©金属矿山
我国是世界上为数不多的矿产资源总量丰富且矿种齐全的国家之一，但人均占有量较低，铁、铬、锰等战略性金属矿产资源自给率不高。在复杂多变的国际关系环境下，矿产资源供应已成为制约我国社会经济发展的主要瓶颈问题。为解决此问题，深部矿产资源开采与高寒、高海拔复杂地质条件矿产资源开发已被提升为国家战略，成为保障经济发展的重要举措。金属矿产资源回采是一个效益与风险并存的过程，如若不能妥善处理生产与安全的关系，极易诱发地质灾害，带来不必要的损失。据相关部门统计，2021年我国共发生矿山事故356起、死亡503人，人员生命与财产损失惨重。随着开采向深部及高海拔等恶劣地区转移，地质灾害风险也将显著增加，如何实现生产与安全的动态平衡已成为亟须解决的问题。
地质灾害的发生与岩体的损伤与破裂有关，灾害发生前，岩体往往会出现异常的力学响应，可能成为灾害发生的前兆信息，因此，实时监测岩体力学响应被认为是实现地质灾害预警的重要手段。近年来，伴随着“天—空—地”多维度岩体力学响应感知设备的研发与应用，为协调生产与安全的关系创造了条件。不少大型矿山引入了微震、测力计、位移计等设备，实现了外界扰动下岩体力学响应的实时监测，同时学者们尝试挖掘隐藏在多源数据背后的致灾前兆信息，建立了丰富的灾害预测预警模型，并有部分矿山借助于云计算等技术搭建了矿山灾害智能监测预警平台，实现了监测预警技术的落地，为确保生产安全提供技术保障。
朱万成教授团队从定义、主要特征、类型等方面系统讨论金属矿山地质灾害风险，并就当前金属矿山地质灾害风险监测技术发展现状进行剖析。
一、金属矿山地质灾害风险
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金属矿山地质灾害风险定义与特征
联合国救灾组织（UNDRO）于1982年将自然灾害风险定义为：风险（Risk）=危险（Hazard）×易损性（Vulnerability）。1984年美国滑坡专家VANES将其引入地质工程及灾害科学领域，指出地质灾害风险为灾害产生不良后果的可能性，包括地质灾害发生的可能性及其产生的损失两个方面。此后，国内外学者针对地质灾害风险的定义进行了一系列研究，2005年，FELL提出了涵盖灾害发生概率、灾害体达到承载体的概率、承载体易损性等要素的风险量化公式，得到了国内外学者的认可。针对金属矿山，由于不同学科和领域学者对金属矿山地质灾害风险关注的问题存在差异，使得目前对于金属矿山地质灾害风险的定义还没有统一标准。一般来讲，金属矿山地质灾害风险可以定义为金属矿山生产过程中，由于地质因素（如地质构造、地质体形态、岩性等）和人类生产活动（如采矿、堆放、排水等）相互作用所导致的破坏、危害和损失的概率和程度，其中破坏（易发性）指潜在灾害的发生概率和频率，危害（危险性）指灾害事件对人员和财产的威胁程度，损失（易损性）则指灾害事件对人员、财产和环境的实际损失情况。这些地质灾害包括但不限于滑坡、岩爆、冒顶片帮等。但当前国内发展的金属矿山地质灾害风险监测预警技术，大多侧重于灾害发生时间及空间的预测预警，对于易发性、危险性、风险评价的区分不够明确，甚至存在概念混淆的问题，尚未形成完善的灾害风险评价理论体系，需结合灾害类型，研究灾害危险性及易损性评价方法，完善灾害风险监测、预测、预警理论体系。
金属矿山地质灾害风险是对地质灾害的特征表述或度量，具有普遍性、随机性和时滞性三方面特征：
（1）普遍性。金属矿山地质灾害是地质活动与人类生产活动相互作用的结果，复杂地质条件使得岩体产生渐进蠕变损伤，地震等天然扰动及人类生产等人为扰动不断打破岩体的平衡状态，加剧岩体的损伤程度，随着损伤的不断积聚，地质灾害便会应运而生。因此，从某种意义上讲，金属矿山地质灾害具有普遍性。
（2）随机性。虽然金属矿山地质灾害风险具有普遍性，但灾害的形成和发展受多种自然条件和生产因素影响，致使地质灾害发生的时间、空间、强度以及灾害带来的损失均具有不确定性。该特征主要归因于岩体的非均质性、各向异性以及外界扰动的随机性。
（3）时滞性。金属矿山地质灾害发生的时间往往与矿山开采活动相关，开采的推进会改变地质环境和地应力状态，导致灾害发生时间的变化，但工程实践表明，地质灾害的发生往往滞后于爆破等开采活动，具有显著的时滞性，其本质为蠕变损伤累积和裂隙网络发育的过程。
金属矿山地质灾害的普遍性，决定了灾害风险监测预警的重要性，是工程安全保障的重要组成部分，而且灾害的随机性和时滞性使得灾害发生的时空预测变得异常复杂和困难。
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金属矿山地质灾害类型及影响
我国金属矿山存在种类多、分布广、潜在隐患点突出等问题，且随着开采条件逐渐恶劣，此类问题将愈加严重。生产实践表明：金属矿山主要地质灾害类型包含滑坡、冒顶片帮、突涌水、岩爆等。各类型地质灾害特征如下：
（1）滑坡。滑坡是指边坡的岩土体受自重作用、地表和地下水活动、雨水浸泡、爆破振动、人工切坡等因素影响，在重力作用下沿着一定的软弱面或软弱带，整体或者分散地顺坡向下滑动的现象。在露天矿山，滑坡灾害几乎影响着矿山生产的整个过程。露天矿为了确保经济效益，尽可能加陡边坡降低剥采比是常用的做法，然而边坡过陡会导致滑坡风险增加，从而增加边坡维护成本。根据我国10座大型露天矿山的统计，不稳定或具有潜在滑坡危险的边坡约占边坡总长度的20%，个别矿山甚至高达33%。
（2）冒顶片帮。冒顶片帮指在采动地压作用下巷道和采场顶板围岩发生冒落和边帮围岩发生破坏的现象。随着巷道掘进和回采向前推进，工作面暴露面积逐渐增大，围岩会由于应力的重分布而发生变形破坏，由于顶板围岩的破坏而造成的顶板冒落叫作冒顶，如果冒落的部位在巷道的两帮就叫作片帮。地下矿山造成人员伤亡最多的事故就是冒顶片帮，约30%的矿井伤亡事故与此有关。矿山冒顶片帮常发生于断层破碎带、膨胀岩第四系松散岩层、不整合接触面、侵入岩接触面以及岩体结构面的不利组合地段。冒顶片帮一般包括岩层脱落、块体冒落、不良地层塌落，以及由于采矿和地质结构引起的各种垮塌。在矿山开采或者隧道掘进施工过程中，出现大量岩石冒顶的现象也被称为塌方。特别是矿岩稳定性差的难采矿体及软弱夹层位置，较容易发生较大规模的塌方。
（3）突涌水。突涌水是地下水大量涌入采场和巷道的现象，是地下开采过程中较为常见的地质灾害，突水的水量更大更具破坏性，常出现在断裂构造带、松散岩体等构造发育并富水的地段。突发性大量涌水多是由于违规操作或非正常开采引起的，与采矿作业密切相关。开采扰动诱发的围岩损伤与破裂，往往会使工作面与前方的含水层发生水力联系，进而可能引发突水事故。受水文地质条件影响，有些矿山突水突发性强、规模大、后果较严重。
（4）岩爆。岩爆是处于高应力状态下的脆性围岩的弹性变形能突然释放而产生的岩石破裂、弹出、发声甚至地震等破坏现象。岩爆已成为世界性的地下深井开采中的技术难题之一。之所以难，是因为随着开采深度加大，地压活动及强度趋于显著，并表现出具有瞬间释放大量能量的特点，具有突发性和巨大的破坏性。国内外比较一致的看法是，岩体坚硬且脆性大时，会在高应力作用下储存大量弹性应变能，一旦开挖巷道，破坏岩体的平衡状态，围岩中的应力集中就会使围岩产生破坏，在消耗掉部分弹性变形能之后，剩余能量转化为动能，可造成岩石弹射或突然塌崩，这就是岩爆。由此看来，高应力的聚积和突然释放是岩爆发生的两个条件。如果把高应力的聚积视为岩爆发生的内因，那么开挖爆破产生的动态扰动往往是触发岩爆的外因。
随着我国不少矿山进入深部开采阶段，围岩处于高应力、高地下水压力、高地温（“三高”）条件下，发生岩爆等矿山动力灾害的风险增加，在深部开采条件下开采扰动引起围岩变形损伤与破坏，实际上是岩石在多场耦合条件下的损伤与破裂过程，灾害发生机理及其预警与防控技术的研究，已成为岩石力学理论在采矿工程应用的研究热点。例如，突水是典型的流固耦合问题，研究岩石在流固耦合条件下的渗透演化及其突变规律，是进行突水灾害预测预警与防控的理论基础。
二、金属矿山地质灾害风险监测技术
围绕目前常用的变形监测技术、应力监测技术、水文监测技术、微震监测技术、视频监控技术、采动岩体力学响应多源协同监测技术的发展现状进行梳理和评述。
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变形监测技术
岩体变形是灾害发生最直观的特征，几乎所有岩体稳定性的影响因素最终都会反映在岩体变形之中，因此，变形监测对于分析地质灾害风险与演化规律至关重要。岩体变形监测设备根据施测方式可分为测点型、测线型和测面型3类，三者在监测精度、覆盖范围等方面具有显著差异。
露天矿山地质灾害的变形监测手段较多，通常采用“天—空—地”协同监测方式，实现灾变过程中岩体变形的动态追踪。其中，“天”泛指基于卫星的地表变形监测技术，如高分辨率光学遥感、合成孔径雷达干涉测量等，可大范围、长周期捕获岩体变形特征，具有远距离、非接触等特点，常用于早期隐患识别、中长期趋势监测和危险性评估。“空”泛指搭载在无人机之上的监测设备，如摄影测量、激光雷达、光学遥感等各类型传感器，具有机动灵活性好、测量精度高等优势，可作为卫星遥感技术的补充，用于小区域内的持续观测，满足重点观测区域岩体快速动态监测需求。在“天—空”监测技术基础上，可基本掌握隐患的位置和变形范围，但由于以卫星、无人机等为载体的监测技术重访周期较长，难以满足快速变形阶段数据实时采集需求，无法满足灾害短临和应急处置阶段的监测预警要求。此时，GNSS、测量机器人、地基雷达、光纤等“地”基监测技术显得尤为重要。“地”基监测设备具有高时效特征，主要用于地表变形较为剧烈或高风险地区的实时自动化监测。“地”基监测设备涵盖测点型、测线型和测面型3类，其中测点型监测设备包括多点位移计、测斜仪及GNSS等，可实现地表变形的高精度监测。测线型监测设备中，分布式光纤为代表性设备，可高精度捕获沿光纤方向的位移变化。测面型监测设备包含地基雷达及三维激光扫描仪，其中，地基雷达具有监测范围广、频率高的优点，但因设备较为昂贵，尚未得到完全推广。三维激光扫描技术虽然具有测量精度高的优点，但因存在设备昂贵、数据处理速度慢等问题，很少用于地表变形的动态监测。
相对于露天矿山，地下矿山监测空间更为狭小，适用于地下矿山变形监测的技术手段较少，但相关监测设备也囊括测点型、测线型和测面型3类。测点型监测设备包括滑动测微仪、水准仪、多点位移计等，用于监测巷道围岩单个点位的变形，是地下矿山位移监测的主要手段。测线型变形监测的典型设备为分布式光纤，可连续监测光纤所在位置的位移，是近年来兴起的地下矿山围岩变形监测新技术，具有良好的应用前景。测面型变形监测设备则采用三维激光扫描、近景摄影测量等技术，可对矿山围岩表面进行三维形态扫描，获得局部变形信息。但由于地下巷道测量空间相对较小以及围岩变形持续时间长，使该技术一般被用于巷道三维重构及岩体质量评价等研究，很少被用于岩体变形的实时监测。
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应力监测技术
地质灾害的本质是外界扰动或内部构造变化等因素改变了地质体内部应力状态，使某位置岩体的应力达到或超过强度极限，进而造成损伤积聚，最终出现宏观破坏，因此，监测岩体的应力状态极其重要。相较于变形监测设备，应力监测设备类型有限，且露天与地下灾害监测设备基本一致。目前国内外现场采动应力监测主要基于钻孔应力监测技术，主要包括钻孔应力解除法和钻孔应力计测试方法。应力解除法在采动空间岩体上解除钻孔岩体应力，使其发生膨胀变形，通过测量解除应力后岩体的三维应变，结合岩体弹性模量，根据胡克定律计算出岩体中应力大小和方向，其中，常用的传感器包括KX-81、CSIRO等空心包体应变传感器。钻孔应力测试技术是我国目前工程现场测量采动应力的主要技术，常用的传感器大都以格鲁兹Glotzi压力盒为基础，在外观和信号转换上进行改进，从而发展成钻孔应力计，包括振弦式和液压式应力计两种，采用钻孔探入式固定安装方式。值得注意的是，何满潮院士团队自主研发了具有高恒阻、大变形、超强吸能特性NPR锚杆/索，不仅可有效地控制灾害发生，还可实时监测岩体牛顿力的变化，在露天灾害监测工作中得到广泛应用；该团队进一步探索了设备在地下巷道围岩灾害监测预警中的可能性与有效性，正在逐步将其推广至地下矿山灾害监测工作中，具有广阔的应用前景。此外，近年来光纤等技术的发展，为应力监测提供了新思路。
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水文监测技术
矿山地质灾害的发生往往与区域内水分布特性有密切联系，资源开采造成的水系统失衡（水源、水位及水压异常等）极易诱发水土流失、突水溃砂、滑坡泥石流等地质灾害，强化对水文信息的实时监测有助于避免灾害的发生。传统的地下水水文监测主要是通过水位（水压）、水温、水流量等采集传感器人工定期读取其数据，常规水质监测则是通过人工获取水样后进行实验室检测测定；但随着现代传感器技术、数据采集技术和通信技术的发展，高精度自动测量、采集及动态智能分析、监测预警系统已经逐渐被应用于矿山水文监测中。尤其是在露天矿山水文监测中，自动采集数据可通过GPRS无线网络传输到分析终端完成数据融合分析；井下则更多的是借助于工业环网传输，但随着井下5G技术的发展应用，水文信息的无线采集、传输也将成为井下监测主流。除了以水文直接数据关联的监测方法之外，还借助于瞬变电磁、电法等间接监测手段推演矿山水文特征，进而实现对矿山水文数据的准确获取、掌握，为地质灾害预测预警提供重要支撑。
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微震监测技术
岩体内部裂隙发展、贯通是灾害发生的必要条件，通过实时监测岩体内部微破裂的演化情况可反演岩体损伤破裂状态，为灾害的预测预警提供重要依据。工程尺度上，岩体在变形破坏过程中，局部微破裂的产生往往伴随着弹性波的释放，这种现象通常被称为微震。微震监测技术具有监测范围广、时效性强等优点，是当前面向金属矿山灾害监测设备中最为有效且流行的技术。
基于微震监测技术获取外界扰动下岩体内部破裂源的时空演化特征，是最为直观的岩体损伤破裂表征手段，常被用于空间维度下地质灾害的预测预警。除此之外，微震信号中还蕴含丰富的岩石破裂信息，但被广泛应用于岩体变形破裂过程的指标十分有限，其中，用于表征监测区域应力水平的能量指数、表示震源非弹性剪切变形岩体体积的视体积、表示震源附近应力释放水平的视应力、表示地震活动水平的b值、表示微震源破裂模式的S波-P波能量比是当前常用的微震特征参数。再者，部分学者们从信号角度出发，基于微震全波形信号，通过FFT、HHT等技术完成主频等参数的提取，并证明了主频出现由高频向低频转换可视为岩体灾变前兆。此外，基于矩张量理论的震源机制分析是目前的一个研究重点，越来越多的学者将矩张量反演方法引入岩石力学领域，用以分析岩石、岩体内部微裂隙的力学机制、破裂类型及破裂形态等，取得了显著进展，逐步成为岩体灾变过程分析的重要手段。
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视频监控技术
视频监控是最为传统的矿山生产安全监管技术，常被用于实时监控矿山各个区域的生产活动情况，便于及时发现潜在风险和安全隐患，以确保矿工安全。以往的视频监控技术仅起到生产场景监控的作用，需要监控中心人员主动识别人员不安全行为和环境异常变化，难以保障万无一失。近年来，机器视觉领域的飞速发展，极大地丰富了视频监控的内涵，使其功能由传统的可视化查看转变为智能化识别。使用机器视觉算法强化视频监控技术，完成风险的实时监测、智能评判与识别，已成为金属矿山地质灾害监测预警领域的研究热点。其中，恶劣环境下监控视频增强、人员危险行为识别、围岩变形实时监测、冒顶片帮等地质灾害风险监测技术得到了深入研究，取得了显著进展。
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采动岩体力学响应多源协同监测技术
金属矿山岩层形态多样、地质灾害突出、力学响应信息复杂，单一、传统的监测手段难以实现多维度、跨尺度岩体力学响应信息的动态追踪，无法满足灾害预测预警的需要。基于多源监测设备捕获岩体损伤破裂多模态力学响应信息，可详细反映岩石损伤破裂过程，是灾害早期识别与预警的关键环节，同时也是当前金属矿山地质灾害监测预警领域的热点研究问题。多源采动岩体力学响应协同监测技术是指利用微震、应力、位移及监控影像等多种手段，捕获岩体不同时空尺度下的力学响应特征，并通过信息融合的方法和理论，综合分析多源力学响应信息，全面剖析岩石损伤破裂过程，可显著增强不同信息源数据的可解译性，提高监测的精准度与可靠性。
目前，多源采动岩体力学响应协同监测技术已在金属矿山得到广泛应用。针对露天灾害，尤其是露天边坡滑坡，“天—空—地”协同监测理论与技术得到广泛地研究与发展。总体而言，现有研究思路类似，均采用了协同监测方法，实现了隐患普查、隐患核查、重点区域详查，在一定程度上解决了传统监测方法获取力学响应数据在时间、空间上的不连续问题，为后续进行灾害的预测预警提供了有效数据源，相关研究成果极大促进了滑坡、地表塌陷等灾害监测预警技术的发展。
针对地下灾害，近年来点（锚杆测力计等）、线（光纤等）、面（激光扫描等）、体（微震等）多维度跨尺度采动岩体力学协同监测技术得到了飞速发展。地下灾害的协同监测技术虽然有所发展，但是依旧处于初级阶段，难以保障监测数据在时间—空间维度上的连续性，对于灾害的监测预警主要依赖于微震监测技术，光纤变形监测、激光扫描变形监测等技术虽然具有发展潜力，但是由于井下复杂环境等因素，尚未得到很好的应用推广。
综上，虽然多源多模态采动岩体力学响应信息的协同监测技术得到了长足的发展，但当前尚无完善的协同监测理论，尤其是地下矿山，感知设备的布设大多依赖工程经验，难以充分发挥感知设备的价值。因此，还需进一步完善多感知设备协同监测与数据融合理论体系，实现基于风险条件的感知设备布设方案智能化调整，进一步为采动岩体力学响应的时—空完整性与连续性提供保障。
参考文献（略）
作者简介
朱万成
东北大学二级教授、资源与土木工程学院院长，采矿工程和工程力学专业博士研究生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2016—2020），国家“万人计划”科技创新领军人才（2018—2020），德国洪堡学者（2006—2007），中国青年科技奖获得者（2013），国家重点研发计划项目首席科学家（2022—2024）。从事岩石损伤破坏机理与矿山动力灾害预警及防控技术研究，发表SCI论文100余篇，论著他引12000余篇次，兼任中国岩石力学与工程学会常务理事、国际杂志IJRMMS副主编（2017以来）和《岩石力学与工程学报》《金属矿山》等多个杂志的编委。
朱万成教授一直从事岩石损伤与破裂过程及其诱发矿山动力灾害的机理研究。围绕着“岩体损伤与破裂及其致灾机理”这一科学问题，以“岩体损伤”为主线，考虑岩体结构特征和“三高”赋存环境（可统称为致灾环境）的影响，提出了煤岩体参数及损伤的表征方法，构建了“三高一扰动”条件下岩石损伤与破裂的本构关系，发展了岩石损伤与破裂过程数值模拟方法，通过实验研究和数值模拟研究揭示了“三高一扰动”下岩石的损伤与破裂过程及其诱发岩爆、突水等矿山动力灾害的致灾机理；建立了现场监测与数值模拟相结合的矿山采动致灾过程分析方法，研发了矿山采动灾害风险监测预警云平台，相关成果在河钢石人沟铁矿，山东黄金新城金矿、阿尔哈达铅锌矿，鞍钢矿业弓长岭露天矿、大孤山露天矿,紫金矿业乌拉根铅锌矿、巨龙铜矿等矿山得以应用，用于矿山边坡滑坡和空区垮塌灾害的预测预警，通过现场技术措施的实施，防控了矿山动力灾害的发生，取得了显著的经济和社会效益。
文献来源
朱万成，徐晓冬，李磊，牟文强，宋清蔚，李荟.金属矿山地质灾害风险智能监测预警技术现状与展望[J].金属矿山，2024（1）：20-44.
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