南芬露天矿高陡边坡变形监测及破坏特征研究

康瑞芳 王长军 樊建纬 谢 行 邢洪羽 于 锐

(1.辽宁冶金技师学院冶金系;2.本溪钢铁(集团)南芬露天铁矿;3.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院)

矿山滑坡、崩塌及斜坡崩坍等灾害使露天采矿工程多方面受害［1］。特别是随着露天矿山的开采方式由山坡开采转向凹陷开采，矿山边坡的垂直高度不断增加［2］，严重威胁着采场的安全可持续开采。目前为止，国内外学者对露天矿山边坡稳定性进行了许多探讨，但仍有许多问题尚未解决，因此在矿山开采前和开采过程中，必须加强对采场边坡，特别是高陡边坡的稳定性研究和变形破坏特征的动态监测，争取在边坡变形破坏前第一时间获取破坏信息，及时撤离危险区域施工人员和机械，将灾害损失减小到最低。

1 监测原理及监测系统

1.1 基本监测原理

矿山边坡地表位移极坐标测量法是测量中一种比较实用也比较常用的观测方法，它是通过将仪器架设到己知坐标的稳定点上，利用己知点来定向，观测未知点的水平角、垂直角和斜距，这些观测量和己知点数据来求得未知点的三维坐标。如图1所示。

图1 极坐标法原理

已知点A、B的坐标分别为(XA，YA，HA)、(XB，YB，HB)，未知点C的坐标假设为(XC，YC，HC)，则BA方向的方位角为

而BC的方位角为

那么C点的坐标为

其中，DBC为B、C之间的平距，它可以通过斜距S和垂直角i来计算:

C点的高程可以通过三角高程的方法来求:

其中，i为垂直角;ih为仪器高;ah为棱镜高度。

1.2 监测系统

2009年10月，南芬露天铁矿引进TCA系列全自动全站仪，建立了采场边坡变形全自动监测系统，对采场下盘老滑坡体和斑岩脉两侧破碎带进行自动监测。

徕卡公司生产的TCA系列自动全站仪是当今世界上最先进的测量全站仪，其具有自动识别目标、精确瞄准目标、自动正倒镜测量和自动完成数据采集的功能。TCA2003全站仪属于徕卡TPS1000系列中精度最高、性能最好、智能化与自动化程度最高的全站仪，适合微变形监测和大变形监测［3-5］。

南芬露天铁矿地表位移自动监测系统组成:

(1)TCA2003全站仪;

(2)基准点和变形点;

(3)监测分析软件GEOMOS(图2);

图2 监测系统主界面

(4)温湿度补偿系统;

(5)计算机和专用通讯电缆。

该系统可以自动完成测量周期、实时评价测量成果、实时显示变形趋势等，可24 h不间断对监测目标实施测量。

2 下盘430 m台阶破坏特征分析

2.1 J42监测区破坏特征分析

南芬露天铁矿J42位移监测点位于采场下盘430 m台阶南侧。2012年6月，该点周围地表位移变化破坏过程可以分为3个变形破坏阶段(图3)。

图3 J42位移监测曲线

(1)缓慢位移阶段(AB)。此阶段历时较长，约为40 d，累计位移增长120 mm。

(2)加速突变阶段(BC)。约为10 d，滑体力学平衡被打破，在较短时间内发生较大的位移变化，累计位移增长650 mm，此阶段出现台阶严重塌陷现象。伴随着裂缝的发育，430 m台阶上的堆石顺着边坡滚落到394 m和370 m台阶，由于预警和采取措施及时果断，未造成任何人员伤亡和财产损失。J42监测区地表变形特征如图4所示。

图4 J42监测点破坏特征

(3)减速上升阶段(C点以后)。此阶段一直持续至今，上升速率明显减慢，露天矿决策层根据监测曲线迅速做出恢复开采的决策。

2.2 J32监测区破坏特征分析

南芬露天铁矿J32位移监测点位于采场下盘430 m台阶北侧。2012年4月，该监测点周围地表位移变化过程可以分为4个变形破坏阶段(图5)。

图5 J32位移监测曲线

(1)缓慢位移阶段(AB)。此阶段历时约为25 d，累计位移增长52 mm。

(2)加速上升阶段(BC)。约为45 d，滑体力学平衡被打破，在较短时间内发生较大的位移变化，累计位移增长290 mm。此阶段属于预警阶段，露天矿及时撤离下方采矿设备和人员。

(3)位移突变阶段(CD)。此阶段位移发生突升现象，10 d累计增长150 mm，台阶发生明显塌陷现象。伴随着塌陷灾害的发生，430 m台阶北侧的堆石顺着边坡滚落到394 m和370m台阶。由于预警和采取措施及时果断，未造成任何人员伤亡和财产损失。J32监测区地表塌陷特征如图6所示。

图6 J32监测点破坏特征

(4)减速上升阶段(D点以后)。此阶段位移上升速率明显减慢。

3 下盘526 m台阶破坏特征分析

3.1 J62监测区破坏特征分析

J62位移监测点位于采场下盘526 m台阶中部，从2012年6月28日开始，该监测点发生了显著变化，变化过程可以分为2个阶段(图7)。

(1)缓慢位移阶段(AB)。此阶段历时约为3 d，累计位移增长25 mm，增长速率为0.34 mm/h。

(2)加速上升阶段(BC)。约为11 d，滑体力学平衡被打破，在较短时间内发生较大的位移变化，累计位移增长200 mm。经过现场勘查，发现塌陷区域高度为0.2～0.3 m，最大宽度为25 m，长度为90 m(图8)。此阶段属于预警阶段。

图7 J62位移监测曲线

图8 J62监测点破坏特征

目前，该监测点所在区域处于持续缓慢沉降阶段，并未表现出位移突变或减速上升现象，因此，该区域仍处于潜在滑塌危险区，需要加强监测。

为了不影响扩帮进度，根据目前监测曲线未出现突变或减速增长特征，经过商讨，露天矿决策层决定恢复该区域的扩帮工程，在地表位移监测系统的指导下有计划、有步骤、分区域进行扩帮作业。

3.2 J63监测区破坏特征分析

J63位移监测点位于采场下盘526 m台阶南部，从2012年6月28日开始，该监测点发生了显著变化，变化过程可以分为2个阶段(图9)。

图9 J63位移监测曲线

(1)缓慢位移阶段(AB)。此阶段历时约为3 d，累计位移增长25 mm，增长速率为0.34 mm/h。

(2)加速上升阶段(BC)。约为11 d，滑体力学平衡被打破，在较短时间内发生较大的位移变化，累计位移增长210 mm，塌陷区域塌陷高度为0.8～1.5 m，最大宽度为15 m，长度为45 m(图10)。现场调查发现此处岩石较破碎，从526～430 m台阶整个坡面都堆积的是爆破产生的滚石，此阶段属于预警阶段。

图10 J63监测点破坏特征

4 防治对策

根据上述地表位移监测结果，南芬露天铁矿制定了相应的综合防治对策。

(1)加强对430 m台阶J42、J32号点的监测，密切关注其变化情况，做好及时汇报的工作。

(2)加快514 m台阶的采出工作，尽早采出526 m台阶的塌陷区域，对下面台阶起到减载的作用。

(3)严格控制526 m台阶边缘爆破的工作，尽量减小爆破对台阶稳定性的影响。

(4)做好526 m台阶塌陷区域巡查的工作，及时关注其变化情况。结合下方监测点变化情况，分析边坡的稳定情况，为安全生产提供保障。

(5)建议下雨天停止滑体下方的开采活动，以保安全。

(6)对四期扩帮最终边坡石英斑岩脉两侧不稳定区域尽早实施加固工程，尽早完成574 m台阶排水沟的工程，减小雨水对台阶稳定性的影响，防止最终边坡出现滑坡现象。

(7)对下盘边坡定期进行地形测量，及时更新台阶现状，对边坡稳定分析提供基础数据。

5 结论

(1)南芬露天铁矿地表位移监测技术从某种程度上为露天矿山掌握高陡边坡稳定性的演变特征提供了科学依据。

(2)J32、J42、J62、J63地表位移监测实践表明，基于徕卡自动监测系统的地表位移监测技术可靠性强、监测精度高、操作简便，值得在高陡边坡变形监测领域中推广。

(3)南芬露天铁矿目前正处于三期扩帮四期开采阶段，地表位移监测点屡遭边坡滚石冲击，必须采取一定的措施，对地表位移监测点进行保护，充分发挥其监测性能。

(4)由于地表位移监测具有一定的滞后性，因此，应当将南芬露天铁矿地表位移监测和深部滑动力监测数据进行综合分析，最终得到高陡边坡变形破坏的超前信息，实现真正意义上的滑坡超前监测预警。

［1］ 乔 兰，李 远.露天矿山高陡边坡变形破坏的工程地质模型［J］.北京科技大学学报，2004，26(5):461-464.

［2］ 寇明遥，王永智.露天矿滑坡控制技术的应用与研究［J］.甘肃冶金，2010，32(1):24-27.

［3］ 王长军，谢 行，姚 元.全自动位移监测系统在南芬露天矿的应用［J］.本钢技术，2011(3):4-7.

［4］ 陈志波，等.位移监测在边坡治理工程中的应用［J］.岩土力学，2005，26(增刊):306-309.

［5］ 孙豁然，陈庆凯，赵兴全，等.南芬露天铁矿高陡边坡研究现状与展望［J］.中国矿业，2003(7):41-43.