凹山铁矿东南帮滑坡预测预报案例分析

2020-07-02韦忠跟刘永革

露天采矿技术 2020年3期

韦忠跟，刘永革

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；3.开滦能源化工股份有限公司，河北唐山 063018）

凹山铁矿是马钢集团南山矿业公司下属矿山之一，矿体出露最高处海拔＋175 m，向下延伸至－214 m，截至本次滑坡发生前，已形成开采境界为东西向长1 200 m，南北向长980 m，垂深255 m 的露天采场。残矿开采作业主要集中在矿坑的高陡边坡—东南帮的底部区域。根据对坡面的现场勘查，该滑坡是一个由断层控制，已经在两侧出现裂缝的岩石滑坡，主滑方向指向现场作业区域，严重威胁坑下作业车辆及人员的安全。据地质调查表明：该区域内断裂构造十分发育，均以剪节理的形式出现。全年雨量充沛，雨季主要集中在春季，而且开采作业期间爆破活动频繁[1-3]。综合以上因素，凹山铁矿东南帮已经具备了潜在滑坡的内在因素。为了确保矿山施工安全，以及实时掌握东南帮高陡边坡位移、速度等参数的变化情况，并预测预报滑坡的发生，矿山采用MSR边坡雷达技术对整个东南帮边坡进行监测预警。该技术具有密度大、精度高、范围广等特点，而且该系统的测量几乎不受雨水、灰尘和烟雾的影响，可以保证露天矿山的安全生产及经济效益[4-5]。

1 监测设备布置

为能采用先进的监测手段做出准确的临滑预报，凹山铁矿使用的是MSR 边坡雷达，该设备可以次毫米精度对凹山铁矿边坡进行长时间的、连续的远程扫描监测。日常工作中，监测设备可安装在被监测边坡对面，远离危险区域，同时该设备在运行中几乎不受雨雪、烟雾等自然因素影响，不易发生故障，可不间断地保证露天矿的安全生产及经济效益[6]。

MSR 边坡雷达设备布置在凹山铁矿东南帮边坡对面，其坐标位置为（10112，3409）。根据凹山铁矿边坡监测的需要，将雷达监测区域控制在北帮、东帮和南帮，根据边坡监测的重要程度及危险性级别将雷达扫描区域划分为3 个重点监测区域，分别为监测区域1、监测区域2 和监测区域3。监测区域1、监测区域2 位于采场东南帮，监测区域3 位于采场北帮，该区域地质构造发育、采矿以及爆破作业活动频繁[7-8]。边坡雷达监测区域三维扫描图如图1。

图1 边坡雷达监测区域三维扫描图

2 滑坡影响因素

1）地质条件。矿区内地质构造主要为火山岩构造及成矿后期的断裂构造：①火山岩构造：凹山铁矿大部分矿床位于吴村～尖山火山喷发后缓慢形成的火山带隆起部分，周围大部分是火山岩地层，其角度主要呈外倾产状（一般10°～30°），凹山铁矿的矿石主要产自于火山带隆起部分的火山构造角砾岩中；②断裂构造:凹山铁矿大部分矿层内断裂构造发育的十分完整，出现的大多形式是剪节理，地质特征在空间分布上与断裂构造十分密切。在西北方向及东北方向2 组剪切节理形成了密集的“X”型裂隙带，使矿区的岩层变成破裂状、散体状结构。凹山铁矿边坡岩石的风化程度，整体为中等风化程度，局部近地表岩石显强风化状态。区内围岩蚀变，不同岩性表现不一，在矿区东南部晶屑凝灰岩（Tu）中，呈一套浅色蚀变带，上部为高岭石（化）带，下部为硅化带。区内主要为构造裂隙潜水，受大气降水和地表水直接渗入补给，自水位较高处向水位较低处渗流，最后渗水流向排泄区。凹山采场由于边坡裂隙发育十分完整，有利于地下水的汇聚、储存，形成了具有水文地质条件的富水带区域。矿区大部分分布在这个富水带中，地下水主要来自大气降水的垂直入渗补给，自然地质条件下由东向西或北西方向运移到长江水系。凹山铁矿开采过程中进入深凹露天矿后，形成了局部的地下水降落漏斗，不利于自然地质条件下的排水。凹山矿区主要含水层为基岩裂隙潜水含水层。裂隙潜水含水层由火山岩和次火山岩组成，主要岩性是闪长玢岩、安山岩和磁铁矿等。

2）采矿作业。凹山铁矿处于地质环境治理阶段。为了充分利用采场铁矿石资源，改善生产配矿、完成铁精矿生产任务，计划实施残矿回收工程，进行地质环境综合治理。残矿回收工程主要地点位于凹山铁矿的东南帮。采矿作业活动是影响凹山铁矿东南帮边坡稳定的重要因素。其中，凹山铁矿采矿作业活动中以电机车的运行及采矿作业区域对边坡稳定的影响最大。

3）降雨条件。我国南部属于季节性降雨，形成暴雨会导致地下水位的升高，例如高渗区紧靠开挖坡面，若岩土坡面稳定性接近临界破坏状况，形成的水压力会引起坡面的破坏。安徽省马鞍山市属热带季风气候，全年降雨较多，气候温和，日照充足，雨季主要在春夏季。降雨最多集中在6—10 月。

4）爆破震动。在凹山铁矿采掘作业期间，爆破震动会使边坡岩石松散破裂，如果边坡正处于平衡状态下，如果爆破装药量过大、爆破设计不合理时，很可能导致凹山采场的边坡发生局部或整体破坏失稳，形成滑坡片帮，给露天矿山的正常生产带来安全隐患。另外，爆破源与重点监测区域的距离是爆破影响边坡位移变化的重要因素之一，呈现监测区域离爆破源越近边坡位移变化影响越大的特点。

3 预警原理和报警值设置及滑坡预警过程

3.1 预警原理

通过大量的滑坡监测实例分析，滑坡将经历减速变形、匀速变形、加速变形3 个阶段，利用这种变形特点及规律，边坡雷达可作出较为准确的预警预报。

露天矿边坡的变形从匀速变形阶段演化到加速变形阶段的最明显特点就是位移-时间曲线的斜率发生变化。在匀速变形阶段，位移-时间曲线会有所波动，但变形曲线整体斜率会呈现为1 条“直线”。一旦演变到加速变形阶段，曲线斜率会出现加速现象，位移-时间曲线总体上呈现1 条斜率不断增大的上凹“曲线”。根据这一特点，通过对变形-时间曲线的分析，可以直观判断出边坡的变形过程。

在实际应用过程中，为了较为准确地判断出边坡的变形阶段，可以将同一监测点的变形速率-时间曲线和累积位移-时间曲线进行对比分析，根据2条曲线的特点共同判定边坡的变形阶段。

根据边坡变形-时间曲线，边坡的加速变形阶段是实施预警的关键阶段，结合地质灾害预警机制的相关规定，将加速变形阶段进一步细分为加速变形阶段和加速变形后期，滑坡预警级别与边坡变形阶段的对应关系见表1。

表1 滑坡预警级别与边坡变形阶段的对应关系

3.2 报警值设置

凹山铁矿东南帮边坡雷达监测区域按位移变化的绝对值划分为正常区域和重点监测区域。对于正常区域，设置一级报警和二级报警。对于重点监测区域，将其划分为3 个预警级别（一级预警、二级预警、三级预警），以便能够重点预警高危区域，避免突然产生滑坡造成设备及生命财产损失[9-13]。

根据边坡雷达长期对凹山铁矿的监测经验，并结合相似地质条件边坡的监测预警，对凹山铁矿重点监测区域的边坡设置3 级报警值：

1）一级预警。位移值达到50 mm，速度值（周期12h）达到1.5 mm/h（同时满足）。

2）二级预警。位移值达到30 mm，速度值（周期12h）达到1 mm/h（同时满足）。

3）三级预警。位移值达到20 mm，速度值（周期12h）达到0.5 mm/h（同时满足）。

3.3 滑坡预警过程

在9 月20—29 日期间，受台风引起的连续多日降雨天气的影响，以及南帮作业区分别在9 月21日、9 月22 日、9 月26 日、9 月27 日爆破活动的作用，监测人员通过边坡雷达位移云图及曲线发现东南帮有异常区域出现，凹山采场东南帮变形异常区域如图2。

异常区域出现了位移缓慢持续增大现象，引起监测人员的高度警觉，并及时与雷达监测主要负责人汇报沟通。随着时间推移，变形异常区域的位移逐步加大，并且位移速度、加速度呈加速变化，至9月29 日16：20，变形异常区触发雷达监测报警阀值，该区域出现临滑预警。在临滑预警指令发出13 h 后，即9 月30 日5：50 该区域发生小范围滑坡。

图2 凹山采场东南帮变形异常区域

4 雷达数据分析过程

异常区域曲线如图3。

图3 异常区域曲线

通过观察图3（a）中的位移曲线，可以得出：①9 月20 日0：00 — 9 月29 日6：00，该区域位移呈现缓慢增加趋势，累计位移量为30 mm；②9 月29日6：00 — 9 月30 日5：50，该区域位移呈现快速增加趋势，累计位移量为80 mm；③9 月30 日5：50 —10 月1 日7：00，该区域位移呈现缓慢增加趋势，累计位移量为6 mm。

通过观察图3（b）中的速度曲线，可以得出：①9月20 日0：00 — 9 月29 日6：00，该区域速度呈现等速变形趋势，维持在0.2 mm/h 左右变化；②9 月29 日6：00 — 9 月30 日5：50，该区域速度呈现加速变形趋势，从0.2 mm/h 增大到5.5 mm/h；③9 月30 日5：50 — 10 月1 日7：00，该区域速度呈现减速变形趋势，从5.5 mm/h 减少到0.1 mm/h。

综上，将临滑阶段的变形阶段进行划分：①第1阶段：9 月20 日0：00 — 9 月29 日6：00 期间，滑坡区域的速度曲线呈现较为规律的匀速变化；②第2 阶段：从9 月29 日6：00 开始，滑坡区域的速度曲线出现加速变化。至9 月29 日16：20，位移速度触发报警阈值，触发报警时滑坡区域累计位移为50 mm，速度为1.4 mm/h，加速度为1.5 mm/h2。异常区域触发报警后，降雨并未停止，导致该区域位移及速度持续增加，于9 月30 日5：50 发生滑坡，滑坡时位移量为120 mm，速度值为5.5 mm/h，加速度为4.5 mm/h2。

因此，通过边坡雷达监测数据，可以清晰地看到滑坡前后速度曲线经历了一个从匀速-加速-减速全过程，这种来源于真实监测数据的变形阶段划分，可以为有效、可靠的预报分析与计算做出更大贡献，为今后的科学预报决策有着重要的现实意义[14-16]。