露天矿山排土场灾害监测系统和预警方法的应用与发展

谢振华

（中国劳动关系学院安全工程系，北京100048）

露天矿山排土场灾害监测系统和预警方法的应用与发展

谢振华

（中国劳动关系学院安全工程系，北京100048）

在现场调研和文献分析的基础上，分析了露天矿山排土场的灾害类型及其主要原因。论述了排土场灾害监测系统和预警方法的应用现状，确定了合理的包括GPS、固定式测斜仪、雨量计、孔隙水压力计、土压力盒等仪器的排土场综合监测系统，提出了基于人工神经网络的预警方法、智能预警支持系统等排土场灾害预警的发展方向。

矿山排土场；灾害监测；监测系统；预警方法

0 引言

我国露天矿山排土场数量越来越多，规模越来越大，每年因为采矿而排放的岩土超过6亿t[1]。排土场排放的是松散岩土，其强度及稳定性都较低。露天矿山排土场如果场址选择不当、地基处理不好、乱采乱挖坡脚、大暴雨等原因，可能会引起排土场滑坡或泥石流事故，造成大量人员伤亡和财产损失。如2008年8月1日，山西省娄烦县某铁矿排土场的滑坡事故造成45人遇难。2014年11月12日，辽宁某铁矿一个废弃的排土场发生缓慢滑坡事故，造成临近的部分企业厂房、设备损毁，供电中断。

露天矿山排土场存在的主要安全问题是设计不规范、不按规则排土、缺乏有效的安全管理等，而且矿山排土场基本上都没有安装监测系统，很难对排土场灾害进行预测和预警。目前，边坡监测系统主要应用在公路边坡、露天矿山采场边坡、尾矿库坝体边坡中，有效预防了边坡灾害的发生。国内外关于露天矿山排土场灾害预警技术的研究相对较少，还没有科学实用的灾害预警方法[2]。在现场调研和文献分析的基础上，论述了露天矿山排土场灾害监测系统和预警方法的应用现状，并对其发展方向进行了预测。

1 排土场灾害类型

排土场灾害主要有滑坡和泥石流。

1.1 滑坡

排土场滑坡是排土场灾害的主要类型，滑坡的类型有3种：排土场内部结构面滑坡、排土场与基底接触面滑坡、排土场基底软弱层滑坡[3]。排土场滑坡的主要原因包括以下5个方面：

1）排土场设计缺陷及建设质量不高。排土场选址不当或者设计不符合规范，导致排土场存在先天事故隐患。排土场在建设初期对质量重视不够，缺乏有效的建设监督管理，未对排土场基地软弱层进行清理或者清理不彻底等，都给排土场滑坡留下了事故隐患。

2）未按管理规范进行排土作业。矿山应该制定排土场排土作业管理规范，并严格执行。违规进行排土作业，如在排土场一定区域中进行岩土混排，会在排土场内部形成软弱面，当堆置的岩土高度过大时，可能导致排土场内部滑坡。

3）排土场的排水设施不健全。地表水和大气降水对排土场的浸润作用是排土场滑坡事故的重要原因，可迅速降低排土场的稳定性。排土场应按规范修建排水设施，并保证其完整、有效。如果排土场的排水设施不健全，暴雨时会有大量地表水渗入到排土场内部，使排土场内部含水处于饱和或过饱和，破坏排土场的平衡状态，很容易形成排土场内部结构面滑坡。

4）人为因素。我国排土场大多处于农村地区，经济欠发达，村民有时在排土场的坡底和两侧采石、取土，滥采滥挖，这将破坏排土场的稳定性。另外，在排土场附近进行爆破作业也会影响排土场的稳定性，导致起排土场滑坡。

5）不可抗拒因素。人力不可抗拒因素有时也会导致排土场的滑坡事故，如大暴雨、地震、海啸等。

1.2 泥石流

按照泥石流的成因，排土场泥石流可分为重力成因泥石流和水动力成因泥石流。重力成因泥石流是排土场岩土受到水的浸润，当达到一定含水量时便转化为粘稠状流体，形成泥石流。水动力成因泥石流是指水流沿陡坡地形急快速流动时，冲刷山谷地带的排土场松散岩土而形成的泥石流。此外，由排土场的滑坡、坍塌也可以转化为泥石流。

矿山排土场的泥石流和滑坡常常同时出现，相互转化，可分为冲刷型泥石流和滑坡型泥石流。矿山排土场在生产过程中产生的大量松散岩土，是排土场泥石流灾害产生的基本条件。由于矿山排土场选址的原因，排土场很容易遭受洪水和暴雨的影响，引发泥石流灾害。

2 矿山排土场灾害监测系统

2.1 排土场灾害监测系统应用现状

通过对国内矿山现场调研以及文献分析，目前公路、大坝、尾矿库等边坡监测系统主要有坡面的大地测量（经纬仪、水准仪、测距仪等），GPS监测，红外遥感监测，合成孔径雷达干涉测量，全站仪监测，钻孔倾斜仪、锚索测力计和水压检测仪，声发射监测等。

目前，我国露天矿山排土场边坡监测系统应用很少，在少数几个矿山主要采用GPS进行监测，如紫金山金铜矿、鞍千矿业有限责任公司等[4-5]，监测指标较少，不能全面、及时反映排土场的安全状况。露天矿山排土场滑坡监测可参照露天矿山采场和尾矿库监测系统，见表1[6]。

表1 国内主要采场边坡及尾矿库监测系统

2.2 排土场灾害监测系统的发展

排土场灾害监测系统的发展方向是采用自动测量技术、计算机技术和通信技术，构建监测、采集、传输、网络为一体的监测预警系统，可以实现多种监测设备的集中式、一体化管理，为边坡安全状况的现地监控、异地监视预警提供方便、快捷、高效的服务。根据我国大中型矿山排土场的实际状况和安全监管要求，提出以GPS监测为主，包括固定式测斜仪、翻斗式雨量计、孔隙水压力计、土压力盒、土壤含水计、应变计、裂缝计等仪器的综合边坡监测系统。某露天矿山排土场边坡监测系统的组成情况见表2。

表2 排土场边坡监测系统的组成

3 排土场灾害预警方法

露天矿山排土场的灾害预警是建立在矿山排土场灾害风险评价的基础上，综合考虑排土场灾害风险评价结果和现场监测的排土场灾害预警指标的变化情况，确定矿山排土场灾害预警等级。

3.1 排土场灾害预警方法的现状

根据现场调研和文献分析，排土场灾害预警主要针对排土场滑坡，其预警方法主要有以监测为主的方法、以内因分析为主的方法、以外因分析为主的方法等3类，其中每种方法下又有许多有代表性的方法。

1）以监测为主的方法。工程实践表明，以监测为主的预测预报效果通常较好。例如，浙江省国土资源厅建立的地质灾害监测预警系统，根据全省1 257个雨量观测站的日降雨量、609处滑坡和泥石流等灾害监测数据，结合监测地区的地层岩性、地质构造、人口分布、土地利用类型等基础资料，开发了集地理信息系统（GIS）与人工神经网络（ANN）于一体的区域滑坡灾害预警系统，能准确预测浙江省地质灾害的发生。以监测为主的预警方法需要满足3个基本条件：①有成熟的监测技术并能保证监测设备的可靠运行；②要有足够的经费支持建立完善的监测系统；③要有快速的数据分析和传输能力。

2）以内因分析为主的方法。目前研究较多，有关滑坡预测预报中的大多数成果都是以内因研究为主，但预测预报效果不很理想。该方法首先是通过现场工程地质调查建立相应的地质模型，其次取样在现场或实验室进行力学试验建立力学模型，再进行极限平衡分析、数值分析等力学分析，最后根据分析结果建立相应的现场监测系统。以内因分析为主的方法计算量都比较大，但预测预报的成功率并不太高。该类方法比较典型的预测方法是可拓理论，可拓理论中的动态模型能很好地拟合像滑坡这样动态变化的复杂系统，在边坡稳定性研究中已有很多成功应用。

3）以外因分析为主的方法。该类方法具有很好的发展前景，但还需加强理论和方法的研究。例如，香港学者李焯芬等提出的滑坡预测预报方法，根据暴雨期容易引发滑坡灾害的特点，建立起基于暴雨量的预报系统，多次成功预报了滑坡的发生。再如，我国国土资源部地质调查局与国家气象中心联合开展的地质灾害预测预报工作，利用气象预报分析降雨对地质灾害的影响，在贵州省已经取得了成功应用。

3.2 排土场灾害预警方法的发展

排土场灾害预警方法的未来发展将立足于排土场安全监测和安全检查的大数据，进行智能化预警，主要发展方向有以下2个方面。

1）基于人工神经网络（Artificial Neural Network，即ANN）的预警方法。ANN利用模拟生物神经元的某些基本功能组件，即人工神经元，按不同的联结方式构建起一个复杂的网络。其目的是模拟人类大脑的某些机能，通过事先不断的自学习，实现准确预测。人工神经网络模型主要由基于BP、基于RBF的神经网络模型，广泛应用于预警指标的评价、非线性的预警模型。ANN对数据的分布要求不高，而且具有自学习、自适应、自组织的特点，能在矿山排土场数据量不大、数据不太完整的条件下成功应用。

2）智能预警支持系统（Intelligent Early Warning Support System，即IEWSS）。预警支持系统是决策系统的重要分支，随着规则推理、模糊推理、案例推理等技术在预警领域的逐渐应用，产生了新的知识表示和推理方法，提出了智能预警支持系统。IEWSS首先根据大量的案例分析得到预警对象的特征描述，建立案例库。然后根据排土场的监测数据，在案例库中检索相似案例，通过对比分析获得排土场的特征信息，对排土场灾害进行预测预警。案例推理过程具有记忆性，对同一个预警问题不用重复相同的分析过程。IEWSS具有自适应、自学习功能，可以进行定性、定量分析和预警。

4 结论

1）露天矿山排土场灾害主要有滑坡和泥石流，滑坡事故最为常见。排土场滑坡事故的主要原因有设计不合理、建设质量不高、生产组织不规范、排水设施不健全、人为因素的影响等。

2）排土场应建立以GPS监测为主，包括固定式测斜仪、翻斗式雨量计、孔隙水压力计、土压力盒、土壤含水计等仪器的排土场综合监测系统。

3）排土场灾害预警方法应立足于排土场安全监测和安全检查，采用基于人工神经网络的预警方法、智能预警支持系统等。

［1］赵洪颖.高台阶排土场安全控制技术的研究［D］.北京:北方工业大学，2012.

［2］王运敏，项宏海．排土场稳定性及灾害防治［M］．北京:冶金工业出版，2011.

［3］黄锦林，赵吉国，张婷，等.基于层次分析法的库岸高速滑坡危险度评价［J］.自然灾害学报，2011，20（5）：95-99.

［4］傅能武.GPS在紫金山金铜矿排土场边坡监测中的应用［J］.现代矿业，2014（9）：159-160.

［5］张德政，陈方明，宋锋.排土场在线监测与智能预测管理系统［C］∥第三届全国数字矿山高新技术成果交流会论文集，2014：65-68.

［6］李青石，李庶林，陈际经．试论尾矿库安全监测的现状和前景［J］.中国地质灾害与防治学报，2011，22（1）：99-106.

【责任编辑：陈毓】

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

谢振华.露天矿山排土场灾害监测系统和预警方法的应用与发展［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：83-85.

2016-07-20

贵州省科技厅项目（黔科合服企［2015］4006）

谢振华（1968—），男，博士，中国劳动关系学院安全工程系教授，研究方向为矿山安全技术、安全管理。