大型深凹露天矿边坡稳定性研究及智能监测系统应用

朱纪朋，苏怀斌，赵旭阳，孙焱焱，吴 浩

（1.栾川龙宇钼业有限公司，河南 栾川 471500；2.中南大学，长沙 410000）

随着国家经济迅速发展，矿山行业再次活跃起来。近年来，国家提出“五位一体”的总体布局［1］，其中生态文明建设对矿山可持续发展具有战略指导意义［2］。深凹露天矿山在开采过程中，易受自然地质条件、雨水、人工爆破等因素影响引发地质灾害［3］：滑坡、泥石流、危岩垮落等使生态环境遭到破坏，对露天采场人员及设备的安全构成威胁。因此，开展深凹露天矿边坡稳定性研究是必然的。

结合国内外相关研究现状，露天边坡稳定性分析采用极限平衡法［4-5］、极限分析法［6-7］、滑移线场法［8-9］等传统方法。基于极限平衡理论的边坡稳定分析过程不能考虑到边坡岩体内部应力变化状态，时常需假定滑移面为折线、圆弧等形状，局限性明显［10］。随着智能化软件的开发利用［11-13］，大型三维模型软件相对传统分析方法具备优势［14］：①分析复杂地质、地形的边坡稳定性；②考虑岩土本构关系及应力应变情况；③模拟边坡失稳过程；④耦合多种因素进行模拟；⑤无需假设滑移面形状等。利用三维模拟软件可弥补传统分析方法的短板，计算结果更为精确，对边坡稳定性研究起到关键作用。基于弹塑性本构模型，许洪亮［15］利用FLAC3D研究露天矿开采过程中的边坡应力变化及破坏形式，并提出相关的防治措施；谷运峰［16］针对高排土场边坡稳定性问题进行理论研究，结果表明排土场高度大于100 m时边坡安全系数最低，不建议增加排土场高度；王创业等［17］通过模拟分析出岩体剪切破坏可造成坡脚贯通，产生的滑移面在楔形破坏作用下可能产生滑坡灾害，建议加强边坡坡脚治理；郭星强［18］对比分析传统边坡和时效边坡的数值模拟结果和综合性能得出，时效边坡稳定性可以达到传统边坡设计要求，同时可减小剥采比，改善矿山经济效益等。

基于前人的研究成果及工程实践，本研究以露天矿开采境界范围内的三维地质可视化模型为基础，在三维地质软件中读出原始地貌高程点信息及各台阶平台信息，随后导入3DMine进行实体建模，而后利用编制的接口软件导入到有限差分计算软件FLAC3D，进行露天矿边坡三维应力应变分析。随后利用雷达扫描与GNSS在线监测系统集成技术进行实际生产中高大边坡变形监测，结合理论分析结果对南泥湖矿山高大边坡进行稳定性分析，以期矿山实现安全、高效、低成本生产。

1 矿区工程地质条件

1.1 自然条件

矿区地形北高南低，高程1 341.6～1 603.9 m，最大相对高差262.3 m，一般标高1 400～1 500 m。本区属大陆高山型气候，夏季凉爽、冬季严寒，四季分明。十月至来年四月为降霜期，十一月至来年二月为冰冻期。年最高气温40.2℃，最低气温－16.4℃。年降雨量468.70～1 462.60 mm，年平均降雨量908.70 mm，7～9月为汛期，占年降雨量的60%，日最大降雨量257.10 mm，一次连续最大降雨量301.80 mm。

1.2 工程地质条件

由于长期开采，矿山范围内的原始地貌大部分已被改变，在现有矿山开采范围内形成多级采矿台阶边坡，分布范围在海拔1 720 m标高以下，由高12～15 m的多级矿山开采平台组成，坡度为32°～64°，开采深度超过200 m。由于采矿开挖和滑坡也造成了局部地段形成悬崖峭壁，最高可达40 m，多为危岩。位于开采区以上的南部原始自然边坡，坡度较缓，一般10°～15°，顺岩层缓坡向上，一般无明显起伏，延伸至山顶。位于开采区以下的北边原始自然边坡，坡度受构造影响，较陡，一般40°～60°，坡高100～200 m。矿区两侧受沟谷纵向深切，坡度陡，多峭壁，尤其是东部的干溪沟，坡度局部可达90°，切深可达200 m。西部沟谷宽缓，切割深度最深20～30 m。中部罗沟较窄，沟谷宽30～50 m。

矿区内有地质灾害隐患的工程地质岩组包括人工松散堆积物岩组、构造破碎带岩组。人工堆积物主要为钼矿废弃碎碴、块石、尾矿砂等，零星分布，堆积厚度数米至几百米不等，整体稳固性差；构造破碎带岩组受地应力挤压破坏，结构疏松、力学强度低，易泥化。

2 岩石力学参数

依据室内岩体各项物理力学试验结果，利用Hoek-Brown公式［19］进行折减获得相应的岩石力学参数如表1所示。

表1 岩石主要力学参数Table 1 Main mechanical parameters of rock

3 三维模型建立及模拟方案

3.1 模型建立条件

受开采扰动影响，工程地质条件复杂多变，为便于数值模型建立及三维软件模拟运算，需设定如下条件：

1）矿岩体假设为理想弹塑性体，是局部均质、各向同性材料，在屈服点以后，材料强度和体积不随塑性流动而变化［20］；

2）考虑到岩石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均与时间无关；

3）矿岩中不考虑结构面及裂隙的影响；

4）仅受重力影响，无外部载荷；

5）整体模型底部固定，前后左右四个面受约束，模型边界无位移，模型表面为自由面，在重力作用下可自由运动。

3.2 构建模型

为保证构建的露天矿三维模型最大程度还原矿山实际地形地貌，在三维地质软件中读出原始地貌高程点信息及各台阶平台信息，随后导入3DMine进行实体建模并优化模型，构建如图1所示的三维深凹露天矿模型。

图1 深凹露天矿三维模型（单位：m）Fig.1 3D model of deep open pit mine（Unit：m）

3.3 网格划分

一般的，网格划分越密，计算结果越精确，而计算效率降低，反之亦然［21］。为保证计算精度，利用FLAC3D内置网格划分功能模块“Zone create brick”进行网格划分。鉴于计算机处理能力所限，无法处理整个露天采场庞大模型，将模型分为8个区域进行模拟运算，区域分布如图2所示。

图2 深凹露天矿三维模型离散化Fig.2 Discretization of 3D model for deep open-pit mine

4 数值模拟结果及分析

4.1 模拟结果

从竖直方向位移、最大（小）主应力分布、剪切应变方面进行露天矿边坡稳定性分析。模拟结果如表2所示。

表2 数值模拟结果一览表Table 2 Numerical simulation results

由于模拟结果云图较多，选取Ⅰ、Ⅱ区2个相邻区域的竖直方向位移、剪切应变、最大主应力的模拟结果云图进行说明（图3～5）。

图3 竖直方向位移云图（左1为I区，下同）Fig.3 Displacement contours in the vertical direction（The left 1 is the I area，the same below）

图4 剪切应变云图Fig.4 Shear strain contours

图5 最大主应力分布云图Fig.5 The maximum principal stress distribution contours

4.2 分析

4.2.1 位移场分析

从位移场分析结果来看，总体而言，各分区三维模型顶部位移值均为零，表明各个分区的顶部未受到过大的拉应力或剪应力导致产生位移。从整体稳定性角度来看，均处于较好的状态。

从局部稳定性来看，各分区剖面均在某一台阶高程的位移集中增大，说明在露采境界最终形成以后，该处最容易产生局部垮塌的可能。

4.2.2 应变场

从剪应变增量场分析结果来看，各区整个体系的剪应变增量均出现在台阶边坡中上部，而在边坡底部剪应变增量较为集中，说明坡底应变增量随着露采境界的延伸有所增大，即表明如果出现台阶破坏时，可能从露天采坑底部产生剪切。

4.2.3 应力场

从各分区应力场分布云图来看，最大主应力和最小主应力分布均较为均匀。局部台阶边坡出现小范围最大或最小主应力集中现象，对该局部坡段的稳定性不利。其余坡段均匀的主应力分布表明整体边坡是处在稳定性状态下的。

5 边坡监测

为实时监测露天矿边坡空间位移变化，该矿山利用雷达扫描及GNSS在线数据集成技术形成三维可视化边坡模型，建立三维可视化管控平台，实现露天矿山边坡空间位移实时监测目标和智能化矿山边坡安全管控，利用技术创新达到降本增效目的。

5.1 视频监控系统

矿山视频监控系统建设包括：

1）在采场新建1个全景摄像头、采场更换3个高清球机摄像头、6个高清枪机摄像头；工业场地新增高清枪式摄像头16个及800 m线路（图6）。全景摄像机安装在矿区北部合适位置上，新建数据传输及供电线路，确保其安全稳定运行。

图6 采场摄像头布设平面图Fig.6 Stope camera layout plan

2）将现有已建的及本次建设摄像头视频数据集中管理，集成到三维可视化管控平台中显示。

3）新增硬盘录像机对新增摄像机进行录像保存，存储时间不小于1个月，预留相应扩容接口。另外，采场10处摄像头存储时间不少于3个月，满足安全监管要求。

5.2 边坡雷达扫描系统集成

采用圆弧式雷达扫描合成技术进行边坡监测，该技术利用收发天线在水平面内作往返的圆周运动获得较大的雷达扫描合成影像，在不良光照条件下可得到较高分辨率的雷达图像。其原理是利用雷达与监测目标的相对运动数据化处理合成较大等效天线孔径，以此提高雷达对目标的分辨率［22］。圆弧式雷达扫描通过与监测目标的相对距离、角度的分析，将监测目标圆弧化分割处理，形成如图7所示的类似于扇形的监测区域。

图7 雷达监测数据集成Fig.7 Radar monitoring data integration

5.3 GNSS在线监测集成

空间定位测量技术常用全球定位技术（GNSS）实现形变体表面的变形监测，具有全天候监测、三维形变、高精度等优势［23］。目前北斗系统的组网应用，进一步提高了GNSS技术的可用性和可靠度。支持国内主流厂商的GNSS在线监测系统数据集成，对接GNSS在线监测系统数据接口，在三维可视化系统中展示（图8）。沿边坡布置两列监测点，共计10个监测点位，利用卫星解析GNSS接收机位置信息，以网络传输至服务终端获取监测点的三维坐标信息，从而得出实时边坡岩体位移形变数据［24］。

图8 GNSS监测系统集成Fig.8 GNSS monitoring system integration

5.4 实际监测效果

5.4.1 雷达扫描监测

由于矿山北部边坡坡度较大，相对高度100～200 m，主要进行北部边坡监测，三维可视化监测效果如图9所示。雷达扫描监测结果显示，1730台阶中部地表沉降（涉及到历史开采遗留空区问题，此处不赘述），与数值模拟结果较为相近，需对该区域持续监测，发生问题及时处理。雷达监测范围较大，缺乏对某一点位的精细化监测处理能力，具有一定的局限性。

图9 雷达扫描北部边坡实时位移图Fig.9 Radar scans real-time displacement of the northern slope

5.4.2 GNSS监测效果

为弥补雷达扫描的短板之处，利用GNSS在线监测系统可实时监测某一点位的空间位移变化。监测结果较多，导出一周内靠近北部边坡非工作帮的6＃测点位移监测结果进行说明。具体见图10、11所示。

图11 6＃测点平面矢量变化Fig.11 Change of plane vector of measuring point No.6

图中H轴位移表示竖直方向的位移变化。可以看出，7 d内竖直方向最大位移变化量接近35 mm，最小位移变化量10 mm。这说明露天矿台阶人工开采后，边坡内部地应力重分布，应力分布状态不断变化，在竖直方向上影响较大，实际未发生岩石开裂、碎岩滚落等地质灾害，需持续监控。

结合6＃测点平面矢量变化，起始点至结束点的位移矢量变化过程类似于折线闭合循环的状态。自起始点开始，随着地应力分布状态的改变，历史点不断向外扩展，进行折线盘旋运动。随着地应力重分布，历史点运动不断向起始点靠拢。在某一时刻取值，位移点矢量变化数据记录停止，系统形成矢量数据变化图，可观测到一段时间内的监测点位移平面矢量变化，若结束点始终不靠近起始点，说明地应力状态不断变化，需结合现场实际情况及时研判，提出相应的安全措施。

6 结论

利用三维数值模拟理论研究与实际监测系统技术相结合，短期内南泥湖露天矿山边坡未出现地质灾害，理论分析与现场监测结果均表明局部高程台阶坡面的薄弱地段边坡有一定程度的应力状态集中现象，该处为重点监测区域。随着开采深度的增加，需对高程台阶边坡坡面进行变形监测，不断优化升级高大边坡监测技术，以保证采场安全有序的生产，在市场化运营中以技术创新、安全高效、管理科学的优势应对未来的机遇与挑战。