霍林河露天礦邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制分析

丁 輝

（1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

露天礦山邊坡滑坡是危害性極大的一種災(zāi)害，巖土體在爆破、地震、降雨和人工活動(dòng)影響下，受重力因素控制很容易發(fā)生滑坡，滑坡災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、治理難度大，對(duì)人員生命安全、礦山經(jīng)濟(jì)等帶來(lái)重大破壞和威脅。隨著邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，一系列有效的監(jiān)測(cè)方式如邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)、GNSS 監(jiān)測(cè)、三維激光掃描技術(shù)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等手段被廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的滑坡災(zāi)害被有效的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)[1-5]。

如何結(jié)合邊坡監(jiān)測(cè)手段建立相應(yīng)的滑坡應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，減輕和避免災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷害成為一項(xiàng)重要的實(shí)踐課題[6-10]。為此，以霍林河北露天礦邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警體系和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制為研究對(duì)象，分析監(jiān)測(cè)預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)實(shí)施方面的效果。

1 工程概況

霍林河北露天煤礦位于內(nèi)蒙古霍林郭勒市，礦區(qū)地層由晚侏羅世興安嶺群火山巖系及晚侏羅～早白堊世霍林河群含煤巖系和新生界第三系、第四系組成，礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，褶曲不太發(fā)育[11]。隨著露天煤礦剝采工程的推進(jìn)，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題日益凸顯。特別是采場(chǎng)北幫上部，由于多年的內(nèi)外排土堆積，形成巖性松軟的排土場(chǎng)邊坡，當(dāng)前部分臺(tái)階路面已經(jīng)出現(xiàn)裂縫、底鼓、沉降跡象。因此建立切實(shí)有效的邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，制定完善的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，避免邊坡災(zāi)害帶來(lái)的生命安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失，成為礦山關(guān)注的重要問(wèn)題之一[12]。

2 邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

露天礦山邊坡監(jiān)測(cè)的主要方式有人工巡檢、GNSS 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)、三維激光掃描、無(wú)人機(jī)、INSAR 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)和邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)等方式。通過(guò)比對(duì)，北露天煤礦采用邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)對(duì)露天礦邊坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成了以邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)為主，GNSS 站點(diǎn)監(jiān)測(cè)為輔，兼顧無(wú)人機(jī)三維測(cè)測(cè)繪和現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢的監(jiān)測(cè)預(yù)警體系。

2.1 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)是21 世紀(jì)以來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)的原理是通過(guò)向邊坡目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收回波，計(jì)算目標(biāo)與雷達(dá)方向的距離，通過(guò)周期性掃描獲取數(shù)據(jù)，計(jì)算位移和速度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)通過(guò)測(cè)量各個(gè)最小監(jiān)測(cè)單元在雷達(dá)方向上的位移變化，由點(diǎn)組成面，運(yùn)用一定的算法可計(jì)算監(jiān)測(cè)區(qū)域平均位移變化。通過(guò)設(shè)置位移和速度預(yù)警閾值，在數(shù)據(jù)達(dá)到相應(yīng)等級(jí)時(shí)觸發(fā)報(bào)警落下去提醒，及時(shí)告知相關(guān)人員關(guān)注邊坡變化情況。

邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)具有監(jiān)測(cè)范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)，北露天煤礦根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，應(yīng)用邊坡雷達(dá)對(duì)滑坡風(fēng)險(xiǎn)較大的西坑北幫排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)2021 年1 月1 日—2021 年7 月31 日監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測(cè)區(qū)域位移曲線變化圖如圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)區(qū)域位移曲線變化圖

從圖1 可以看出，該時(shí)間范圍內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅲ，位移變化量波動(dòng)不大，且位移量較小，區(qū)域內(nèi)邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。而重點(diǎn)區(qū)域Ⅱ的位移變化量波動(dòng)較大，且位移量較大，從整體上需要加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域邊坡的關(guān)注程度。

2.2 GNSS 監(jiān)測(cè)

GNSS 站點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)包括x、y、h、2D 和3D 5 個(gè)位移數(shù)值，其中：x 為東西方向位移；y 為南北方向位移；h 為垂直高度方向的位移；2D 為水平方向上x(chóng)和y 的矢量位移；3D 為空間中xyh 的空間矢量位移。GNSS 監(jiān)測(cè)站點(diǎn)部署在重點(diǎn)關(guān)注的排土場(chǎng)、運(yùn)輸干線和變形區(qū)。對(duì)1 號(hào)～7 號(hào)站點(diǎn)的水平位移和高程位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，GNSS 位移曲線變化圖如圖2。

圖2 GNSS 位移曲線變化圖

從圖2 可以清晰看出各個(gè)站點(diǎn)的月位移量變化值和位移突變情況。其中7 月份高程位移有明顯增加趨勢(shì)，由于進(jìn)入雨季，隨著降雨量的增加，邊坡穩(wěn)定受到一定的威脅，3 號(hào)站點(diǎn)在3 月份水平位移有突變現(xiàn)象，需要根據(jù)實(shí)地情況判斷突變?cè)颉?/p>

2.3 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)

應(yīng)用無(wú)人機(jī)三維測(cè)繪技術(shù)，建立露天礦山三維模型，每月更新1 次礦區(qū)三維模型，方便應(yīng)用人員監(jiān)視各工作面推進(jìn)進(jìn)度和作業(yè)完成情況。

3 邊坡災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制

北露天礦依托監(jiān)測(cè)預(yù)警體系，建立礦山邊坡災(zāi)害監(jiān)控中心，組建邊坡災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)小組。以邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警為報(bào)警發(fā)起點(diǎn)，以應(yīng)急響應(yīng)小組為管理決策點(diǎn)，以調(diào)度中心為指令中樞。

1）組織構(gòu)成與分工。礦山組建邊坡災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)小組，由管理層任組長(zhǎng)，技術(shù)總工為副組長(zhǎng)，組員由監(jiān)控中心人員、調(diào)度指揮人員、技術(shù)專(zhuān)家、生產(chǎn)技術(shù)員、測(cè)繪員等組成。

組長(zhǎng)和副組長(zhǎng)是決策者，負(fù)責(zé)事件整體把控和決策指令的下達(dá)。組員的構(gòu)成由多個(gè)部門(mén)的成員組成，涵蓋一線工作者、技術(shù)人員和專(zhuān)家，人員數(shù)量最多，涵蓋專(zhuān)業(yè)最廣。測(cè)繪人員和生產(chǎn)技術(shù)人員是露天礦坑最直接的接觸者，熟悉礦坑實(shí)際變化情況，獲取一線數(shù)據(jù)；監(jiān)控中心人員是所有數(shù)據(jù)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)者，實(shí)時(shí)和周期性觀測(cè)數(shù)據(jù)并記錄；專(zhuān)家負(fù)責(zé)對(duì)匯總的數(shù)據(jù)系統(tǒng)和專(zhuān)業(yè)分析并提供建議；調(diào)度中心負(fù)責(zé)指令的下達(dá)與反饋。

2）預(yù)警機(jī)制與措施。根據(jù)露天礦地質(zhì)情況和歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立露天礦黃橙紅三級(jí)預(yù)警，黃色預(yù)警5 mm/h，橙色預(yù)警10 mm/h，紅色預(yù)警15 mm/h。由于邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)覆蓋面廣、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、靈敏度高等特點(diǎn)，由邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)的位移變形速度作為預(yù)警閾值的主要控制點(diǎn)。具體為：①黃色預(yù)警應(yīng)對(duì)措施：現(xiàn)場(chǎng)工作人員加強(qiáng)對(duì)本崗位區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行觀察、巡視，對(duì)安全狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)；②橙色預(yù)警應(yīng)對(duì)措施：現(xiàn)場(chǎng)工作人員立即停止作業(yè)，停止運(yùn)行中的設(shè)備，人員和設(shè)備迅速撤到安全地點(diǎn)避險(xiǎn)，沒(méi)有恢復(fù)命令，不得返回原位；③紅色預(yù)警應(yīng)對(duì)措施：現(xiàn)場(chǎng)所有工作人員以最快的速度按疏散路線撤離危險(xiǎn)區(qū)域。

3）應(yīng)急響應(yīng)流程。應(yīng)急響應(yīng)流程如圖3，各類(lèi)監(jiān)測(cè)手段獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心，監(jiān)控人員實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各類(lèi)數(shù)據(jù)的變化，并根據(jù)三級(jí)預(yù)警機(jī)制判斷下一步流程。調(diào)度中心接收監(jiān)控人員的匯報(bào)并負(fù)責(zé)上報(bào)信息和下達(dá)指令。管理決策層根據(jù)調(diào)度中心匯報(bào)的信息，綜合各部門(mén)的實(shí)際情況作出關(guān)鍵性判斷，并下達(dá)指令。

圖3 應(yīng)急響應(yīng)流程

4 案例分析

北露天礦西坑北幫上方為排土形成的軟巖邊坡，邊坡體蠕動(dòng)變形明顯，是邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)和人工巡檢的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。2020 年11 月22 日北幫邊坡824～890 m 水平平盤(pán)，邊坡體蠕動(dòng)變形速率開(kāi)始增加，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)位移和速度不斷增加，監(jiān)控人員將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)給技術(shù)人員并通知現(xiàn)場(chǎng)巡檢。

22 日14 時(shí)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)異常變形區(qū)域內(nèi)平均位移速度達(dá)到10 mm/h，觸發(fā)橙色報(bào)警，監(jiān)控中心人員立即上報(bào)礦方調(diào)度室，同時(shí)將數(shù)據(jù)上報(bào)給專(zhuān)家組，專(zhuān)家組經(jīng)綜合分析認(rèn)為該處邊坡長(zhǎng)期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)前有裂縫和底鼓現(xiàn)象，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示位移和變形速度正在持續(xù)增加，專(zhuān)家組認(rèn)為邊坡失穩(wěn)的概率極高。

同時(shí)，專(zhuān)家組的結(jié)論和建議上報(bào)給調(diào)度人員。調(diào)度人員將匯總的信息統(tǒng)一上報(bào)管理決策層，管理決策人員下達(dá)命令，暫停該區(qū)域附近的一切作業(yè)活動(dòng)，撤出作業(yè)區(qū)內(nèi)人員和設(shè)備，禁止車(chē)輛進(jìn)出該區(qū)域，做好應(yīng)急準(zhǔn)備。命令由調(diào)度室通知各作業(yè)區(qū)各部門(mén)相關(guān)作業(yè)人員，嚴(yán)格執(zhí)行。

變形區(qū)域變形位移不斷增長(zhǎng)，且變形速度直線上升，很快觸發(fā)紅色報(bào)警并持續(xù)發(fā)展。此時(shí)，該區(qū)域附近各項(xiàng)作業(yè)已停止，設(shè)備和人員也撤離完畢。至23 日22∶00，最大速度達(dá)到120 mm/h，坡頂有較大裂縫，下部有剪出滑動(dòng)。直至24 日02∶00，監(jiān)測(cè)區(qū)域速度逐漸減小恢復(fù)正常。24 日白天經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢和邊坡雷達(dá)持續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域變形無(wú)繼續(xù)發(fā)展趨勢(shì)，報(bào)警解除。報(bào)警解除后，管理決策人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際影響情況，組織人員和設(shè)備對(duì)滑坡影響區(qū)域進(jìn)行清理和修復(fù)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀測(cè)，確定無(wú)異常變形區(qū)和二次災(zāi)害影響的前提下，有序恢復(fù)該區(qū)域的作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究了霍林河北露天礦邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警體系構(gòu)成及應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制的運(yùn)行效果，介紹了監(jiān)測(cè)預(yù)警體系常用的監(jiān)測(cè)手段和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制；分析了邊坡雷達(dá)、GNSS 監(jiān)測(cè)、無(wú)人機(jī)等監(jiān)測(cè)手段在滑坡災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中的監(jiān)測(cè)預(yù)警作用，分析了應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制的組織構(gòu)成、預(yù)警機(jī)制、應(yīng)對(duì)措施和實(shí)施流程；并進(jìn)行了案例分析。結(jié)果表明：北露天礦邊坡雷達(dá)等監(jiān)測(cè)手段能有效預(yù)報(bào)預(yù)警滑坡災(zāi)害，應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制合理、運(yùn)轉(zhuǎn)流暢。