张超
矿山边坡安全风险预警与灾害防控应急管理部重点实验室副主任
“假如将一座露天矿山边坡监测数据给到你，你能准确判断边坡什么时候会发生滑坡吗？”这是矿山边坡安全风险预警与灾害防控应急管理部重点实验室（下称矿山边坡应急管理部重点实验室）副主任张超在每次讲到矿山边坡监测时都会问的问题，而他得到的回答无一例外都是：“不能。”
这样的结果并没有让他感到意外。在张超看来，由于矿山边坡地质条件复杂，且边坡类型较多，不同类型边坡失稳过程与破坏启动条件又不尽相同，矿山边坡精准预警成为当下一大难题。为了破局，张超所在的矿山边坡应急管理部重点实验室正在围绕矿山边坡的失稳机理、预警模型、监测预警设备等方面展开研究，力争五至十年内在矿山边坡精准预警方面取得突破，为我国矿山边坡安全风险预警、灾害防控与应急抢险提供理论与技术支撑。去年5月17日，由中国科学院武汉岩土力学研究所、中国安全生产科学研究院共同建设的矿山边坡应急管理部重点实验室在武汉挂牌成立，由中国工程院院士杨春和担任实验室学术带头人。正如实验室名字那样，矿山边坡应急管理部重点实验室的主要研究重心放在矿山边坡预警技术攻关上，旨在解决矿山边坡精准预警的难题。
当前，通过GNSS技术、无人机倾斜摄影测量技术、地面三维激光扫描技术、InSAR技术、边坡雷达、分布式光纤传感监测技术、边坡牛顿力监测技术、测斜仪、渗压计、雨量计等丰富多样的矿山边坡监测手段，矿山边坡实现了全天候、自动化的在线监测，满足了矿山边坡的监测需求。“毕竟边坡在发生失稳前，肯定会有前兆，这些前兆信息通过各种矿山边坡监测手段能够捕捉到，”张超说，“但预警效果距离矿山安全生产需求还有一定的差距。”他指出，目前通过监测数据结合经验阈值进行矿山边坡预警的做法，难以做到矿山边坡精准预警。“因为矿山边坡监测手段捕捉到边坡变化后，这个变化可能会产生滑坡，也有可能不产生滑坡。这时预警阈值如果设置高了，就会出现漏报。如果设置过低，就会出现误报。”
为了保障矿山安全生产，攻克矿山边坡精准预警难题势在必行，而这一重任落在了矿山边坡应急管理部重点实验室身上。如何破局？矿山边坡应急管理部重点实验室有自己的想法：第一步研究失稳机理，分析边坡不同阶段的成因机制；第二步构建预警模型，设立合理的预警阈值；第三步研发监测预警设备，及时发布边坡监测预警信息。“这三步是攻克矿山边坡精准预警难题的关键，只要有一步没做好，矿山边坡就很难实现精准预警。”张超说。
通过结合中国科学院武汉岩土力学研究所在大冶铁矿、海南铁矿、德兴铜矿等大型露天矿山开展的为期二十余年的边坡监测预警研究成果，矿山边坡应急管理部重点实验室在研究失稳机理、构建预警模型、研发监测预警设备等方面取得了初步成效。
在研究失稳机理方面，矿山边坡应急管理部重点实验室一方面初步揭示了露天矿、尾矿库、排土场等不同类型矿山边坡的失稳机理、破坏模式与发展规律，另一方面根据矿山边坡不同的地质结构、坡度、高度、区域降雨量等情况，动态分析了边坡不同阶段的成因机制。“根据动态成因机制，给出边坡不同发展阶段变形破坏的初始阈值。由于矿山边坡不同高度、不同位置受岩性、构造等因素的控制，变形破坏的模式和深度有所不同，边坡预警阈值范围往往差异较大，空间上需要根据实际情况进行分区域设置和调整。”张超补充道。在构建预警模型方面，矿山边坡应急管理部重点实验室通过现场实时监测和数值计算相结合，建立了露天矿、尾矿库、排土场等不同类型矿山边坡灾变预测预警模型，初步得出了合理的矿山边坡预警阈值。
在研发监测预警设备方面，矿山边坡应急管理部重点实验室共建单位中国安全生产科学研究院研发了一系列性能达到国际领先水平的矿山边坡合成孔径雷达，该设备能连续监测开挖过程的多种变形数据，并根据预警的判别准则，及时发布边坡预警信息。
▲矿山边坡应急管理部重点实验室共建单位中国安全生产科学研究院研发的矿山边坡合成孔径雷达
在取得初步成效的同时，矿山边坡应急管理部重点实验室正面临着两大挑战。“一是露天矿边坡受地层岩性和构造的影响，往往会出现完全不同的边坡变形破坏模式，对应的预警模式和阈值也区别较大，这给边坡预警带来很大的挑战；二是大型露天矿山往往范围较大，难以确定合理的监测布置区域以及合理的测点数量，进而无法准确地进行全方位露天矿山边坡监测预警。”张超说。对此，矿山边坡应急管理部重点实验室将结合长周期的监测预警科研项目，深入研究不同类型矿山边坡变形与稳定性之间的关系，揭示边坡失稳破坏全过程演化规律，确定重点监测区域与监测方法，设立合理的预警阈值，以实现矿山边坡精准预警。在谈到矿山边坡应急管理部重点实验室下一步规划时，张超表示，矿山边坡应急管理部重点实验室制定了“一个目标，五个内容”的发展规划。
一个目标，是指矿山边坡应急管理部重点实验室围绕产学研模式、设备与技术的研发、不同阶段监测手段优选、边坡的预警阈值选择、边坡监测预警方法等方面展开研究，力争在矿山边坡监测预警方面形成相关的行业标准或规范，从而有效地指导全国范围内露天矿边坡的监测预警工作。五个内容
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探索科研单位全生命周期参与矿山边坡监测预警的产学研模式、科研探索与生产预警互相促进机制、边坡监测预警信息发布与企业生产联动管理等。2
完善边坡雷达、多功能钻孔测斜、裂缝监测与封堵等实验室专利监测技术与设备的研发，在地质构造和早期变形裂缝识别方面进一步完善无人机照相测量、激光扫描等相关技术的应用。3
研究不同岩性和构造条件下矿山边坡不同阶段的变形破坏特征，给出不同阶段边坡的主要监测手段。4
研究降雨条件下高陡矿山边坡的变形破坏机制的动态变化规律，初步给出不同岩性构造地质背景下高陡矿山边坡变形发展不同阶段的的预警阈值范围。5
研究不同种类的监测数据在边坡监测预警中的相互验证、补充作用，结合地形、岩性与构造背景，给出不同主控因素和多因素监测预警方法建议等。开好局、起好步的矿山边坡应急管理部重点实验室期望未来能够在矿山边坡监测预警工作上谱新篇。“尤其是让矿山边坡预警可以离精准目标更进一步。”张超最后说道。