范立軍，陶志剛，呂 謙，3，樊建緯

（1.本溪鋼鐵 （集團）南芬露天鐵礦，遼寧 本溪 117014；2.中國礦業(yè)大學(xué) （北京）力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.黑龍江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

露天礦山排土場是由松散的剝離物堆排形成，堆排的臺階較高、穩(wěn)定性差，堆排生產(chǎn)過程中和結(jié)束后的較長時期均有沉降或滑落。在異常天氣如降雨或雪融等條件的誘導(dǎo)下，易發(fā)生滑坡、泥石流災(zāi)害，需長期進行技術(shù)管理，開展土場穩(wěn)定性監(jiān)測預(yù)警，滿足安全和環(huán)境保護方面的要求［1－2］。

南芬露天礦2號土場位于采礦場西側(cè)，屬外部永久土場，利用河谷和山谷堆排礦山剝離的巖石，順坡排土，山坡傾角16°～20°，谷底傾角5°～10°，原地表生長灌木，腐殖土較薄。土場北部是南芬大東溝和馮家東溝兩個山谷，山坡地形較陡，排土坡底線900m以外有村莊和國道；南部是黃柏峪河谷的陽坡，排土坡底線80m以外有村莊和鄉(xiāng)村公路。根據(jù)南芬露天礦1500萬t/a擴產(chǎn)工程設(shè)計，土場使用在20a以上，設(shè)計排土標高600m、堆排巖石量4.50億t（堆置容積2.05億 m3）、占地面積380萬 m2，排土段高150m～200m、局部段高達280m。排巖方式是卡車運輸－推土機推排和破碎－膠帶運輸－排土機聯(lián)合排土，形成“一坡面”全段高排土形式，自然安息角34°～38°，平均35°［3－4］。在土場堆排過程中和雨季，發(fā)生過土場局部邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，局部邊坡面溝蝕形成類似泥石流的現(xiàn)象，土場的穩(wěn)定性受到安監(jiān)部門關(guān)注。當前，監(jiān)測土場邊坡的方法是常規(guī)監(jiān)測臺階坡頂線位移、裂縫和邊坡面形狀，存在的主要問題有：①人員直接在危險區(qū)頻繁活動，安全隱患大；②勞動強度大，效率低，實時性差；③異常情況下（如降雨），無法持續(xù)監(jiān)測；④監(jiān)測結(jié)果是滑動的結(jié)果，缺少事前預(yù)警。

2 監(jiān)測原理及監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 基本監(jiān)測原理

在露天礦山排土場滑坡發(fā)生前和發(fā)生過程中，潛在滑動松散巖體中的應(yīng)力首先發(fā)生變化，滑動力與抗滑力之間的平衡不斷被打破。在不斷形成新平衡的過程中，形成下滑力顯現(xiàn)，之后伴隨邊坡產(chǎn)生變形和位移，下滑力顯現(xiàn)是滑坡體產(chǎn)生的充分必要條件，變形和位移是滑坡體產(chǎn)生的必要條件。當監(jiān)測到巖體有明顯變形時，邊坡已經(jīng)發(fā)生了一定程度的滑動破壞。捕捉滑動體下滑力的顯現(xiàn)變化特征，可以超前于地表位移和變形判斷邊坡的穩(wěn)態(tài)趨勢。

基于上述分析，恒阻大變形纜索滑動力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)以力的平衡原理為基礎(chǔ)，建立攝動力與滑動力和抗滑力之間的關(guān)系，以攝動力來反映邊坡滑動力和抗滑力的變化，實現(xiàn)對滑動體下滑力連續(xù)、自動、實時采集存儲，并無線發(fā)射到遠程室內(nèi)接收終端，終端計算機進行分析并形成動態(tài)監(jiān)測曲線，經(jīng)分析后指導(dǎo)做出預(yù)警。在監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取上實現(xiàn)了不需要人員到達現(xiàn)場的遠程自動化，克服人工現(xiàn)場測讀數(shù)據(jù)受天氣、安全等因素的影響。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

本次設(shè)計主要采用中國礦業(yè)大學(xué)（北京）巖土工程中心自主研發(fā)的恒阻大變形纜索滑動力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)［5－7］。該系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成，包括：恒阻大變形纜索、信號采集－傳輸設(shè)備、信號接收－分析設(shè)備，各部分都有相應(yīng)的軟配套軟件。

1）恒阻大變形纜索。恒阻大變形纜索是針對巖土體大變形破壞而專門設(shè)計的一種集監(jiān)測和預(yù)警于一體的通訊纜索。是指把纜索達到屈服強度的90%設(shè)計為纜索荷載，當纜索上的荷載達到設(shè)計值時，設(shè)置在纜索上的一種特殊聯(lián)結(jié)裝置，就可以通過恒阻體在特殊結(jié)構(gòu)管體內(nèi)滑移產(chǎn)生大變形來抵消荷載產(chǎn)生的拉斷效應(yīng)，防止纜索被拉斷破壞，實現(xiàn)對滑坡全過程實時監(jiān)測。同傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索相比，其結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是恒阻器，其它的組成部分與傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力錨索技術(shù)基本相同。

2）力學(xué)信號采集－傳輸設(shè)備。力學(xué)信號采集與傳輸設(shè)備安裝在監(jiān)測現(xiàn)場，可將滑動面上施加的擾動力數(shù)據(jù)自動采集、儲存、發(fā)射，經(jīng)中轉(zhuǎn)到信號分析系統(tǒng)，見圖1。

圖1 力學(xué)信號采集和傳輸系統(tǒng)

3）信號接收－分析設(shè)備。該設(shè)備可將現(xiàn)場發(fā)來的數(shù)據(jù)自動接收并處理，利用攝動力與下滑力和抗滑力之間的函數(shù)關(guān)系，計算出下滑力的大小，并且形成動態(tài)監(jiān)測曲線，據(jù)此判斷監(jiān)測對象的狀態(tài)，實時做出監(jiān)測預(yù)警。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用目標

該系統(tǒng)應(yīng)用到排土場邊坡穩(wěn)定性動態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，實現(xiàn)了排土場持續(xù)排土、超前監(jiān)測預(yù)警、強化安全措施的針對性。

1）捕捉土場邊坡滑動體下滑力演變特征，優(yōu)于對滑動體表面位移和裂縫的監(jiān)測，從本質(zhì)上實現(xiàn)對滑坡災(zāi)害超前預(yù)警。

2）通過延續(xù)監(jiān)測，探尋土場邊坡演變特征，判斷其是否逐漸穩(wěn)定。

3）提高監(jiān)測頻繁和精度。

4）根據(jù)邊坡潛在滑動體下滑力的特征，預(yù)測發(fā)展動向，并做出危險預(yù)警指導(dǎo)避險。

5）提高監(jiān)測的實時性、科學(xué)性和智能性。

2.4 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)以“產(chǎn)、學(xué)、研”為平臺，結(jié)合監(jiān)測對象的差異，經(jīng)不斷研發(fā)完善改進，已在露天開采煤礦軟質(zhì)巖體邊坡和露天開采鐵礦硬質(zhì)巖體邊坡開展監(jiān)測預(yù)警。自運行以來，多次成功預(yù)警了邊坡失穩(wěn)破壞災(zāi)害，指導(dǎo)了礦山人員和設(shè)備撤離避險，實現(xiàn)礦山安全生產(chǎn)［5］。恒阻大變形纜索監(jiān)測預(yù)警特征曲線，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測預(yù)警模式

3 排土場監(jiān)測設(shè)計

3.1 監(jiān)測點設(shè)計依據(jù)和原則

1）土場邊坡分級。土場邊坡監(jiān)測點設(shè)計達到國家相關(guān)滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計技術(shù)要求，如表1所示。

2）布點、布線原則。滑動力遠程監(jiān)測點和監(jiān)測線的布置，原則上根據(jù)排土場邊坡工程的重要性分級，嚴格按照表2內(nèi)容進行設(shè)計。

3）承載板安裝的固定混凝土結(jié)構(gòu)位于滑動體上緣線外側(cè)一定距離。

4）恒阻套管借助混凝土結(jié)構(gòu)與土場邊坡松散巖體融為一體。

5）在施加纜索應(yīng)力設(shè)備的配合下，承載板處的錨具夾片具有可拆卸性。

表1 地質(zhì)災(zāi)害防治工程分級

表2 滑動力監(jiān)測點設(shè)計標準

3.2 設(shè)計方案

恒阻大變形纜索滑動力監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在土場邊坡的應(yīng)用設(shè)計分三部分。包括：恒阻套管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、土場坡頂線部位支撐轉(zhuǎn)角設(shè)計、承載板固定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1）恒阻套管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。恒阻套管與潛在的松散滑動體須融為一體，借助在恒阻套管外增加一個體積較大混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)內(nèi)的鋼筋與恒阻套管外點焊接，混凝土結(jié)構(gòu)為圓臺體，軸線與水平面夾角為松散巖體的自然安息角，上小下大（推薦參數(shù)：r＝400mm、R＝750mm、h＝2500mm）。具體的參數(shù)與巖性、粒度、含水量、松散系數(shù)、埋置深度等有關(guān)，采用相關(guān)試驗確定。恒阻套管混凝土結(jié)構(gòu)埋設(shè)的位置盡可能靠近排巖段高中下部。

2）土場坡頂線部位轉(zhuǎn)角支撐設(shè)計。恒阻大變形纜索在臺階坡頂線部位有一個轉(zhuǎn)角。為了減小纜索因受力而不均勻陷入松散的巖體中，避免轉(zhuǎn)角小形成集中受力割斷，在臺階坡頂線處的坡面和頂面上，以一定的距離設(shè)置纜索平衡器（推薦枕木），實現(xiàn)纜索均勻受力，并控制轉(zhuǎn)角在合理范圍內(nèi)，纜索及其平衡器埋深0.5～1.0m。

3）承載板固定混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。承載板固定混凝土結(jié)構(gòu)位于理論計算滑動體后緣線以外，承載能力達到設(shè)計拉力的2.5倍以上，同時設(shè)有防旋轉(zhuǎn)和傾覆裝置。主體結(jié)構(gòu)埋深1.5m。

3.3 安裝和運行解析

先施工承載板固定混凝土結(jié)構(gòu)，并沿設(shè)計線開挖溝槽，放置纜索轉(zhuǎn)角支撐；隨后施工恒阻套管混凝土結(jié)構(gòu)和組裝恒阻大變形纜索，纜索比設(shè)計長15m，纜索外均勻涂抹防腐潤滑劑，外套軟質(zhì)厚壁橡膠管，纜索間安裝防纏繞裝置；最后安裝信號采集－傳輸設(shè)備，并調(diào)試信號接收－分析設(shè)備；各設(shè)備處于運行狀態(tài)后，在恒阻套管混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，逐步施加纜索應(yīng)力，并回填溝槽，完成安裝，設(shè)備處于待運行狀態(tài)，見圖3；土場在該部位的堆排生產(chǎn)繼續(xù)進行，在原堆排坡頂線推進10m以上后，分三次增加纜索應(yīng)力達到設(shè)計屈服強度荷載的90%。此時，恒阻大變形纜索滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)正式投入運行。運行過程中，由于土場自然沉降會影響纜索應(yīng)力，要經(jīng)常在監(jiān)測力學(xué)特征曲線的指導(dǎo)下，在承載板固定混凝土結(jié)構(gòu)端調(diào)節(jié)纜索應(yīng)力，保證其處于正常工作狀態(tài)，尤其是在雨季和雪融時期，需之前調(diào)好纜索應(yīng)力，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，排除自然沉降的干擾，以提高監(jiān)測預(yù)警準確度。

圖3 系統(tǒng)安裝和運行示意圖

3.4 需要繼續(xù)解決的問題

1）纜索部位堆排巖石時，應(yīng)避免大塊滾落。

2）運行過程中，纜索有斷裂反彈的安全隱患，應(yīng)做好防護。

3）進一步檢驗纜索在巖石壓緊條件下的工作狀態(tài)。

4）針對擾動力與下滑力和抗滑力的關(guān)系，開發(fā)相關(guān)軟件，提高系統(tǒng)的普遍適用性。

4 結(jié)論

恒阻大變形纜索滑動力遠程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在土場邊坡的應(yīng)用分析，是基于恒阻大變形纜索和滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)成果，提出在土場邊坡應(yīng)用，系統(tǒng)隨著邊坡巖土體大變形而發(fā)生徑向拉伸，吸收能量，避免由于巖土體大變形而發(fā)生纜索斷裂、失效，從而避免邊坡較小位移沉降、滑塌后監(jiān)測設(shè)備就喪失作用，實現(xiàn)為土場邊坡松散巖體穩(wěn)定性監(jiān)測與安全評價提供科學(xué)依據(jù)，確保人員、設(shè)備的安全。

該系統(tǒng)的運行不完全取代傳統(tǒng)的土場巡視和對土場邊坡異常情況的處理，如：排水、邊坡形狀、底角維護等，與傳統(tǒng)監(jiān)測方法比較，是一次土場邊坡監(jiān)測技術(shù)的突破。

［1］王運敏.現(xiàn)代采礦手冊［M］.中冊.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［2］王青，史維祥.采礦學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2001.

［3］本鋼設(shè)計研究院.本鋼南芬鐵礦擴產(chǎn)工程初步設(shè)計說明書［R］.2009.

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