李海洋 胡振鹏 田益琳 王克军
摘要：露天金属矿山高陡顺倾岩质边坡滑坡突发性强、临滑预警难度大，传统单一监测、事后处置模式难以实现矿山本质安全。司家营铁矿为超大型鞍山式沉积变质露天铁矿，东帮发育大规模顺倾岩层，2018年强降雨诱发顺层滑坡灾害。以该矿露天采场为工程依托，系统分析四大边帮工程地质条件与典型失稳模式，识别边坡失稳主控诱因；构建空天地一体化多源智能监测体系，详述岩体结构智能识别、差异化减振爆破、立体治水、非线性滑坡预警模型等成套防控关键技术。工程实践表明，监测系统稳定运行1713d，成功预警2次滑坡，未造成人员伤亡与重大设备损毁。研究成果可为同类露天矿高陡顺倾边坡稳定防控提供工程技术参考。
关键词：边坡稳定性；多源监测；智能预警；滑坡防控
0 引言
我国露天开采承担80%铁矿石、50%有色金属矿石开采任务，滑坡地质灾害占露天矿山安全事故74%以上，是制约矿产资源安全开发的核心难题。高陡顺倾边坡岩层倾向与坡面近于平行，软弱夹层、节理裂隙发育，在降雨、爆破开挖、地下水耦合作用下极易发生突发性顺层滑移，临滑前兆信号隐蔽、预警难度极高。传统边坡管控依赖人工现场巡检、单点位移监测，存在隐患识别滞后、多源数据割裂、风险量化能力不足等短板，难以实现灾害源头预判与超前防控。
司家营铁矿矿区铁矿石总储量23.48亿t，是国内三大铁矿区之一，东帮为典型高陡顺倾岩质边坡，2018年台风“安比”强降雨触发大规模顺层滑坡，暴露出顺倾边坡稳定性防控技术短板。矿山依托河北省露天铁矿边坡防护治理技术创新中心，集成无人机遥感、GNSS、边坡雷达、水文传感、数值仿真等技术，构建空天地一体化多源监测预警体系，形成勘察、开采扰动控制、地下水治理、智能预警一体化成套防控技术。
本文以司家营露天采场高陡顺倾边坡为研究对象，厘清边坡地质失稳机理，阐述多源智能监测系统架构与非线性分级预警模型，系统剖析岩体智能识别、减振爆破、立体控水等核心防控技术，并通过长期现场监测数据验证技术体系有效性，为同类顺倾露天边坡灾害防控提供技术支撑。
1 矿区工程地质与边坡失稳机理
1.1 矿山工程概况
司家营铁矿位于河北省滦州市，2007年建成投产，矿床为前震旦系鞍山式沉积变质铁矿床，采场南北长2980m、东西宽1570m，东帮紧邻新河、滦河，地表水系补给充沛，区域发育F4区域性断层，加剧岩体破碎与地下水渗流通道发育。矿区四大边帮岩体岩性、风化程度、水文条件差异显著，其中东帮顺倾边坡为稳定性防控核心区域。
图1 采场地质灾害
1.2 各边帮地质特征与典型破坏模式
1）东帮顺倾岩质边坡
边坡主体为混合岩化黑云变粒岩、黑云变粒岩，局部穿插闪长岩侵入体，岩层下盘、近南北走向，为顺层结构，岩体自然安息角32°~54°；浅部强风化岩体完整性差，岩体质量指标RQD＜21%，深部微风化岩体完整性较好。东侧新河孔隙潜水沿层理面渗入采场，极端工况下日涌水量可达2万m³。边坡潜在破坏模式为顺层平面滑移，2018年N28—N30勘探线+6m~-97m区间发生顺层滑坡，F4断层进一步扩大渗流范围、弱化结构面抗剪强度。
2）西帮复合边坡
上部赋存30~70m第四系粉砂、砂砾冲积层，下部基岩为石英砂岩，岩层呈逆倾结构；第四系孔隙潜水富水性强，粉质黏土为相对隔水层。土质边坡易发生浅层平移滑坡，基岩受节理切割形成楔形滑移体。
3）南帮边坡
岩层走向与坡面垂直，由第四系堆积体、磁铁石英岩、黑云变粒岩夹层组成，岩体质量等级Ⅳ级；局部节理密集带、片理化带发育，渗水点分布零散，以小型楔形垮塌为主要失稳形式。
4）北帮边坡
岩性为太古界磁铁石英岩、黑云变粒岩，岩层倾角50°~65°，断层、片理、不整合界面广泛发育，地下水富水性弱，台阶坡顶易出现局部楔形失稳。
1.3 边坡失稳主控耦合诱因
1）地下水弱化效应
东帮地表水、河水沿顺层节理、断层渗流，填充软弱夹层裂隙，降低结构面有效应力与抗剪强度，同时产生渗透推力；西帮第四系潜水长期软化土体，大幅降低土层抗滑参数，汛期降雨会快速抬升地下水位，短时间触发滑坡。
2）顺倾岩体结构先天缺陷
岩层倾向与坡面同向，层理、片理、软弱夹层连续分布，形成贯通性潜在滑移面，在外部扰动下极易沿结构面整体滑移。
3）爆破开挖振动扰动
常规爆破产生的应力波扩展原生裂隙，贯通深部滑移通道；顺倾坡脚爆破会直接扰动滑移面前缘，降低边坡整体抗滑力。
4）断层与风化带应力集中
F4断层、强风化带为岩体力学薄弱区，开采卸荷后出现应力集中，优先产生微破裂并逐步扩展为宏观滑裂面。
2 空天地一体化多源智能监测系统
针对顺倾边坡隐蔽失稳、多参量耦合演化特征，矿山搭建覆盖地表变形、深部位移、水文、爆破振动的全域监测网络，配套可视化云平台与非线性分级预警模型，实现毫米级变形捕捉与滑坡前兆精准识别。
2.1多维度硬件监测网络
监测体系分为空基、地表、地下三层，实现“点-线-面”全域覆盖，设备布设标准与监测功能如下：
1）地表变形监测：布设44套GNSS自动化位移监测点、2台地基边坡雷达，全域实时采集毫米级表面位移、变形速率数据；
2）深部岩体监测：42个深部位移测孔，东帮顺倾边坡纵向断面间距≤200m，孔内监测点竖向间隔≤50m，捕捉深部滑移面变形；
3）水文气象监测：14个地下水位监测孔、14套孔隙水压力计、1台雨量计，重点布设于渗水、顺层软弱带区域，量化地下水动态变化；
4）爆破振动监测：沿边坡主滑方向布设9台测振仪，量化开采振动对岩体的损伤程度；
5）空基智能巡检：多旋翼无人机倾斜摄影系统、红外热成像仪，定期获取边坡高分辨率实景模型，识别隐蔽裂缝、地下渗水异常区；
6）视频辅助监控：14路高清夜视摄像头，实现边坡24h可视化实时监控。
图2 边坡在线监测平台
2.2 多源数据融合可视化云平台
搭建兼容多厂商传感设备的一体化监测云平台，支持不少于50台移动终端同步在线访问，核心功能模块如下：
1）三维实景建模模块
基于无人机倾斜摄影构建毫米级采场三维实景模型，直观展示监测点位、变形速率分区、地下水渗流区域、危岩体分布，实现边坡空间信息可视化。
2）多源数据融合算法模块
集成地质、采矿、位移、水文、爆破多维度时序数据，构建滑坡非线性演化模型；引入力学参数随机场表征方法，通过空间插值实现岩体黏聚力、内摩擦角全域赋值，支撑边坡力学状态动态仿真。
3）并行力学仿真模块
适配开挖、爆破、降雨复合载荷工况，采用并行计算完成亿级自由度全采场三维岩体力学分析，自动划分边坡风险等级、圈定危岩体隐患区域，实现风险量化分区。
2.3 四级非线性分级预警模型
结合1713d长期监测时序数据与FLAC 3D数值模拟结果，建立蓝、黄、橙、红四级变形预警阈值，匹配边坡变形演化阶段，预警判定逻辑如下：
1）蓝色预警：边坡匀速微小变形，变形速率低于临界阈值，仅需加密人工复核巡检；
2）黄色预警：变形速率小幅上升，匀速蠕变阶段，同步核查地下水位、爆破扰动诱因，局部实施疏水、调整爆破参数；
3）橙色预警：变形加速增长，进入蠕变加速阶段，立即撤离预警区域人员、生产设备，封闭作业通道，24h连续监测；
4）红色预警：变形速率陡增，达到临滑临界状态，全采场人员、设备撤离，全域封控并启动滑坡应急处置。
系统运行期间，依靠分级预警模型成功提前预判2次顺层小规模滑坡，未发生人员伤亡与设备损毁，实现边坡安全管控由事后抢险向主动预判转变。
3 顺倾边坡稳定性防控核心技术
围绕地下水、爆破扰动两大核心失稳诱因，开发岩体精细勘察识别、差异化减振爆破、立体控水三类源头防控技术，从根源抑制边坡变形滑移。
3.1 岩体结构智能精细勘察识别技术
为精准刻画顺倾边坡内部软弱结构面，采用多手段耦合勘察，构建精细化三维地质模型：
1）无人机倾斜摄影联合赤平极射投影：自动识别层理、节理产状，构建三维块体模型，快速判别顺层滑移高风险区域；
图3 顺倾边坡层理结构图
2）钻孔取芯与钻孔电视探测：完成183个地质勘探钻孔，入库4334组RQD岩体完整性数据，划分采场岩体质量分区，量化浅部风化岩体薄弱范围；
3）高密度电法物探：通过温度异常、地层电阻率差异圈定地下渗水通道，区分东、北帮独立水文单元；
4）力学参数随机场表征：基于地质统计插值算法，实现岩体力学参数空间连续分布建模，为三维力学仿真提供基础输入条件。
3.2 差异化精细化减振爆破技术
针对东帮顺倾、西帮逆倾边坡岩体结构差异，开发分区爆破工艺，降低开采振动对保留岩体的损伤。
1）西帮逆倾边坡轴向聚能预裂爆破
预裂孔孔距1.5m、排距4.0m，不耦合装药系数2.4，采用数码电子雷管精准延时起爆；配套轴向聚能装药管优化能量分布。现场测振数据表明，保留岩体垂直地面振动峰值较常规爆破降低51.6%，边坡半壁孔完整率达81%，预裂缝有效阻断爆破应力波向内传导。
图4 预裂爆破设计及效果
2）东帮顺倾边坡变坡面角阶梯靠界爆破
顺倾坡面角分为30°、45°、50°三类动态匹配孔网参数，避免坡脚滑移面受爆破扰动破碎；实施后边坡岩层完整保留率≥80%，有效抑制顺层片帮、浅层滑移。
图5 阶梯孔爆破设计及效果
3）敏感区域液态相变胀裂碎岩
采场临近村庄、重点构筑物区域采用液态CO₂/O₂相变胀裂技术替代炸药爆破，振动幅值大幅降低，累计安全胀裂岩石32万吨，消除爆破扰民与边坡振动损伤双重问题。
3.3 “截-疏-堵-排-测” 立体地下水防控体系
地下水是顺倾边坡失稳首要控制因素，因此构建地表、地下协同控水闭环体系：
1）截：采场境界外修筑2200m截水沟，台阶纵向排水沟总长28000m，阻断地表雨水直接入渗边坡；
2）疏：西帮土质边坡台阶平台布设水平疏水孔，孔深10~30m、孔距5~10m，深层滑动面配套倾斜疏水孔；地表配套降水井持续疏干第四系含水层；
3）堵：东帮临新河区段施工地下连续墙防渗堵水，地下水日涌水量由2万m³降至0.3万m³，堵水效率85%，切断顺层地下水补给通道；
4）排：各级台阶排水沟逐级汇水至坑底主排水系统，汛期配备双回路排水泵组，采场排水全部沉淀循环用于选矿、采场抑尘，水资源利用率100%；
5）测：渗流敏感区域布设水位监测孔，分枯水期、汛期定期对比人工监测与在线监测数据，动态评估控水工程运行效果。
4 工程应用效果分析
4.1 滑坡预警实效
多源智能监测系统连续稳定运行1713d，依托位移、水位、振动多参量融合预警模型，提前捕捉2次顺倾边坡蠕变加速前兆，分级启动橙色预警，及时撤离作业人员与采掘设备，未发生人员伤亡、设备损毁及长期停产事故，验证监测预警体系对顺层滑坡的预判能力。
4.2 边坡稳定性提升效果
1）减振爆破技术应用后，顺倾坡脚爆破振动损伤显著降低，边坡表层裂隙扩展速率下降60%以上，顺层片帮现象得到根本性抑制；
2）地下连续墙、疏水孔立体控水工程实施后，东帮顺层渗流水压大幅衰减，雨季边坡变形速率较治理前降低72%；
3）基于三维并行力学仿真的风险分区管控，实现危岩体提前识别与靶向治理，全采场边坡安全系数稳定维持在规范允许区间之上。
4.3 技术体系适配性
整套“勘察-监测-控水-减振”一体化防控技术，针对顺倾岩层、第四系覆盖层、地下水补给充沛、断层发育型露天矿山设计，技术模块可拆分、工艺可复制，对国内鞍山式沉积变质露天铁矿高陡边坡稳定治理具备广泛推广价值。
5 结论
1）司家营铁矿东帮高陡顺倾边坡主要失稳模式为顺层平面滑移，地下水弱化、顺层岩体结构、爆破振动、断层风化带应力集中是耦合失稳主控因素，地下水为滑坡首要诱发条件；西、南、北帮分别存在浅层平移、楔形垮塌等差异化失稳风险，需分区针对性防控。
2）构建空天地一体化多源智能监测体系，集成GNSS、边坡雷达、水文传感、无人机遥感多维度监测手段，配套多源数据融合云平台与四级非线性预警模型，可实现毫米级变形捕捉、全域边坡风险量化分区，长期工程实践证明系统具备可靠的滑坡超前预警能力。
3）岩体智能精细勘察、差异化减振爆破、“截疏堵排测”立体控水三大源头防控技术，分别从地质识别、开采扰动、地下水弱化三大维度抑制顺倾边坡变形滑移，显著提升边坡长期稳定状态。
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