智能化安全评估与监测技术在上房沟钼矿的应用实践

肖春营，张 达，卢长伟，王利岗

(1.洛阳富川矿业有限公司，河南 栾川 471599；2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

矿产资源是我国国民经济的基础，是中华民族伟大复兴的重要战略支撑。露天开采因其高效率、低成本、高安全性等特点，一直是我国非煤矿山首选的，也是最为普遍采用的开采方式。截至2020年底，我国共有非煤矿山3.2万余座，其中露天矿山数量高达2.4万余座。然而，随着我国地表优质矿产资源的多年粗放型高强度开采，露天矿山的矿岩条件日趋复杂，开采深度逐年增加，边坡高度和倾角日益提高，导致边坡滑移、垮塌等岩土灾害频发，严重制约了矿山的开采作业安全，成为限制矿山未来可持续发展的瓶颈难题。与2015年相比，我国2020年非煤矿山安全生产事故起数和死亡人数分别下降28.2%和39.2%，总体趋势向好。然而，进入2021年以来，非煤矿山连续出现多起安全生产事故，造成极为恶劣的影响，再一次为矿山的安全管控问题敲响了警钟[1-3]。

对非煤露天矿山而言，边坡垮塌事故致死人数一直居露天矿山安全事故致死人数之首。为此，近年来，我国出台了一系列的法律法规以保障边坡生产作业安全。2016年，应急管理部印发了《非煤矿山领域遏制重特大事故工作方案的通知(安监总管—[2016]60号)》，要求边坡高度200 m以上的露天矿山高陡边坡、堆置高度200 m以上的排土场，必须进行在线监测，并定期开展稳定性专项分析。2017年，应急管理部印发了《金属非金属矿山重大生产安全事故隐患判定标准(试行)》的通知(安监总管—[2017]98号)，将未按国家标准或行业标准对采场边坡、排土场稳定性进行评估，高度200 m及以上的边坡或排土场未进行在线监测或运行不正常等情况视为重大生产安全隐患，限期进行停产整改。2018年，应急管理部发布了《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》，进一步细化明确了采场边坡监测和风险评估的具体技术要求及工程实施细则。

本文基于洛阳富川矿业有限公司上房沟钼矿开采过程中的边坡安全管控实践，系统开展了露天矿山边坡稳定性评估和在线监测技术研究，并建成了具备高可靠性、高扩展性和高智能性的边坡在线综合监测平台，为矿山安全生产提供了必要的安全保障。

1 上房沟钼矿基本情况

洛阳富川矿业有限公司上房沟钼矿是亚洲最大的钼矿床——栾川钼矿床的一部分，采用露天开采，矿区面积为1.2073 km2，开采标高为+1 520～+1 154 m，矿山生产规模为165.00×104t/a。矿山为地下转露天开采，1987年主平硐开始掘进，1988年河南省计委批复1 000 t/d采选工程项目，1993年地下开采投产，1996年开始露天基建，形成露天和地下联合开采，至2004年底露采形成1 000 t/d生产能力，由于矿岩稳固性差，地下开采于2004年底全部停止并转为露天开采，至2007年形成了5 000 t/d的露天采矿能力。目前，上房沟钼矿共设置1个露天采场、5个废石场、1个工业场地。其中露天采场以纵8线为界，分东、西两部分，纵8线以东为东部采区，纵8线以西为西部采区。

2 上房沟钼矿边坡稳定性评估

2.1 边坡现状分析

上房沟钼矿采场边坡在开采过程中存在较大的安全隐患。一方面，局部地段受构造影响，岩石较破碎，且边坡岩体局部节理裂隙发育，开采中或开采后可能形成大的边坡危险岩体，爆破振动扰动下周围岩土体应力场随之遭受累进性破坏，导致岩土体变形而产生崩塌。另一方面，开采中或开采后形成了高陡露天边坡，由于矿山开采过程中爆破振动，周围岩土体应力场随之遭受累进性破坏，特别是坡脚遭受切割，又没有防护措施，在暴雨或人为活动的影响下，可能发生滑坡或滑塌灾害事故。同时，土石方开挖致使形成的露天边坡角度远大于地形坡度，开采设计的边坡参数为台阶坡面角70°，最终边坡角45°，可能造成台阶岩石的崩塌，遇弱面可能造成边坡滑坡。此外，由于露天采场范围内存在大量的地下开采采空区，矿山开采过程中，在爆破振动影响下，也可能造成采场塌陷和影响边坡稳定。通过现场踏勘发现，采场边坡坡面上局部地段堆积有大量废石，如图1所示。在暴雨或爆破振动的影响下，易发滚石伤人事故或泥石流。

图1 上房沟钼矿采场边坡现状图Fig.1 Open-pit slop of Shangfanggou Molybdenum Mine

针对上述边坡风险，本文采用现场调研、工程地质踏勘、极限平衡法及理论分析等研究方法，综合分析了上房沟钼矿边坡的稳定性，具体评估流程主要包括现场调研、工程地质踏勘、极限平衡分析、理论分析等环节，如图2所示。

图2 上房沟钼矿采场边坡稳定性评估流程Fig.2 Open-slope stability evaluation of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)现场调研

通过现场调研，详细分析上房沟钼矿的开采现状，收集相关资料及以往的研究成果。

2)工程地质踏勘

对上房沟钼矿地质背景及现状边坡工程地质特征进行分析，结合以往的勘探成果，初步判定边坡的潜在滑坡模式，确定岩土体物理力学指标，为边坡稳定性分析计算提供依据。

3)极限平衡分析

迄今为止，在边坡稳定性分析中，极限平衡法以其概念清晰、计算简单、工程资料丰富应用最为广泛。常用的极限平衡分析方法有瑞典条分法(或Fellenius法)、简化Bishop(毕肖普)法、Janbu(简布)简化法、Spencer(斯宾塞)法、Morgenstern-price法和陆军工程师法等[4-6]。其中，Bishop法适合于圆弧滑动，考虑到上房沟钼矿采场的边坡工程地质条件，拟基于该算法，利用GeoStudio极限平衡分析软件，对边坡的稳定性进行计算和分析。

4)理论分析

通过查阅资料，归纳总结分析露天矿山采场边坡风险，并结合上房沟钼矿实际情况，制定有针对性的边坡灾害防控措施，为边坡在线监测系统建设提供理论和数据支撑。

在开展边坡稳定性分析过程中，结合现场边坡开挖现状，将边坡台阶+1 380 m水平以上划为Ⅰ台阶段，台阶+1 380～+1 335 m水平划为Ⅱ台阶段，台阶+1 335～+1 290 m水平划为Ⅲ台阶段，并建立边坡分阶段稳定性计算模型，如图3所示。

图3 采场边坡分阶段稳定性计算模型Fig.3 Slop stability calculation model and stages classification

本文计算了上房沟钼矿采场南部边坡和东部边坡不同台阶区段在三种荷载组合下的稳定安全系数，如图4所示。基于边坡稳定性评估结果，再结合人工现场勘测和核查，可以得出结果如下：

图4 上房沟钼矿采场边坡稳定性评估结果Fig.4 Open-slope stability evaluation output of Shangfanggou Molybdenum Mine

1)采场南部边坡Ⅰ台阶段(+1 380 m水平以上)坡面陡，坡面角最大为75°，最终边坡角为56°，节理裂隙发育明显，且大部分节理面与边坡顺层，在三种荷载组合下的稳定安全系数计算值都小于安全储备系数1.3，属于不稳定坡体。采场南部边坡Ⅱ台阶段(+1 380～+1 335 m水平)坡面较缓，且已形成正规台阶，在三种荷载组合下的稳定安全系数计算值都大于1.3。由于上房沟钼矿采矿作业主要集中在采场南部边坡Ⅲ台阶段(+1 335～+1 290 m水平)范围内，工作帮边坡居多，采场底部因顶板剥离后矿体赋存高低不平，局部开采台阶高度与正常采矿台阶高度为15 m不尽一致，且台阶局部坡面较陡。从稳定性计算结果可以看出，在荷载组合Ⅲ(坡体自重+地震力)作用下，稳定安全系数小于1.3，其他两种荷载组合工况稳定安全系数均大于1.3，说明该边坡台阶区段总体较稳定，但存在一定垮塌风险。

2)采场东部边坡由于坡度较缓，只有Ⅱ台阶段(+1 395～+1 335 m水平)在荷载组合Ⅲ(坡体自重+地震力)作用下，稳定安全系数小于1.3，其他边坡台阶区段的稳定安全系数都大于1.3，边坡总体稳定性较好。然而，采场东部边坡岩体比较破碎，节理裂隙发育明显，其边坡稳定性更容易受到爆破振动、地震动或其他外力的影响，+1 335 m水平以上(除了Ⅱ台阶段荷载组合Ⅲ工况)的计算结果也是稍微高于安全储备系数，存在一定风险隐患。

3 上房沟钼矿边坡在线监测系统构建

3.1 监测措施的选择及布点设计

本文总体上基于点监测与区域监测技术相结合、高距离分辨率和高平面分辨率监测技术相结合的原则进行边坡在线监测系统的优化构建。基于上房沟钼矿的采场边坡稳定性分析结果，需要重点针对采场南部边坡开展安全监测，适当兼顾东部边坡[7-9]。

依据国家相关规范，上房沟钼矿采场南部边坡的安全监测等级为一级，应设置的监测项包括：边坡表面位移、内部位移监测、爆破震动监测、地下水监测、降雨量监测、视频监测，监测点布置如图5所示。

图5 露天边坡在线监测系统监测点布置Fig.5 Open-pit slope safety monitoring point layout

本项目采用了加拿大Optech公司的Polaris型三维激光扫描仪对边坡进行实时的高空间分辨率三维扫描，并通过相邻两次扫描数据的对比，实现对于边坡表面位移的动态监测。在边坡北西侧边坡顶部稳定区域建设监测房，将三维激光扫描仪置于监测房内，从而实现对南部边坡和东南部边坡的在线监测，三维激光扫描仪及其在监测房内的运转情况如图6(a)所示，扫描得到的边坡位移监测结果如图6(b)所示。

图6 露天边坡三维激光扫描系统及监测结果Fig.6 3D laser scanner and the displacement output

考虑到在长时间强降雨、大雾等极端天气条件下，三维激光扫描测量系统可能会因激光受到干扰而导致监测失效，本项目还采用了华测H3型GNSS接收机作为补充，可以与三维激光扫描监测数据相互融合，共在南部边坡和东部边坡布置了3个剖面7个监测点，其中在1380平台设置监测点4个，在1410平台设置监测点3个。另外，在北西侧边帮顶部、三维激光扫描仪监测站外侧、碎矿车间外侧卸矿点旁还设置了3个GNSS基准点。监测点和基准点的监测设备均采用一体化监测站，通过太阳能供电，实时监测数据通过4G全网通模块加物联网卡的方式汇聚到矿山智能调度中心，如图7(a)所示。

图7 露天边坡在线监测系统一体化监测站Fig.7 Integrated monitoring station of open-pit slope safety monitoring system

边坡内部位移监测采用固定式测斜仪，在1365平台设置两个监测孔，每个监测孔深100 m，孔内设三支测斜仪。地下水监测采用投入式压电水位计，在1365平台设置3个监测孔，每个监测孔深50 m，孔内设一支水位计。这些监测项均采用一体化监测站，通过太阳能供电，实时监测数据通过4G全网通模块加物联网卡的方式汇聚到矿山智能调度中心，如图7(b)所示。

雨量监测采用翻斗式雨量计，设置在1365平台中部，供电通信方式与内部位移监测、地下水监测相同。爆破振动监测采用网络型爆破振动测试仪，在1365平台、1380平台、1410平台中部各设一台，数据直接通过无线发送至矿山智能调度中心。视频监测点分布于采场周边，可从各角度覆盖边坡主要区域开展全天候监控。

3.2 露天边坡在线监测平台建设

为保障边坡在线监测系统的可靠性、稳定性和预警有效性，本文提出了公有云和本地私有云相结合的矿山安全监测分析云服务平台架构。三维激光扫描仪、表面位移监测GNSS、地下水位监测、降雨量监测、爆破震动监测和视频监测均采用物联网方式实现接入，通过太阳能供电和无线通信，将数据经由无线基站发送至位于矿山调度中心的综合监测服务器，在矿山本地的私有云平台上完成数据采集、存储、大屏幕展示和分析预警，如图8所示。另外，这些监测数据通过互联网和安全专线，同步至位于公有云的矿山安全监测分析云服务平台，享受功能更加丰富的数据分析和系统运维服务，如图9(a)所示。

图8 露天边坡在线监测系统网络拓扑结构Fig.8 Network topology of open-pit slope safety monitoring system

本文结合上房沟钼矿边坡安全管理需求，建立了在线监测系统相关的数据报表、分析报告、预警信息等模板库，实现了异地数据同步与前台应用开发，完成了分析-统计-报表-报告-预警过程的在线发布，使得矿山管理人员能够快速获得第一手数据，对监测数据三维发布和分析结果进行综合分析，如图9(b)所示。

图9 矿山安全监测分析云服务平台Fig.9 Cloud platform of mine safety monitoring and analysis

矿山安全监测分析云服务平台可实现对露天矿山生产过程中边坡实时状态的在线监测与风险评估，一旦边坡出现异常情况，在线监测系统立即进行联动报警，保障矿山的生产作业安全。同时，该平台还通过故障自诊断技术对在线监测系统的运行状态进行实时“体检”，大幅提高监测数据的准确性和监测系统的可靠性，通过及时排查系统故障和处置潜在隐患，确保边坡在线监测系统运行在最佳状态。

4 结论

针对我国露天开采矿山日益频发的因矿岩条件日趋复杂、开采深度逐年增加、边坡高度和倾角日益提高所导致的边坡滑移、垮塌等岩土灾害，基于洛阳富川矿业有限公司上房沟钼矿开采过程中的边坡安全管控实践，开展了露天矿山边坡稳定性评估，基于评估结果有针对性地制定了边坡的在线监测方案，并建成了具备高可靠性、高扩展性和高智能性的边坡在线监测系统及矿山安全监测分析云服务平台。现场应用表明，该系统运行可靠、预警有效，保障了上房沟钼矿的生产作业安全，也为我国同类露天矿山的安全管控提供了有益参考。