量的滑坡监测数据表明，当斜坡演化进入临滑阶段后，累积变形量、变形速率以及加速度均会急剧增长，这一显著的前兆特征可作为滑坡临滑预警的重要依据［6］。图8为雷达边坡监测系统生成的边坡移动加速度-时间关系曲线。从该图可以看出，5月24日上午10:00开始边坡变形加速度急剧增长，中午12:59:44边坡移动加速度由负变正， 据此预报滑坡发生时间为5月24日中午12:59。

图8 滑体的移动加速度-时间曲线

南部边坡实际滑坡开始时间为2015年5月24日下午13:10，用以上两种方法预报的滑坡时间与实际的滑坡时间非常接近，预报的精度相当高。

4 结论

（1）边坡位移监测可以实时掌握边坡稳定性状况，对失稳的边坡作出相关的预测预报，为生产管理与技术人员提供边坡的变形数据，追踪边坡的变化进程，实时掌握边坡的滑坡特征和演化过程，为后续的边坡研究提供有效的依据。

（2）通过日常边坡检查及运用雷达系统对边坡进行连续、动态、实时监测，运用国内外滑坡动态预报的理论和方法，成功地在滑坡地点、滑体形态与规模及滑坡发生时间三方面对2015年5月24日露天矿南部多台阶滑坡进行了预报。因及时采取了有效的防范措施，避免了人员伤亡、设备损坏，同时减少了滑坡对露天采坑排水、井下开采在露天采坑排渣的不利影响。

（3）运用移动速度倒数法、移动加速度法预报滑坡，其精度非常高，特别适合于锦丰露天矿边坡的临滑预报。

（4）滑坡预报的关键在于准确掌握滑坡变形的特点和所处的变形阶段，建立能够代表并真实反映滑坡整体变形特征的监测系统，并对边坡进行连续、动态、实时监测，而IBIS-M实时预警雷达能很好地满足这方面的需求。

［1］于泓,彭军还. IBIS-M系统在露天矿边坡监测的应用[J].采矿技术,2011(4):100-102.

［2］李静涛,焦步青,卢毅. IBIS-M在安家岭煤矿边坡变形监测中的应用[J].矿山测量, 2011(2):41-43.

［3］贺跃军, 朱建辉. 露天矿边坡移动监测方法[J].新疆有色金属,2002(1):44-47.

［4］毛广湘.黄茨滑坡预报预报分析[J]. 建筑科学, 2007(3):31-33.

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

［6］许强,曾裕平. 具有蠕变特点滑坡的加速度变化特征及临滑预警指标研究[J].岩石力学与工程学报, 2009(6):1099-1102.