朱紀(jì)朋，蘇懷斌，趙旭陽，孫焱焱，吳 浩

（1.欒川龍宇鉬業(yè)有限公司，河南 欒川 471500；2.中南大學(xué)，長沙 410000）

隨著國家經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，礦山行業(yè)再次活躍起來。近年來，國家提出“五位一體”的總體布局［1］，其中生態(tài)文明建設(shè)對礦山可持續(xù)發(fā)展具有戰(zhàn)略指導(dǎo)意義［2］。深凹露天礦山在開采過程中，易受自然地質(zhì)條件、雨水、人工爆破等因素影響引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害［3］：滑坡、泥石流、危巖垮落等使生態(tài)環(huán)境遭到破壞，對露天采場人員及設(shè)備的安全構(gòu)成威脅。因此，開展深凹露天礦邊坡穩(wěn)定性研究是必然的。

結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀，露天邊坡穩(wěn)定性分析采用極限平衡法［4-5］、極限分析法［6-7］、滑移線場法［8-9］等傳統(tǒng)方法?；跇O限平衡理論的邊坡穩(wěn)定分析過程不能考慮到邊坡巖體內(nèi)部應(yīng)力變化狀態(tài)，時常需假定滑移面為折線、圓弧等形狀，局限性明顯［10］。隨著智能化軟件的開發(fā)利用［11-13］，大型三維模型軟件相對傳統(tǒng)分析方法具備優(yōu)勢［14］：①分析復(fù)雜地質(zhì)、地形的邊坡穩(wěn)定性；②考慮巖土本構(gòu)關(guān)系及應(yīng)力應(yīng)變情況；③模擬邊坡失穩(wěn)過程；④耦合多種因素進(jìn)行模擬；⑤無需假設(shè)滑移面形狀等。利用三維模擬軟件可彌補(bǔ)傳統(tǒng)分析方法的短板，計(jì)算結(jié)果更為精確，對邊坡穩(wěn)定性研究起到關(guān)鍵作用?；趶椝苄员緲?gòu)模型，許洪亮［15］利用FLAC3D研究露天礦開采過程中的邊坡應(yīng)力變化及破壞形式，并提出相關(guān)的防治措施；谷運(yùn)峰［16］針對高排土場邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行理論研究，結(jié)果表明排土場高度大于100 m時邊坡安全系數(shù)最低，不建議增加排土場高度；王創(chuàng)業(yè)等［17］通過模擬分析出巖體剪切破壞可造成坡腳貫通，產(chǎn)生的滑移面在楔形破壞作用下可能產(chǎn)生滑坡災(zāi)害，建議加強(qiáng)邊坡坡腳治理；郭星強(qiáng)［18］對比分析傳統(tǒng)邊坡和時效邊坡的數(shù)值模擬結(jié)果和綜合性能得出，時效邊坡穩(wěn)定性可以達(dá)到傳統(tǒng)邊坡設(shè)計(jì)要求，同時可減小剝采比，改善礦山經(jīng)濟(jì)效益等。

基于前人的研究成果及工程實(shí)踐，本研究以露天礦開采境界范圍內(nèi)的三維地質(zhì)可視化模型為基礎(chǔ)，在三維地質(zhì)軟件中讀出原始地貌高程點(diǎn)信息及各臺階平臺信息，隨后導(dǎo)入3DMine進(jìn)行實(shí)體建模，而后利用編制的接口軟件導(dǎo)入到有限差分計(jì)算軟件FLAC3D，進(jìn)行露天礦邊坡三維應(yīng)力應(yīng)變分析。隨后利用雷達(dá)掃描與GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)中高大邊坡變形監(jiān)測，結(jié)合理論分析結(jié)果對南泥湖礦山高大邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以期礦山實(shí)現(xiàn)安全、高效、低成本生產(chǎn)。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 自然條件

礦區(qū)地形北高南低，高程1 341.6～1 603.9 m，最大相對高差262.3 m，一般標(biāo)高1 400～1 500 m。本區(qū)屬大陸高山型氣候，夏季涼爽、冬季嚴(yán)寒，四季分明。十月至來年四月為降霜期，十一月至來年二月為冰凍期。年最高氣溫40.2℃，最低氣溫－16.4℃。年降雨量468.70～1 462.60 mm，年平均降雨量908.70 mm，7～9月為汛期，占年降雨量的60%，日最大降雨量257.10 mm，一次連續(xù)最大降雨量301.80 mm。

1.2 工程地質(zhì)條件

由于長期開采，礦山范圍內(nèi)的原始地貌大部分已被改變，在現(xiàn)有礦山開采范圍內(nèi)形成多級采礦臺階邊坡，分布范圍在海拔1 720 m標(biāo)高以下，由高12～15 m的多級礦山開采平臺組成，坡度為32°～64°，開采深度超過200 m。由于采礦開挖和滑坡也造成了局部地段形成懸崖峭壁，最高可達(dá)40 m，多為危巖。位于開采區(qū)以上的南部原始自然邊坡，坡度較緩，一般10°～15°，順巖層緩坡向上，一般無明顯起伏，延伸至山頂。位于開采區(qū)以下的北邊原始自然邊坡，坡度受構(gòu)造影響，較陡，一般40°～60°，坡高100～200 m。礦區(qū)兩側(cè)受溝谷縱向深切，坡度陡，多峭壁，尤其是東部的干溪溝，坡度局部可達(dá)90°，切深可達(dá)200 m。西部溝谷寬緩，切割深度最深20～30 m。中部羅溝較窄，溝谷寬30～50 m。

礦區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害隱患的工程地質(zhì)巖組包括人工松散堆積物巖組、構(gòu)造破碎帶巖組。人工堆積物主要為鉬礦廢棄碎碴、塊石、尾礦砂等，零星分布，堆積厚度數(shù)米至幾百米不等，整體穩(wěn)固性差；構(gòu)造破碎帶巖組受地應(yīng)力擠壓破壞，結(jié)構(gòu)疏松、力學(xué)強(qiáng)度低，易泥化。

2 巖石力學(xué)參數(shù)

依據(jù)室內(nèi)巖體各項(xiàng)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，利用Hoek-Brown公式［19］進(jìn)行折減獲得相應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖石主要力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of rock

3 三維模型建立及模擬方案

3.1 模型建立條件

受開采擾動影響，工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，為便于數(shù)值模型建立及三維軟件模擬運(yùn)算，需設(shè)定如下條件：

1）礦巖體假設(shè)為理想彈塑性體，是局部均質(zhì)、各向同性材料，在屈服點(diǎn)以后，材料強(qiáng)度和體積不隨塑性流動而變化［20］；

2）考慮到巖石的脆性，分析中涉及到的所有物理量均與時間無關(guān)；

3）礦巖中不考慮結(jié)構(gòu)面及裂隙的影響；

4）僅受重力影響，無外部載荷；

5）整體模型底部固定，前后左右四個面受約束，模型邊界無位移，模型表面為自由面，在重力作用下可自由運(yùn)動。

3.2 構(gòu)建模型

為保證構(gòu)建的露天礦三維模型最大程度還原礦山實(shí)際地形地貌，在三維地質(zhì)軟件中讀出原始地貌高程點(diǎn)信息及各臺階平臺信息，隨后導(dǎo)入3DMine進(jìn)行實(shí)體建模并優(yōu)化模型，構(gòu)建如圖1所示的三維深凹露天礦模型。

圖1 深凹露天礦三維模型（單位：m）Fig.1 3D model of deep open pit mine（Unit：m）

3.3 網(wǎng)格劃分

一般的，網(wǎng)格劃分越密，計(jì)算結(jié)果越精確，而計(jì)算效率降低，反之亦然［21］。為保證計(jì)算精度，利用FLAC3D內(nèi)置網(wǎng)格劃分功能模塊“Zone create brick”進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鑒于計(jì)算機(jī)處理能力所限，無法處理整個露天采場龐大模型，將模型分為8個區(qū)域進(jìn)行模擬運(yùn)算，區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 深凹露天礦三維模型離散化Fig.2 Discretization of 3D model for deep open-pit mine

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 模擬結(jié)果

從豎直方向位移、最大（?。┲鲬?yīng)力分布、剪切應(yīng)變方面進(jìn)行露天礦邊坡穩(wěn)定性分析。模擬結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果一覽表Table 2 Numerical simulation results

由于模擬結(jié)果云圖較多，選?、瘛ⅱ騾^(qū)2個相鄰區(qū)域的豎直方向位移、剪切應(yīng)變、最大主應(yīng)力的模擬結(jié)果云圖進(jìn)行說明（圖3～5）。

圖3 豎直方向位移云圖（左1為I區(qū)，下同）Fig.3 Displacement contours in the vertical direction（The left 1 is the I area，the same below）

圖4 剪切應(yīng)變云圖Fig.4 Shear strain contours

圖5 最大主應(yīng)力分布云圖Fig.5 The maximum principal stress distribution contours

4.2 分析

4.2.1 位移場分析

從位移場分析結(jié)果來看，總體而言，各分區(qū)三維模型頂部位移值均為零，表明各個分區(qū)的頂部未受到過大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生位移。從整體穩(wěn)定性角度來看，均處于較好的狀態(tài)。

從局部穩(wěn)定性來看，各分區(qū)剖面均在某一臺階高程的位移集中增大，說明在露采境界最終形成以后，該處最容易產(chǎn)生局部垮塌的可能。

4.2.2 應(yīng)變場

從剪應(yīng)變增量場分析結(jié)果來看，各區(qū)整個體系的剪應(yīng)變增量均出現(xiàn)在臺階邊坡中上部，而在邊坡底部剪應(yīng)變增量較為集中，說明坡底應(yīng)變增量隨著露采境界的延伸有所增大，即表明如果出現(xiàn)臺階破壞時，可能從露天采坑底部產(chǎn)生剪切。

4.2.3 應(yīng)力場

從各分區(qū)應(yīng)力場分布云圖來看，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分布均較為均勻。局部臺階邊坡出現(xiàn)小范圍最大或最小主應(yīng)力集中現(xiàn)象，對該局部坡段的穩(wěn)定性不利。其余坡段均勻的主應(yīng)力分布表明整體邊坡是處在穩(wěn)定性狀態(tài)下的。

5 邊坡監(jiān)測

為實(shí)時監(jiān)測露天礦邊坡空間位移變化，該礦山利用雷達(dá)掃描及GNSS在線數(shù)據(jù)集成技術(shù)形成三維可視化邊坡模型，建立三維可視化管控平臺，實(shí)現(xiàn)露天礦山邊坡空間位移實(shí)時監(jiān)測目標(biāo)和智能化礦山邊坡安全管控，利用技術(shù)創(chuàng)新達(dá)到降本增效目的。

5.1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

礦山視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)包括：

1）在采場新建1個全景攝像頭、采場更換3個高清球機(jī)攝像頭、6個高清槍機(jī)攝像頭；工業(yè)場地新增高清槍式攝像頭16個及800 m線路（圖6）。全景攝像機(jī)安裝在礦區(qū)北部合適位置上，新建數(shù)據(jù)傳輸及供電線路，確保其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 采場攝像頭布設(shè)平面圖Fig.6 Stope camera layout plan

2）將現(xiàn)有已建的及本次建設(shè)攝像頭視頻數(shù)據(jù)集中管理，集成到三維可視化管控平臺中顯示。

3）新增硬盤錄像機(jī)對新增攝像機(jī)進(jìn)行錄像保存，存儲時間不小于1個月，預(yù)留相應(yīng)擴(kuò)容接口。另外，采場10處攝像頭存儲時間不少于3個月，滿足安全監(jiān)管要求。

5.2 邊坡雷達(dá)掃描系統(tǒng)集成

采用圓弧式雷達(dá)掃描合成技術(shù)進(jìn)行邊坡監(jiān)測，該技術(shù)利用收發(fā)天線在水平面內(nèi)作往返的圓周運(yùn)動獲得較大的雷達(dá)掃描合成影像，在不良光照條件下可得到較高分辨率的雷達(dá)圖像。其原理是利用雷達(dá)與監(jiān)測目標(biāo)的相對運(yùn)動數(shù)據(jù)化處理合成較大等效天線孔徑，以此提高雷達(dá)對目標(biāo)的分辨率［22］。圓弧式雷達(dá)掃描通過與監(jiān)測目標(biāo)的相對距離、角度的分析，將監(jiān)測目標(biāo)圓弧化分割處理，形成如圖7所示的類似于扇形的監(jiān)測區(qū)域。

圖7 雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)集成Fig.7 Radar monitoring data integration

5.3 GNSS在線監(jiān)測集成

空間定位測量技術(shù)常用全球定位技術(shù)（GNSS）實(shí)現(xiàn)形變體表面的變形監(jiān)測，具有全天候監(jiān)測、三維形變、高精度等優(yōu)勢［23］。目前北斗系統(tǒng)的組網(wǎng)應(yīng)用，進(jìn)一步提高了GNSS技術(shù)的可用性和可靠度。支持國內(nèi)主流廠商的GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成，對接GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，在三維可視化系統(tǒng)中展示（圖8）。沿邊坡布置兩列監(jiān)測點(diǎn)，共計(jì)10個監(jiān)測點(diǎn)位，利用衛(wèi)星解析GNSS接收機(jī)位置信息，以網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)終端獲取監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，從而得出實(shí)時邊坡巖體位移形變數(shù)據(jù)［24］。

圖8 GNSS監(jiān)測系統(tǒng)集成Fig.8 GNSS monitoring system integration

5.4 實(shí)際監(jiān)測效果

5.4.1 雷達(dá)掃描監(jiān)測

由于礦山北部邊坡坡度較大，相對高度100～200 m，主要進(jìn)行北部邊坡監(jiān)測，三維可視化監(jiān)測效果如圖9所示。雷達(dá)掃描監(jiān)測結(jié)果顯示，1730臺階中部地表沉降（涉及到歷史開采遺留空區(qū)問題，此處不贅述），與數(shù)值模擬結(jié)果較為相近，需對該區(qū)域持續(xù)監(jiān)測，發(fā)生問題及時處理。雷達(dá)監(jiān)測范圍較大，缺乏對某一點(diǎn)位的精細(xì)化監(jiān)測處理能力，具有一定的局限性。

圖9 雷達(dá)掃描北部邊坡實(shí)時位移圖Fig.9 Radar scans real-time displacement of the northern slope

5.4.2 GNSS監(jiān)測效果

為彌補(bǔ)雷達(dá)掃描的短板之處，利用GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)測某一點(diǎn)位的空間位移變化。監(jiān)測結(jié)果較多，導(dǎo)出一周內(nèi)靠近北部邊坡非工作幫的6＃測點(diǎn)位移監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行說明。具體見圖10、11所示。

圖11 6＃測點(diǎn)平面矢量變化Fig.11 Change of plane vector of measuring point No.6

圖中H軸位移表示豎直方向的位移變化。可以看出，7 d內(nèi)豎直方向最大位移變化量接近35 mm，最小位移變化量10 mm。這說明露天礦臺階人工開采后，邊坡內(nèi)部地應(yīng)力重分布，應(yīng)力分布狀態(tài)不斷變化，在豎直方向上影響較大，實(shí)際未發(fā)生巖石開裂、碎巖滾落等地質(zhì)災(zāi)害，需持續(xù)監(jiān)控。

結(jié)合6＃測點(diǎn)平面矢量變化，起始點(diǎn)至結(jié)束點(diǎn)的位移矢量變化過程類似于折線閉合循環(huán)的狀態(tài)。自起始點(diǎn)開始，隨著地應(yīng)力分布狀態(tài)的改變，歷史點(diǎn)不斷向外擴(kuò)展，進(jìn)行折線盤旋運(yùn)動。隨著地應(yīng)力重分布，歷史點(diǎn)運(yùn)動不斷向起始點(diǎn)靠攏。在某一時刻取值，位移點(diǎn)矢量變化數(shù)據(jù)記錄停止，系統(tǒng)形成矢量數(shù)據(jù)變化圖，可觀測到一段時間內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)位移平面矢量變化，若結(jié)束點(diǎn)始終不靠近起始點(diǎn)，說明地應(yīng)力狀態(tài)不斷變化，需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及時研判，提出相應(yīng)的安全措施。

6 結(jié)論

利用三維數(shù)值模擬理論研究與實(shí)際監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，短期內(nèi)南泥湖露天礦山邊坡未出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果均表明局部高程臺階坡面的薄弱地段邊坡有一定程度的應(yīng)力狀態(tài)集中現(xiàn)象，該處為重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。隨著開采深度的增加，需對高程臺階邊坡坡面進(jìn)行變形監(jiān)測，不斷優(yōu)化升級高大邊坡監(jiān)測技術(shù)，以保證采場安全有序的生產(chǎn)，在市場化運(yùn)營中以技術(shù)創(chuàng)新、安全高效、管理科學(xué)的優(yōu)勢應(yīng)對未來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。