司家营露天采场边坡监控预警平台的构建

陈志强 田益琳 郝红泽 刁鹏飞

（河北钢铁集团司家营研山铁矿有限公司）

目前司家营露天采场随着采场深度的不断加深，台阶高度也在增加，意味着边坡发生地质灾害的概率也相应上升。单个台阶所承受的各方面的作用力也相应增加，集中程度上升，相邻台阶对应力的分散作用能力减小，大大降低了台阶的自稳性［1］；加之采场一方面受东部滦河水系和西部地下水的影响，另一方面受其矿山本身的地质条件（如节理、裂隙、地质构造、断层等）的影响，使得边坡稳定性大大降低。为保证采场人员生命财产安全，保障后期安全生产，亟需一种行之有效的边坡监测手段及预警体系，对高陡露天采场边坡安全稳定性进行预防和预警。

1 采场边坡稳定性及地质灾害现状

1.1采场边坡稳定性现状

目前，司家营露天矿分为I和II 2个采场，采场地质条件复杂，采场一方面受东部滦河水系和西部地下水的影响，另一方面受其矿山本身的地质条件（如节理、裂隙、地质构造、断层等）的影响。东帮主要岩性为混合岩化黑云变粒岩和黑云变粒岩，局部有闪长岩入侵，东帮浅部是混合岩化黑云变粒岩，岩体风化程度较高；混合岩化黑云变粒岩由于风化程度不同，可细分为强风化、中风化、微风化3种；深部主要是黑云变粒岩，岩体完整性较好、强度较高；且东帮岩体普遍存在顺层层理结构［2］。根据目前采场内矿体赋存情况及已揭露的岩层地质条件发现，东帮矿岩体质地较软，节理裂隙大多与边坡方向一致，且受东帮渗水影响，发生边坡地质灾害事故概率较高。

1.2采场边坡地质灾害现状

1.2.1 I采场东帮主路西侧山体滑坡

2018年7月，I采场东帮主路西侧边坡受连续强降雨影响，-6～-67 m台阶水平发生大规模山体滑坡，滑坡体总量大致为8万t，宽度为30 m，整体前移15 m，横跨5个台阶，如图1所示。

1.2.2 采场东帮山体滑坡迹象

2018年8月，I采场东帮主路东侧边坡受降雨影响，-6～+18 m台阶水平发生轻微山体滑坡，造成边坡多处出现裂缝，裂缝最大宽度已达10 cm，目测滑坡体宽度为15 m，跨度为2个台阶，滑坡体总量为5 000～10 000 t，如图2所示。

1.2.3 西帮山体滑坡迹象

2017年6月，I采场西帮边坡受降雨影响，+18～+6 m台阶水平发生轻微山体滑坡，造成边坡多处出现裂缝，裂缝最大宽度已达5 cm，目测滑坡体宽度为30 m，跨度为1个台阶，滑坡体总量为3 000～5 000 t，如图3所示。

2 采场边坡稳定监测现状

露天边坡监测不等价于位移监测，在实际作业环境和工况条件下，需采用多种技术手段进行联合分析。露天边坡监测系统的研究工作与建设工作并重，多专业联合攻关，逐步深化对边坡机理的认知，应对边坡预警方案和建设方案单独立项，建立准确的监测数据驱动的边坡机理模型，给出临滑判据并动态更新阈值，再基于论证结果开展建设［3］，构建过程应该与生产同步，从而确保采矿安全。

当前，II采场最低生产标高为-172 m水平，最大边坡高度已达240 m；I采场最低生产标高为-157 m水平，边坡最大高度200 m。2018年，2采场已安装在线监测系统，在I采场以北-42 m以上边坡监测区域等共布置6个GNSS监测点。在II采场采用测量机器人监测和GNSS监测2种方式，在东帮布置7个测量机器人测点，西帮N6～N18线6 m以上边坡监测区域布置22个测量机器人测点，10个GNSS测点，西南帮布置测量机器人观测站，南帮布置另1个控制点，目前已经成功运行。监测系统在经过前期调试和近2 a的运行使用过程中，能够基本满足监测采场边坡稳定性的要求，但是不足也很明显，主要有数据表达形式单一，缺少三维模型表达；采场有2套系统，缺乏一个整体的集成系统；缺少结合本矿山地质条件，并基于已有中长期监测数据分析建立起的监测预警指标体系。

因此，基于以上的采场现状和为满足安全的生产实际需求，亟需建立统一的监测数据集成和处理云平台，确定并逐渐完善监测预警指标体系，发布监测预警平台三维可视化客户端，才能完善当前边坡在线监测系统，有效预警甚至预报，最大限度地发挥露天边坡监测系统的功效，确保矿山生产安全。

3 采场边坡稳定监测方案

3.1 边坡重点监测区域

根据勘察资料和现场实际情况，本着对采场容易滑坡区域、尽量靠帮、重点工程设施设置部分实施在线监测的原则，确定边坡重点监测区域如下。

（1）I采场东帮的顺层强风化岩质边坡。该区自上而下岩层分布为第四系、石英砂岩、白云母片岩、岩性主要为黑云变粒岩（上部按风化程度可分为强风化、中风化和微风化等）［4］，局部岩层互层。固定公路之上边坡以第四系为主，部分为岩质边坡。固定公路至-42 m边坡为岩质边坡，岩体风化程度不等。目前N26线防洪管道附近宽80 m，高50 m区域边坡完成了锚索加格构梁加固。为了确保固定运输道路安全以及及时评价加固效果，此区域需要重点监测。

（2）II采场西帮土坡。该区地表30 m边坡靠界，6 m平台边坡接近靠界，此区域边坡治理工程接近完工。其中在N9～N14区域，采场边坡距离高压线杆及矿山排岩胶带距离较近，上部边坡进行削坡减载，6～30 m边坡治理采用人工灌注桩加固方式配合疏干排水工程。N14～N18线区域边坡第四系厚度较大，对边坡进行削坡减载工程，进行生态护坡，配合疏干排水工程，此区域需要重点监测。

（3）II采场东南位置及N9～N10线间-82 m转载站监测区域。此区域-82 m平台以上至南帮-42 m平台区域基本靠界，为保护以后边帮胶带及转运站等重点工程设施，需建立在线监测系统。

3.2 整体边坡监测方案

结合边坡重点监测区域、技术规程对边坡监测的要求，对现阶段靠帮边坡采用表面位移监测、地下水位及降雨量监测和视频监控多种监测手段。随着开挖不断加深，边坡高度增加，未来边坡的安全等级将从目前的II～III级逐渐上升至I～II级，需在重点区域增加深部监测手段，如深孔测斜和锚杆应力计监测。

（1）地表及深部位移监测方案。结合重点监测区域及目前矿山的靠帮情况，地表位移及深部位移主要布置I采场东帮N26加固区域，II采场西帮土坡加固区域，北端帮全风化花岗岩和南端帮区。

（2）锚杆轴力监测方案。为确保运输道路的安全稳定，在N26勘探线加固区域进行锚杆轴力的监测，观察锚杆每段的受力状态及时判断边坡潜在滑坡模式。锚杆轴力监测位置分布平面图及剖面图见图4，监测位置拟分布在东帮N26勘探线运输平台附近，锚孔直径拟设计为110 m，孔深拟设计为20 m，锚杆入射角拟设计为与水平线成15°。

4 边坡监测预警体系的构建

4.1 边坡监测数据集成处理云平台建立

针对司家营露天采场边坡各部分不同的地质条件和边坡稳定状况，单一监测方案不能满足保障边坡安全稳定的需要，需要采用多种监测手段相互配合，强调边坡表面和坡体内部协同测量和实时性。基于不同的监测原理，采用不同类型的传感器可实时获得矿山的地表位移、内部位移、应力等数据，此步骤即为监测数据的获取。然后利用数据采集器和GPRS移动通信技术，完成数据采集器与监控中心之间的数据交换，实现监控中心与矿山监控点之间的远程网络数据传输［5］。

随后，监测的数据将会传输到云服务器，云服务器起到一个信息中转与处理的作用，除了将监测信息以数据库文件格式保存在云磁盘以外，还将基于人工智能算法，实时结合初步确定的监测预警指标和多源监测数据自动预判，将潜在的预警信息通过短信或邮件实时发送专家系统［6］、现场相关工作人员及矿山领导部门；专家系统结合监测数据预警信息、三维可视化信息集成客户端及现场实际反馈情况，决定是否达到预警条件以及预警级别，并及时建议矿山有关领导作出决策，最终整个系统实现实时在线监测、预警目的。

4.2 监测预警平台客户端

在平台建立的初始阶段首先需要利用3D Mine软件建立整个矿山的三维数字模型，还有岩性模型、断层模型、勘探线、矿体、卡车、监测仪器、坐标网格等模型，以及后续的各模型贴图，已完成贴图的地面模型如图5所示。

基于Unity 3D综合集成的专业引擎进行数据发布、预警平台的建设，在PC端实现的功能在移动端也可实现，从而达到更便捷监测的目的。

目前已制作了一个初步的数据发布预警平台，部分功能包括开采现状地表模型、矿区的岩性分布以及矿区的应力、位移云图和塑性区位置的估测模型。

5 监测与预警

通过模型与数据的结合，可以实现对模型的点击查看监测数据，从而达到便捷地查询所需监测数据的目的。以边坡位移监测为例，如图6所示。另外与监测厂家数据平台实现了数据对接，建立了监测与历史数据查询功能，可实现累计位移、速度、加速度的实时查询。另外还可以通过日期面板上对初始日期与终止日期的选择，查询所需时间段的历史数据，从而进行历史数据对比。

由于目前采场监测设备处于安装和调试阶段，缺乏实际的监测数据，所以尚未对预警功能进行较多的开发。在下一步的工作中，将会重点进行边坡位移、滑动力和微震监测数据的分析以及预警阈值的计算。以预警阈值为基础，将会开发相应的预警模块，实现实时分析判断接收的监测信息，对于达到预警标准的数据进行自动保存与预警。

6 结 论

（1）结合目前采场边坡稳定性和监测现状制定出了露天边坡监测方案，初步实现了以云服务器为载体的监测数据集成处理平台的搭建，包括从监测数据的获取、传输以及监测数据到云服务器的简易处理与存储。同时以3DMine模型制作和Unity 3D虚拟开发平台为基础，开发出司家营露天采场边坡数据监测预警平台客户端，最终实现对不同类型在线监测系统的整合。在长期的监测过程中，对系统不断地调整完善，最终达到精准预警确保生产安全的目标。对于国内其他露天矿山高陡边坡稳定监测具有借鉴意义。

（2）已经可以实现查看地表、断层、矿体、岩性等三维模型；可以通过预设的自动观察路径或者自由选择路径，对司家营矿区进行全方位的观察；可以通过查看应力、应变、塑性区随开采进行发生的变化，对边坡稳定性进行分析；可以通过数据的模拟实现边坡位移监测与预警。