排土场位移监控系统在安全生产中的应用

　　一、引言

    2008年8月1日，山西省太原市娄烦县尖山铁矿排土场发生特别重大跨塌事件，造成45人遇难。十几年前，福鼎玄武岩矿山废石场也发生过滑坡事件，造成一定的人员伤亡和财产损失。如何防范矿山排土场的跨塌、滑坡灾害，保障人民生命财产安全，已经成为非煤矿山企业经营者的一个十分严峻的重大课题。

    福鼎玄武岩矿山由于开采初期历史的原因，废石场地段长达近1000米，由于废石场的高位势能得不到释放，加之特殊的地质条件，因而埋下了滑坡隐患，成为矿山的一个重大危险源，存在着随时可能发生跨塌、滑坡的安全生产事故。而且排土场各地段发生跨塌、滑坡的风险概率具有随机不确定的特征。

    为了使制定排除重大安全隐患应急预案有科学依据，防患于未然，有效地控制排土场避免发生跨塌、滑坡灾害。2000年，福鼎玄武岩矿山建立了一套矿山排土场位移监控系统。该系统投八运行以来，我们掌握了矿山排土场各地段动态位移的准确信息，使重大安全隐患优先治理的事故处理原则有了科学的决策依据，并曾经成功地预报并防范了一次排土场潜在的滑坡危机，收到了良好的效果。

    二、排土场位移监控理论机理简介

    排土场发生位移是因为排土场内的固体排弃物受外界因素的诱发而获得的了产生位移的动能。根据能量平衡定律。滑体得到的动能等于滑体损失的位能与克服滑体移动摩擦阻力所作的功之差。

    摩擦系数f值决定了排土场滑体的抗下滑力。足够大的摩擦系数是保障排土场隐定的前提条件。

    摩擦系数f值是个变量。由于大气降水下渗，加之地下水的作用，在排土场内部形成渗水流，增加了排土场土岩中的静水压力和动水压力，从而使排放的固体排弃物与土岩接触面的f值逐渐减少，降低了土岩的抗剪强度；另外，有的排土场原始山坡植被发育，残积土层厚，在排放过程中又不注意土、石分弃，因而增强了排弃物亲水性，在渗流水的作用下很容易软化，而形成滑体的软弱层。从而进一步加剧了f值的下降速度。当摩擦系数f值下降到其临界点(即f＝tgα)时，将产生滑体整体突发性跨塌并形成“雪崩式”的连锁反应，即泥石流跨塌灾害。

    f值的变化不是瞬间完成的，它的变化有一个过渡过程，由此而引发的滑体位移亦有一个从“渐变”到“突发”的过程。在这个过渡过程中，人们完全可以通过对排土场动态位移的准确监控达到对排土场跨塌、滑坡风险预报的目的，从而进行科学的风险评价，从不确定的风险场中确定出高风险段，在其滑坡“渐变”的过渡过程中争取足够的时间进行应急处置，及时有效地防范和控制排土场出现的险情，将跨塌、滑坡灾害消灭在事故萌芽状态。

    三、监控系统在安全生产中的应用

    根据排土场滑坡产生机理，2000年，我们在矿山建立了一套排土场动态位移监控系统，在矿山东坡、北坡、南坡三个原历史遗留下来的顺坡排弃的废石场敏感部位建立控制点，引进日本进口的电子全站仪，分别以三个固定点三维坐标为测量基点，测量控制点的三维坐标。专人操作，周期测量(每十日一次，暴雨后加密测量)，通过测量掌握其动态位移，成功地预报并防范了一次排土场潜在的滑坡危险，收到了良好的效果。

    2000年12月至2001年2月间，检测数据表明北坡原废石场位移较为明显。该废石场高程在+502m至+380m之间，其前后缘相对高差122m，轴向长约250m，横向宽约150m。人工堆积的废石分布于原始坡度比较陡峭的山坡上，矿山开采早期废石任意排放，顺坡堆积，形成了人工石锥群约30万立方米，其巨大的荷重对山坡前缘及下部残积土产生巨大的水平及垂直推力，致使近30万m。滑体产生位移变形。监测数据如下表所示(其中N，点处于前缘位置，N4、N5点处于后缘位置)。

    准确的监测数据表明滑体目前正处于一种平衡与不平衡的极限状态中。从监控数据表可以看出，从1月23日至2月4日不足半个月的时间段内，滑体前缘向正北方向移动了0.4米，而滑体后缘向正北方向移动了1.2米。前后缘均有移动说明了位移不是局部的崩塌，而是滑体在整体下滑。而且如此大范围的位移说明了滑体正承受着巨大的水平推力，滑体有可能处于全面跨塌的“临界”状态。如果不及时启动排除重大事故隐患应急措施，滑体的“渐变”过程将有可能在强降雨或持续降雨的作用下产生突发性下滑。科学的风险评价机制的建立给我们赢得了处置重大安全隐患的宝贵时间，同时也给我们提供了制定排除这种重大安全隐患的方案的科学决策依据。在启动处理应急预案的过程中，一方面我们采取了及时汇报、公布险情、封锁道路、严密观测的应急措施。同时寻求技术支持，委托富有地灾处理经验的省地质工程勘察院进行以下勘察分析：(1)因时间紧迫，在不采用物探手段的条件下根据目前场地情况最大限度地查明废石场的地质条件。(2)综合分析近段时间位移监控数据，对废石场进行稳定性分析及推力计算。(3)对卸荷减载可行性具体方案提出具体的可操作的咨询意见。在省地勘院有关专家的指导下，对废石场滑坡特征进行分析，进而对位移变形的成因进行探讨，最后形成了如下结论：(1)滑体由矿碴和残坡积土组成，滑坡面位于残坡积土中；(2)滑坡面积约3 7万m2，涉及方量约37万m3，属推移式大型滑坡；(3)滑体目前正处于平衡与不平衡的极限状态中，在诱发因素的作用下，将可能产生整体下滑并形成泥石流。根据对险情分析的结果，立即采取卸荷减载压脚的紧急治理措施，用数月时间彻底排除了滑坡隐患。

    四、结束语

    排土场是露天开采矿山的重大危险源之一。在矿山建立起排土场动态位移监控系统，利用观测得到的排土场碴、土的位移量和位移速率，并进行推力计算和稳定性分析，根据分析的结果可以判定排土场的碴、土是否存在跨塌、滑坡的危险，制定采取相应的技术措施，是有效防范排土场发生跨塌、滑坡事故的方法手段之一。