城门山铜矿临湖开采高陡边坡在线安全监测系统建设研究

罗来林 蔡 璋 马 凯 杨天鸿 杨 博

（1.江西铜业股份有限公司城门山铜矿；2.东北大学资源与土木工程学院；3.天河道云（北京）科技有限公司）

滑坡灾害是露天矿安全高效开采的主要威胁。随着露天矿产资源的持续开采，国内高陡边坡数量不断增加，边坡失稳造成的滑坡灾害日趋严重。据统计，仅2001—2007年，我国金属非金属露天矿山边坡坍塌事故累计达1 951起，占事故总数的15%，伤亡人数就高达3 605人［3-4］。因此，对边坡变形进行实时监测，研究边坡失稳与滑坡致灾机理，以形成一套完整可靠的监测预警系统是保证露天矿安全高效开采的重中之重。

边坡在线实时监测是研究滑坡机理与实现滑坡预警的基础，只有获取精确、完整、真实的监测数据，才能保证滑坡分析及预警的可靠性［5］。目前多采用GPS-RTK技术［6］、S-SAR合成孔径边坡雷达［7］、三维激光扫描仪［8］、时域反射仪［9］、测量机器人与微波雷达［10］、北斗卫星系统［11］、地理信息系统（GIS）［12］等单一或多元系统监测边坡稳定性，并致力于提高现场监测精度的研究［13］。

然而，若对整个边坡进行实时监测，监测工程量与耗资巨大，且没有必要，有时甚至影响矿山正常生产。不同的露天边坡，其边坡环境、地质条件、采掘形态等各具差异，由此决定的潜在危险点、易滑坡区域、重点监测区域是不同的。为此，本研究以城门山铜矿露天边坡作为工程案例，基于边坡工程及水文地质条件，确定影响边坡稳定的主要因素。依据边坡分级与工程地质分区结果，采用Maptek Sentry系统与GNSS系统相结合的非接触与接触式并行位移监测方法，并辅以降雨量、渗流压力、裂缝监测，建立城门山铜矿临湖开采高陡边坡在线安全监测系统，做到实时监测，及时提供防治措施，尽可能提前发布滑坡预警，促进该矿二期工程安全高效开展。

1 工程概况

城门山铜矿属广义的矽卡岩型和斑岩铜矿床，并共生硫、钼、铁等矿产，是江西铜业公司的主要矿点之一。矿体走向近东西，走向长为160～1 040 m，倾向北，倾角为10～40°，矿体平均厚度约30 m。矿体赋存标高为+78～-493 m，埋藏浅，覆盖层不厚，易于露天开采。对于城门山铜矿，威胁其边坡稳定性的主要地质因素有以下几个方面。

（1）边坡岩体破碎程度与风化作用。从构成矿区边坡的岩组特点来看，露天矿南帮的接触角砾岩和复合成因角砾岩组成分复杂，结构比较松散，力学性质较差；而对于组成露采边坡的其他岩组，受亚热带湿热环境下严重风化作用影响，使其原岩力学性质大幅降低，上部风化层岩石多呈松散、碎软状，边坡稳定性较差。矿区南部风化深度达-140 m，北部达-100～-150 m，西南风化带最深达-300 m。前期综合研究表明，城门山铜矿典型矿岩的平均单轴抗压强度仅有10～40 MPa。

（2）水的作用与构造破碎带。研究与实践表明，水对边坡稳定性具有重要影响。城门山铜矿采矿场位于丘陵和湖滨区、长江中下游昌河流域，除南部丘陵外，三面被赛湖、城门湖环抱，湖泥作为边坡的顶部地层，分隔了湖水区域与矿区，广泛分布于露天采坑的北部区域，绝大部分矿体位于侵蚀基准面以下。此外，F1、F2断层位于矿区南部，形成了长1 600 m、宽20～60 m的断裂破碎带，严重影响边坡稳定性。

随着扩建工程进入二期，采场深度逐步增大，目前露天采场最低标高已达-110 m以深，边坡南北长约1 200 m，东西宽约1 000 m。西侧边坡部分台阶并段后整体坡度较大；东部和北部边坡相对更加松散破碎，东部和南部风化岩体边坡都发生过局部滑坡。综合城门山铜矿采场现状、前期资料及矿区规划圈定范围，南部和东南部区域边坡出现不同程度垮塌，北部、东北角边坡有裂缝，西侧边坡冲刷沟槽，其它区的边坡稳定性较好。且南部F1、F2断层破碎带及边坡岩层均为顺坡向，滑坡危险性较高。因此，对城门山铜矿露采边坡稳定性进行实时监测及灾害预警，将有利于其二期工程的安全高效开展。

2 监测系统建立

目前城门山铜矿露采边坡上下高差已超过200 m，二期扩建工程完成时将超过370 m，属高边坡，高度等级指数H=2；岩石边坡角为41～47°，属于陡坡级别，坡度等级指数A=1；矿区地质条件等级指数G=1，前期确定的边坡最终优化许用安全系数为1.20和1.25这2种工况，滑坡风险等级指数为3或4。综合其变形指数D=H+A+G=4，安全监测等级确定为一级，故依据规范，边坡监测包括边坡变形监测（表面位移和内部位移）、采动应力监测、爆破震动监测（质点速度）、水文气象监测（渗透压力、地下水位、降雨量）、视频监控5个方面内容。

采场边坡安全监测预警以边坡表面变形（位移）监测为主要监测内容，同时结合降雨量、地下水、爆破震动、采场视频监控等监测数据，综合分析采场边坡的安全状态。为实现系统预警，需确定边坡监测预警判例的确定方法和预警初值，为边坡监测预警提供参考阈值；然后，通过边坡的过程监测数据、现场边坡水文地质资料等综合分析，分级分区逐步确定和完善边坡的生产过程预警阈值，真正实现边坡安全监测系统的监测和预警功能，这里主要论述边坡表面位移及部分水文气象监测系统的建立。

2.1 现场监测方案

现场在线监测系统构建从系统功能出发考虑3个层次，分别为现场数据采集层、数据管理层与网络应用层，以形成数据采集、传输与远程分析的流程控制系统，如图1所示。为保证监测数据实时、连续、完整获取，数据采集层采用非接触与接触监测相结合的布置方式。在边坡布置三维激光监测Maptek Sentry系统（非接触式），并增设GNSS位移监测站（接触式）在雨雾天气下Maptek Sentry系统监测不良时以保证监测数据可靠获取，确保实时监测。

Maptek Sentry监测系统利用三维激光扫描仪连续获取边坡点云数据，所使用的脉冲式激光测距技术可以保证精确地采集目标三维空间数据，可自动控制三维激光扫描仪采集边坡点云数据。为将激光点云数据有效用于边坡移动监测，监测软件系统巧妙利用单元格参考元算法，即把边坡某一区域的激光扫描点作为一组相关数据综合考虑。Maptek Sentry全天候持续监测站设置在西帮中部，主要监测范围110°，最大监测距离950 m，最短距离为700 m，目标对象监测区域见图2（a），分为1#～8#。在南帮与东帮各设置1个定期监测站，在西帮设置2个定期监测站，以覆盖全部露天采坑边坡，见图2（b）。监测数据通过无线网络与光纤传输至矿山调度中心，监测预警分级通过短信或者邮件发送至相关人员。通过现场摆放木板与倾斜移动木板对位移变形数据做定点定量测试，监测系统稳定可靠。

为解决三维激光扫描仪在雨雾天气监测数据不连续的问题，采用GNSS接触式监测方式进行弥补，在具有代表性的区域建立变形观测点，在远离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。并在基准点架设GNSS接收机，由已知的高精度三维坐标，定期连续观测得到变形点坐标（或者基线）的变化量，建立安全监测模型，分析采场变形规律并及时反馈。为提高监测代表性，优化监测系统，GNSS点布设需综合考虑边坡现状、监测范围等要素。为此，通过边坡分区以确定其布设方案。

边坡分区包括地质分区和边坡几何参数分区。根据相关资料，将城门山铜矿露天采场分为4个不同的工程地质分区，如图3所示。GNSS监测建设方案以工程地质分区作为分区监测依据，对各分区监测项目进行针对性设计。

I区位于露天采场二期最终境界南面边坡，上部以中风化为主，岩体质量较好，坚硬强度高、透水性差，抗风化能力强；下部边坡强风化，节理发育，岩石破碎。上部岩体弱面陡，且顺边坡倾向，可能形成平面剪切破坏。根据以往抽水试验成果，该区2套地层含水性微弱，为相对隔水层，地下水对该区边坡影响甚微。因此，在I区边坡上布设3个表面位移监测断面，每个监测断面宜布置上下2个表面位移监测点，兼顾上部岩体整体滑移风险及下部破碎岩体局部失稳的监测，不设地下水位或渗流压力监测，仅依靠人工观察确定地表水头出露情况。

II区位于现露天采场坑底南侧和西南侧，工程地质条件较差，地表水发达，地下水丰富，坡面有水流出，为区域地下水进入露天矿的集中径流通道。该分区坡体上部湖泥分布广泛且有岩溶发育，区域边坡稳定较差。因II区边坡较缓，仅布设1个表面位移监测断面，重点监测上部湖泥层边坡，另布设2个地下水渗流压力监测点对该区地下水位及地表径流水量实时监测。

III区位于露天采场中部、西侧、北侧和东侧大部分区域，区域裂隙发育，透水性相对较弱，地下水对风化带边坡略有影响。西侧边坡上部岩体较风化，而湖泥固结改性又利于边坡稳定，仅在西侧边坡的回填土垮塌区布设2个表面位移监测点，以监测其挤压变形位移。北东侧边坡风化严重，地下水出露，且有两处坍塌，故各布设2个位移监测点与渗流压力监测点，监测其滑坡进一步发展与地下水动态。另外，北东侧边坡上部残坡积层全部滑塌，有区域裂缝存在，另增设2个裂缝监测点，对裂缝变化趋势跟踪测量。III区东侧边坡风化、岩溶均较为严重，且有2处滑坡垮塌。因此，在东侧边坡布设表面位移监测断面3个，每个断面布置上下2个表面位移监测点，并在火成岩与灰岩的接触带附近设渗流压力监测点3个。

IV区位于采场最终境界东面边坡的南部。该区岩溶发育，平均渗透系数高，边坡稳定受地下水影响严重，且有F1断层通过。故在该区布设表面位移监测断面2个，每个监测断面布设上下2个表面位移监测点，监测点标高间距取30～50 m，重点布置在F1断层通过的地段，另在2个监测断面靠近坑底的合适位置（贴近F1断层通过地段），布置渗流压力监测点2个。边坡GNSS监测点总体布置如图4所示。

2.2 监测数据融合展示

除确定边坡监测点布置方案外，还对现场监测供电、通讯、雷电防护等作了优化布置，确保监测系统安全稳定运行，保障监测数据实时获取。为实现三维激光扫描数据与GNSS表面位移监测数据融合分析与直观展示，采用自动导出接口与功能，或提供封装后的程序调用模块，辅助完成监测数据的综合分析预警，并借助VR三维管控平台进行统一展示。

3 监测结果分析

3.1 南部边坡监测结果

从南部边坡三维激光扫描仪与GNSS联合监测结果看，该区于6月22日开始出现较大范围变形量，影响范围约1.2万m2。圈选南部+14～-58 m边坡与南部-10～-34 m边坡变形曲线变形趋势基本一致，南部-10～-34 m边坡变形量从6月22日至今累计变形量持续增大，累计值达279 mm，位移增量为260 mm，幅度较大。该区变形出现2次加速，为6月22日至28日累计位移从10 mm突增至100 mm，保持基本不变后从7月5—7日位移变形量迅速增至280 mm。从变形曲线趋势看，该区域位移变形仍将继续扩大。

另外，南部+26～+14 m边坡在7月4—7日，位移变形量从-5 mm增至+88 mm，变形量增幅较大。现场查看后，边坡有大量裂缝出现，并存在岩石散落现象，坡体稳定性较差，具有滑坡风险。南部+38～+26 m边坡6月份位移曲线如图5，该区域边坡表面位移变形呈S型，最大形变量为+90 mm，最小位移量为-21 mm，平均值为+40.7 mm，波动周期约为4 d，波动幅度呈扩大趋势。再从变形速度上可以看出该区边坡速率最大值为+200 mm/d，最小值为-935 mm/d，平均值约为+0.94 mm/d，忽略最小值后平均值约为2.5 mm/d。持续监测进入7月份后，位移变形保持稳定，无明显突增现象，表明该区域坡体目前相对稳定，但仍需实时跟踪监测。综合上述监测结果，南部边坡部分区域变形大小及分布范围如图6所示。

3.2 东南部边坡监测结果

东南边坡5月份各区域监测结果如表1。可以看出东南+14～-10 m、+86～+62 m、+110～+86 m边坡5月份位移变形趋势整体同步，+86～+62 m、+110～+86 m边坡5月2—20日位移变形同步波动发展，而+14～-10 m边坡位移变形则相对平稳，未有波动。5月20—22日，+110～+86 m边坡监测数据出现断续，其余2个区域位移变形同步突增，尤以+86～+62 m区域边坡增幅最大，约200 mm。之后各区域位移变形经短期平稳后出现同步恢复，+14～-10 m边坡区域基本恢复至突增前平稳状态，+86～+62 m与+110～+86 m边坡则继续呈波动发展。另从边坡变形速率同样可获取上述规律，可见5月份东南边坡总体稳定性较好，位移变形未出现恶性持续突增与突减，边坡企稳特性较强，+86～+62 m与+110～+86 m区域位移变形同步波动，+14～-10 m区域基本保持平稳。

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3.3 南部边坡GNSS监测结果

选取南部边坡说明辅助GNSS接触式监测可靠性，其中+14 m平台B70号GNSS实时在线监测点表面位移变形如图7所示。可以看出，2020年6月1日—7月7日，监测数据传输实时连续，完全可弥补雨雾天气三维激光扫描仪监测数据的不连续性。从位移变形情况看，B70号监测点从6月20日位移变形量逐渐增大，尤以向北变形最大，累计最大值达102.3 mm，向西变形次之，累计最大值为84.4 mm，高程下沉量相对较小，为42.6 mm。从曲线变形趋势看，目前该点位移变形呈扩大趋势。而该点速度变形结果表明，从7月4日开始出现2次较大跳动，北向速度最大值达2.2 mm/h，西向速度最大值达2.3 mm/h，高程位移速度波动较为剧烈，目前该点变形速度仍有增加，具有加速失稳滑坡可能性，仍需重点跟踪监测，提前对滑坡灾害进行预警。监测剖面上的+86 m平台B69号监测点，其位移变形范围较小，在三方向呈窄幅振荡趋势，位移速度虽波动剧烈，但始终未脱离窄幅区间，且未见失稳加速趋势，边坡稳定性较好。

3.4 降雨量与裂缝监测

城门山铜矿6—7月份降雨强度监测来看，该矿区边坡降雨强度最大值为+69 mm/h，降雨量多集中在6月18—20日、6月22—24日和7月2—7日。结合上述边坡各区域位移监测结果，降雨量与边坡位移并无明显直接的相关关系，降雨对边坡稳定性的影响具有滞后性，应注重干湿循环条件下边坡的劣化作用。而对于稳定性较差，且处于临滑状态的边坡，降雨量突增多作为诱发因素导致滑坡形成。因此，多雨天气下的边坡稳定性监测对可能性的滑坡预警极其重要，需实时进行，跟踪监测。

在图8中，圈定了边坡变形区并展示了6月底边坡裂缝监测结果。6月28日，固定坑线+26～+38 m段北侧挡墙出现微细裂缝（图8（a）），宽约10 mm，总长约30 m，发生变形区段其裂缝发育反复活跃，需长期监测与处理。6月30日，+26 m平台眉线出现垮塌（图8（b）），但+14 m平台完好。另外，-58 m平台也有裂缝出现（图8（c））。对于监测到有裂缝发育的区域，后续发展具有坍塌滑坡可能，应保持跟踪监测，及时处理，尤其是防止地表水由裂缝进入坡体。

降雨除了诱发边坡位移滑动与产生劣化作用外，同样会促使边坡范围内裂缝形成与持续发育，降雨量突增甚至会冲破隔水工事，大幅降低边坡稳定性。城门山铜矿7月初遇到强降雨，7月5日，强降雨在南部边坡-34～-58 m形成冲沟（图9（a）），并冲塌下方已做隔水措施的-58～-70 m边坡（图9（b））。7月6日，受降雨影响，固定坑线+38～+26 m段外沿+26 m平台出现东西走向的张裂缝，宽约10 cm，倾向近于垂直，延深大于2 m，并有加宽趋势（图9（c）、（d））。降雨在边坡外沿的防隔水区域同样会产生裂缝，裂缝形成后，降水由裂缝持续进入坡体，影响边坡稳定。现场观测显示，+14 m平台防隔水区域受降雨影响，裂缝形成与发育经历了以下几个阶段：降雨前隔水防治状况（6月30日）（图9（e））、降雨后初始裂缝形成（7月6日）（图9（f））、雨后裂缝持续发育与平台沉降（7月7日）（图9（g））、多条阶梯状后缘裂缝产生（7月8日）（图9（h））。边坡外沿过多的裂缝产生将加速地表水进入坡体，弱化坡体力学参数，润滑岩体结构面，降低边坡企稳特性，故需及时对裂缝做防隔水处理。

根据目前城门山铜矿监测数据分析结果，提出以下应对措施。

（1）加强汛期边坡巡查力度，密切关注边坡动态，及时处理。

（2）针对南部边坡不稳状况，在汛期来前对+14 m平台采用黏土隔水，布设边坡导水管集中疏导大气降雨积水，防护边坡。

（3）针对固定坑线+38～+26 m、+14～-10 m段道路张拉裂缝采用覆膜隔水方式治理，挡墙内移，警示单道通行，后期优化拓展道路，提高运输安全。

（4）在南部边坡险情未解除之前，采坑一定区域设置安全警示线，禁止人员与设备进入失稳边坡危险区域。

（5）在防洪渡汛高危期，暂停采坑内晚班采剥作业。加大宣传力度，提高员工自我保护及警提意识。

由监测数据分析表明，依据城门山铜矿露采地质条件所建立的在线安全监测系统具有较好的适应性与可靠性，采用人工定点监测、三维激光扫描仪在线监测及GNSS自动监测等多种方式监测边坡形变动态，能够提供连续、多维、实时监测数据，分析结果可有效用于判别边坡稳定性状态、识别潜在滑坡区域、指导潜在危险区域治理、尽可能提前发布预警信息等，可满足城门山铜矿二期工程安全高效开展的实际需要。

4 结论

（1）以城门山铜矿露采边坡为工程背景，确定了影响边坡稳定性的主要因素，通过边坡分级与地质分区，采用Maptek Sentry系统与GNSS系统相结合的非接触与接触式并行位移监测方法，并辅以降雨量、渗流压力、裂缝监测，对边坡重点区域进行实时监测，建立了城门山铜矿露天边坡在线安全监测系统。

（2）通过分析部分区域监测数据，验证了所建城门山铜矿露天边坡在线安全监测系统的适应性与可靠性，监测数据实时连续，分析结果可有效用于判别边坡稳定性状态、识别潜在滑坡区域、指导潜在危险区域治理、尽可能提前发布预警信息等，可满足城门山铜矿二期工程安全高效开展的实际需要，可为其他类似矿井安全监测系统建立提供参考。