謝振華

（中國勞動關系學院安全工程系，北京100048）

露天礦山排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)和預警方法的應用與發(fā)展

謝振華

（中國勞動關系學院安全工程系，北京100048）

在現(xiàn)場調研和文獻分析的基礎上，分析了露天礦山排土場的災害類型及其主要原因。論述了排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)和預警方法的應用現(xiàn)狀，確定了合理的包括GPS、固定式測斜儀、雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒等儀器的排土場綜合監(jiān)測系統(tǒng)，提出了基于人工神經網絡的預警方法、智能預警支持系統(tǒng)等排土場災害預警的發(fā)展方向。

礦山排土場；災害監(jiān)測；監(jiān)測系統(tǒng)；預警方法

0 引言

我國露天礦山排土場數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大，每年因為采礦而排放的巖土超過6億t[1]。排土場排放的是松散巖土，其強度及穩(wěn)定性都較低。露天礦山排土場如果場址選擇不當、地基處理不好、亂采亂挖坡腳、大暴雨等原因，可能會引起排土場滑坡或泥石流事故，造成大量人員傷亡和財產損失。如2008年8月1日，山西省婁煩縣某鐵礦排土場的滑坡事故造成45人遇難。2014年11月12日，遼寧某鐵礦一個廢棄的排土場發(fā)生緩慢滑坡事故，造成臨近的部分企業(yè)廠房、設備損毀，供電中斷。

露天礦山排土場存在的主要安全問題是設計不規(guī)范、不按規(guī)則排土、缺乏有效的安全管理等，而且礦山排土場基本上都沒有安裝監(jiān)測系統(tǒng)，很難對排土場災害進行預測和預警。目前，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要應用在公路邊坡、露天礦山采場邊坡、尾礦庫壩體邊坡中，有效預防了邊坡災害的發(fā)生。國內外關于露天礦山排土場災害預警技術的研究相對較少，還沒有科學實用的災害預警方法[2]。在現(xiàn)場調研和文獻分析的基礎上，論述了露天礦山排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)和預警方法的應用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展方向進行了預測。

1 排土場災害類型

排土場災害主要有滑坡和泥石流。

1.1 滑坡

排土場滑坡是排土場災害的主要類型，滑坡的類型有3種：排土場內部結構面滑坡、排土場與基底接觸面滑坡、排土場基底軟弱層滑坡[3]。排土場滑坡的主要原因包括以下5個方面：

1）排土場設計缺陷及建設質量不高。排土場選址不當或者設計不符合規(guī)范，導致排土場存在先天事故隱患。排土場在建設初期對質量重視不夠，缺乏有效的建設監(jiān)督管理，未對排土場基地軟弱層進行清理或者清理不徹底等，都給排土場滑坡留下了事故隱患。

2）未按管理規(guī)范進行排土作業(yè)。礦山應該制定排土場排土作業(yè)管理規(guī)范，并嚴格執(zhí)行。違規(guī)進行排土作業(yè)，如在排土場一定區(qū)域中進行巖土混排，會在排土場內部形成軟弱面，當堆置的巖土高度過大時，可能導致排土場內部滑坡。

3）排土場的排水設施不健全。地表水和大氣降水對排土場的浸潤作用是排土場滑坡事故的重要原因，可迅速降低排土場的穩(wěn)定性。排土場應按規(guī)范修建排水設施，并保證其完整、有效。如果排土場的排水設施不健全，暴雨時會有大量地表水滲入到排土場內部，使排土場內部含水處于飽和或過飽和，破壞排土場的平衡狀態(tài)，很容易形成排土場內部結構面滑坡。

4）人為因素。我國排土場大多處于農村地區(qū)，經濟欠發(fā)達，村民有時在排土場的坡底和兩側采石、取土，濫采濫挖，這將破壞排土場的穩(wěn)定性。另外，在排土場附近進行爆破作業(yè)也會影響排土場的穩(wěn)定性，導致起排土場滑坡。

5）不可抗拒因素。人力不可抗拒因素有時也會導致排土場的滑坡事故，如大暴雨、地震、海嘯等。

1.2 泥石流

按照泥石流的成因，排土場泥石流可分為重力成因泥石流和水動力成因泥石流。重力成因泥石流是排土場巖土受到水的浸潤，當達到一定含水量時便轉化為粘稠狀流體，形成泥石流。水動力成因泥石流是指水流沿陡坡地形急快速流動時，沖刷山谷地帶的排土場松散巖土而形成的泥石流。此外，由排土場的滑坡、坍塌也可以轉化為泥石流。

礦山排土場的泥石流和滑坡常常同時出現(xiàn)，相互轉化，可分為沖刷型泥石流和滑坡型泥石流。礦山排土場在生產過程中產生的大量松散巖土，是排土場泥石流災害產生的基本條件。由于礦山排土場選址的原因，排土場很容易遭受洪水和暴雨的影響，引發(fā)泥石流災害。

2 礦山排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

通過對國內礦山現(xiàn)場調研以及文獻分析，目前公路、大壩、尾礦庫等邊坡監(jiān)測系統(tǒng)主要有坡面的大地測量（經緯儀、水準儀、測距儀等），GPS監(jiān)測，紅外遙感監(jiān)測，合成孔徑雷達干涉測量，全站儀監(jiān)測，鉆孔傾斜儀、錨索測力計和水壓檢測儀，聲發(fā)射監(jiān)測等。

目前，我國露天礦山排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)應用很少，在少數(shù)幾個礦山主要采用GPS進行監(jiān)測，如紫金山金銅礦、鞍千礦業(yè)有限責任公司等[4-5]，監(jiān)測指標較少，不能全面、及時反映排土場的安全狀況。露天礦山排土場滑坡監(jiān)測可參照露天礦山采場和尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)，見表1[6]。

表1 國內主要采場邊坡及尾礦庫監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展方向是采用自動測量技術、計算機技術和通信技術，構建監(jiān)測、采集、傳輸、網絡為一體的監(jiān)測預警系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多種監(jiān)測設備的集中式、一體化管理，為邊坡安全狀況的現(xiàn)地監(jiān)控、異地監(jiān)視預警提供方便、快捷、高效的服務。根據(jù)我國大中型礦山排土場的實際狀況和安全監(jiān)管要求，提出以GPS監(jiān)測為主，包括固定式測斜儀、翻斗式雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒、土壤含水計、應變計、裂縫計等儀器的綜合邊坡監(jiān)測系統(tǒng)。某露天礦山排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的組成情況見表2。

表2 排土場邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的組成

3 排土場災害預警方法

露天礦山排土場的災害預警是建立在礦山排土場災害風險評價的基礎上，綜合考慮排土場災害風險評價結果和現(xiàn)場監(jiān)測的排土場災害預警指標的變化情況，確定礦山排土場災害預警等級。

3.1 排土場災害預警方法的現(xiàn)狀

根據(jù)現(xiàn)場調研和文獻分析，排土場災害預警主要針對排土場滑坡，其預警方法主要有以監(jiān)測為主的方法、以內因分析為主的方法、以外因分析為主的方法等3類，其中每種方法下又有許多有代表性的方法。

1）以監(jiān)測為主的方法。工程實踐表明，以監(jiān)測為主的預測預報效果通常較好。例如，浙江省國土資源廳建立的地質災害監(jiān)測預警系統(tǒng)，根據(jù)全省1 257個雨量觀測站的日降雨量、609處滑坡和泥石流等災害監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合監(jiān)測地區(qū)的地層巖性、地質構造、人口分布、土地利用類型等基礎資料，開發(fā)了集地理信息系統(tǒng)（GIS）與人工神經網絡（ANN）于一體的區(qū)域滑坡災害預警系統(tǒng)，能準確預測浙江省地質災害的發(fā)生。以監(jiān)測為主的預警方法需要滿足3個基本條件：①有成熟的監(jiān)測技術并能保證監(jiān)測設備的可靠運行；②要有足夠的經費支持建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)；③要有快速的數(shù)據(jù)分析和傳輸能力。

2）以內因分析為主的方法。目前研究較多，有關滑坡預測預報中的大多數(shù)成果都是以內因研究為主，但預測預報效果不很理想。該方法首先是通過現(xiàn)場工程地質調查建立相應的地質模型，其次取樣在現(xiàn)場或實驗室進行力學試驗建立力學模型，再進行極限平衡分析、數(shù)值分析等力學分析，最后根據(jù)分析結果建立相應的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。以內因分析為主的方法計算量都比較大，但預測預報的成功率并不太高。該類方法比較典型的預測方法是可拓理論，可拓理論中的動態(tài)模型能很好地擬合像滑坡這樣動態(tài)變化的復雜系統(tǒng)，在邊坡穩(wěn)定性研究中已有很多成功應用。

3）以外因分析為主的方法。該類方法具有很好的發(fā)展前景，但還需加強理論和方法的研究。例如，香港學者李焯芬等提出的滑坡預測預報方法，根據(jù)暴雨期容易引發(fā)滑坡災害的特點，建立起基于暴雨量的預報系統(tǒng)，多次成功預報了滑坡的發(fā)生。再如，我國國土資源部地質調查局與國家氣象中心聯(lián)合開展的地質災害預測預報工作，利用氣象預報分析降雨對地質災害的影響，在貴州省已經取得了成功應用。

3.2 排土場災害預警方法的發(fā)展

排土場災害預警方法的未來發(fā)展將立足于排土場安全監(jiān)測和安全檢查的大數(shù)據(jù)，進行智能化預警，主要發(fā)展方向有以下2個方面。

1）基于人工神經網絡（Artificial Neural Network，即ANN）的預警方法。ANN利用模擬生物神經元的某些基本功能組件，即人工神經元，按不同的聯(lián)結方式構建起一個復雜的網絡。其目的是模擬人類大腦的某些機能，通過事先不斷的自學習，實現(xiàn)準確預測。人工神經網絡模型主要由基于BP、基于RBF的神經網絡模型，廣泛應用于預警指標的評價、非線性的預警模型。ANN對數(shù)據(jù)的分布要求不高，而且具有自學習、自適應、自組織的特點，能在礦山排土場數(shù)據(jù)量不大、數(shù)據(jù)不太完整的條件下成功應用。

2）智能預警支持系統(tǒng)（Intelligent Early Warning Support System，即IEWSS）。預警支持系統(tǒng)是決策系統(tǒng)的重要分支，隨著規(guī)則推理、模糊推理、案例推理等技術在預警領域的逐漸應用，產生了新的知識表示和推理方法，提出了智能預警支持系統(tǒng)。IEWSS首先根據(jù)大量的案例分析得到預警對象的特征描述，建立案例庫。然后根據(jù)排土場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在案例庫中檢索相似案例，通過對比分析獲得排土場的特征信息，對排土場災害進行預測預警。案例推理過程具有記憶性，對同一個預警問題不用重復相同的分析過程。IEWSS具有自適應、自學習功能，可以進行定性、定量分析和預警。

4 結論

1）露天礦山排土場災害主要有滑坡和泥石流，滑坡事故最為常見。排土場滑坡事故的主要原因有設計不合理、建設質量不高、生產組織不規(guī)范、排水設施不健全、人為因素的影響等。

2）排土場應建立以GPS監(jiān)測為主，包括固定式測斜儀、翻斗式雨量計、孔隙水壓力計、土壓力盒、土壤含水計等儀器的排土場綜合監(jiān)測系統(tǒng)。

3）排土場災害預警方法應立足于排土場安全監(jiān)測和安全檢查，采用基于人工神經網絡的預警方法、智能預警支持系統(tǒng)等。

［1］趙洪穎.高臺階排土場安全控制技術的研究［D］.北京:北方工業(yè)大學，2012.

［2］王運敏，項宏海．排土場穩(wěn)定性及災害防治［M］．北京:冶金工業(yè)出版，2011.

［3］黃錦林，趙吉國，張婷，等.基于層次分析法的庫岸高速滑坡危險度評價［J］.自然災害學報，2011，20（5）：95-99.

［4］傅能武.GPS在紫金山金銅礦排土場邊坡監(jiān)測中的應用［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2014（9）：159-160.

［5］張德政，陳方明，宋鋒.排土場在線監(jiān)測與智能預測管理系統(tǒng)［C］∥第三屆全國數(shù)字礦山高新技術成果交流會論文集，2014：65-68.

［6］李青石，李庶林，陳際經．試論尾礦庫安全監(jiān)測的現(xiàn)狀和前景［J］.中國地質災害與防治學報，2011，22（1）：99-106.

【責任編輯：陳毓】

Application and development of disasters monitoring system and early warning methods in open-pit mine dump

XIE Zhenhua
(Department of Safety Engineering,China Institute of Industrial Relations,Beijing 100048,China)

Based on the field research and literature analysis,this article analyses the disasters types and major reasons of dump in open-pit mine,discusses the application status of disasters monitoring system and early warning methods in dump,determines the reasonable comprehensive monitoring system for dump,including GPS,stationary inclinometer,rain gauge,pore water manometer, earth pressure cell etc,and proposes the development trend of disasters early warning for dump including early warning method based on artificial neural network and intelligent early-warning support system.

mine dump;disaster monitoring;monitoring system;early warning method

TD77+1

B

1671－9816（2017）01－0083－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.023

謝振華.露天礦山排土場災害監(jiān)測系統(tǒng)和預警方法的應用與發(fā)展［J］.露天采礦技術，2017，32（1）：83-85.

2016-07-20

貴州省科技廳項目（黔科合服企［2015］4006）

謝振華（1968—），男，博士，中國勞動關系學院安全工程系教授，研究方向為礦山安全技術、安全管理。