防邊坡滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)在大煤溝露天礦的應(yīng)用

關(guān)鶴偉

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

露天煤礦一旦邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)失控，采取措施不當(dāng)，很容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)而產(chǎn)生山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害事故[1]。大煤溝露天煤礦自2005 年建礦開采以來(lái)，有記錄的地震33 次?；诖?，為及時(shí)處理大煤溝露天礦邊坡巖體內(nèi)發(fā)生的劇烈?guī)r石動(dòng)力現(xiàn)象，采用邊坡雷達(dá)的方式來(lái)構(gòu)建應(yīng)急預(yù)警體系，通過(guò)預(yù)先布置多組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提前采集震波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)全天候、全時(shí)段、高精度、廣范圍的信號(hào)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取措施撤離危險(xiǎn)區(qū)作業(yè)人員至安全地帶，降低人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)。

1 大煤溝礦邊坡采場(chǎng)工程概況

大煤溝煤礦隸屬于義馬煤業(yè)集團(tuán)青海義海能源有限責(zé)任公司，為國(guó)有獨(dú)資企業(yè)，開采方式為露天與地下聯(lián)合開采。礦山生產(chǎn)規(guī)模130 萬(wàn)t/a，其中露天部分生產(chǎn)能力30 萬(wàn)t/a，井工部分核定生產(chǎn)能力100 萬(wàn)t/a。區(qū)內(nèi)無(wú)地表徑流且遠(yuǎn)離地表水體，巖石呈單斜產(chǎn)狀，礦區(qū)內(nèi)沖溝發(fā)育，多呈“V”字形。礦區(qū)基本地震加速度值為0.10 g，建筑抗震設(shè)防烈度為7 度。根據(jù)對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)的邊坡地質(zhì)條件進(jìn)行研究，主要對(duì)滑坡模式與分區(qū)管理進(jìn)行系統(tǒng)梳理，描述如下：

（1）滑坡模式。采掘場(chǎng)邊坡地層主要由第四系土層和煤層、粗砂巖、粉砂巖、泥巖及砂質(zhì)泥巖等組成。通過(guò)對(duì)大煤溝露天煤礦地質(zhì)資料的收集、整理及分析并結(jié)合其地質(zhì)勘查成果，西部邊坡受巖石層理影響較小，加之坡體結(jié)構(gòu)各巖層物理力學(xué)參數(shù)相差不大，在無(wú)斷裂構(gòu)造影響的情況下邊坡滑坡模式為張裂縫—圓弧型滑坡；東部邊坡坡向與巖層傾向相同，層理面物理力學(xué)參數(shù)相對(duì)巖層較小，其滑坡模式為折線形滑坡。

（2）邊坡分區(qū)。根據(jù)采掘場(chǎng)工程地質(zhì)條件、邊坡幾何形狀和邊坡傾向等因素，將大煤溝露天煤礦邊坡劃分為兩個(gè)分區(qū)，即西區(qū)和東區(qū)。大煤溝礦邊坡分區(qū)圖如圖1。

圖1 大煤溝礦邊坡分區(qū)圖

① 西區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

西區(qū)為采場(chǎng)西部邊坡，坡面形狀為折線狀，最終最大邊坡高度為130 m，坡向與巖層傾向相反。坡體淺部為第四系，厚度約為4～10 m；深部主要由中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及煤巖等巖層組成，巖層裂隙發(fā)育，局部破碎，地下水位埋深約30 m。

選取該區(qū)典型剖面（A-A 剖面）對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，當(dāng)坡高為H=130 m，最終幫坡角α=28°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.378；坡角α=29°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.347；坡角α=30°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.304；坡角α=31°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.231；坡角α=32°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.183。西區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析見(jiàn)表1。

表1 西區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析表

② 東區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析

東區(qū)為采場(chǎng)東部邊坡，坡面形狀為折線狀，最終最大邊坡高度為140 m，坡向與巖層傾向相同。坡體淺部為第四系，厚度約為3～7 m；深部主要由中砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及煤巖等巖層組成，巖層裂隙發(fā)育，局部破碎，地下水位埋深約40 m。

選取該區(qū)典型剖面（B-B 剖面）對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)坡高為H=140 m，最終幫坡角α=24°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.380；坡角α=25°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.352；坡角α=26°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.313；坡角α=27°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.225；坡角α=28°時(shí)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.179。東區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析見(jiàn)表2。

表2 東區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析表

2 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)

我國(guó)大型露天煤礦經(jīng)常采用的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)分為合成孔徑雷達(dá)技術(shù)和真實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)兩種類型。前者是在差分干涉雷達(dá)的技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)在運(yùn)動(dòng)軌道上利用水平方向上的往復(fù)掃描影像來(lái)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；真實(shí)孔徑雷達(dá)則是利用雷達(dá)波的工作原理對(duì)邊坡發(fā)生的微小形變進(jìn)行監(jiān)測(cè)，借助碟形天線的差值干涉方法進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)采集。真實(shí)孔徑雷達(dá)技術(shù)方法具有掃描反射角度大、數(shù)據(jù)采集快、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，很適用于露天煤礦的作業(yè)環(huán)境[2]。

在實(shí)際操作使用時(shí)，真實(shí)孔徑雷達(dá)預(yù)警設(shè)備依靠不斷地發(fā)射較高頻次的雷達(dá)波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡軟巖的連續(xù)性觀測(cè)，以類似像素光斑的方式進(jìn)行漸進(jìn)式來(lái)回掃描，通過(guò)對(duì)前后采集數(shù)據(jù)的信息對(duì)比，從而獲得時(shí)間序列中邊坡位移點(diǎn)的變化速度和移近量等相關(guān)參數(shù)信息，以此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)觀測(cè)和反復(fù)對(duì)比，制作出在時(shí)間軸上有關(guān)位移變化和速度變化的曲線規(guī)律，為后期采取有效措施防范邊坡滑坡以及及時(shí)有效地進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)提供真實(shí)準(zhǔn)確信息。

3 預(yù)警機(jī)制的構(gòu)建

3.1 滑坡成因與過(guò)程

邊坡滑坡實(shí)際上是一種地質(zhì)災(zāi)害的動(dòng)力現(xiàn)象，一旦發(fā)生將會(huì)嚴(yán)重影響露天煤礦的安全生產(chǎn)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于在露天煤礦開采過(guò)程中，邊坡軟巖受到弱巖層流變作用影響，會(huì)導(dǎo)致斜面邊緣地帶成為最不穩(wěn)定、易受擾動(dòng)的脆弱地區(qū)，當(dāng)巖層發(fā)生蠕動(dòng)變形，在脆弱地區(qū)會(huì)產(chǎn)生滑坡、片幫等動(dòng)力現(xiàn)象。結(jié)合大多數(shù)實(shí)際發(fā)生的事故案例進(jìn)行綜合分析，可以總結(jié)出邊坡滑坡大致經(jīng)歷的幾個(gè)時(shí)期，可分為初始變形階段、勻速變形階段，加速變形階段（該階段又分為加速變形的初期、中期和后期），最終導(dǎo)致滑坡。對(duì)應(yīng)產(chǎn)生滑坡的不同演變時(shí)期，也可以將滑坡監(jiān)測(cè)的等級(jí)進(jìn)行劃分，即初始監(jiān)測(cè)期、監(jiān)測(cè)期，從Ⅲ級(jí)到Ⅰ級(jí)的監(jiān)測(cè)響應(yīng)期，直到預(yù)警期等[3]。滑坡過(guò)程與預(yù)警級(jí)別對(duì)照?qǐng)D如圖2。

圖2 滑坡過(guò)程與預(yù)警級(jí)別對(duì)照?qǐng)D

由圖2 中對(duì)比關(guān)系可以總結(jié)出如下規(guī)律：

（1）在初始變形階段滑坡表現(xiàn)為斜坡自由面短期移動(dòng)，發(fā)生的速度快，形變量較小，屬于初級(jí)階段，不具備危險(xiǎn)性。

（2）在勻速變形階段則體現(xiàn)在斜坡自由面在時(shí)間軸線和形變兩方面的持久均衡，持續(xù)在移動(dòng)狀態(tài)，但卻形變細(xì)微，沒(méi)有發(fā)生較大的變化，該階段的危險(xiǎn)性也較低。

（3）加速變形時(shí)期在初期、中期、后期都表現(xiàn)出明顯的形變量增大、形變速度加快的特征，說(shuō)明該時(shí)期內(nèi)部受到的動(dòng)力影響加大，體現(xiàn)在拋物曲線的曲率加大，處于滑坡的邊緣時(shí)刻。該階段危險(xiǎn)性較大，且發(fā)生滑坡具有突發(fā)性和隨機(jī)性，造成的傷害后果最嚴(yán)重。

3.2 危險(xiǎn)級(jí)別劃分

對(duì)危險(xiǎn)級(jí)別的預(yù)警劃分是根據(jù)滑坡在位移量和形變速度方面的反映數(shù)據(jù)快速監(jiān)測(cè)到的失穩(wěn)區(qū)域，結(jié)合橫軸位移時(shí)間關(guān)系，即形變發(fā)生速度上的變化快慢，以及縱軸位移形變量關(guān)系，即形變實(shí)際發(fā)生量的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比對(duì)，從而界定出三級(jí)響應(yīng)預(yù)警機(jī)制[4]。預(yù)警級(jí)別劃分見(jiàn)表2。

根據(jù)表2 中對(duì)于預(yù)警數(shù)值的分析解讀，對(duì)應(yīng)響應(yīng)應(yīng)急處置程序：

表2 預(yù)警級(jí)別劃分表

（1）當(dāng)形變監(jiān)測(cè)量達(dá)到8 mm/h 時(shí)，即啟動(dòng)Ⅲ級(jí)黃色預(yù)警，將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為重點(diǎn)管控，并報(bào)告調(diào)度室等職能部門。

（2）當(dāng)形變監(jiān)測(cè)量達(dá)到15 mm/h 時(shí)，即啟動(dòng)Ⅱ級(jí)橙色預(yù)警，并將該區(qū)域內(nèi)的所有人員進(jìn)行撤離，停止一切生產(chǎn)作業(yè)活動(dòng)。

（3）當(dāng)形變監(jiān)測(cè)量達(dá)到30 mm/h 時(shí)，即啟動(dòng)Ⅰ級(jí)紅色預(yù)警，立即通知全礦井人員停止所有采掘作業(yè)，撤離至地面安全地點(diǎn)。

4 應(yīng)用效果分析

鑒于邊坡滑坡的位移觀測(cè)和移近速度觀測(cè)，結(jié)合預(yù)警機(jī)制的建立，大煤溝煤礦在2020 年9 月23日成功處置一起邊坡滑坡事故。23 日6：00 左右，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示位移移近量數(shù)據(jù)開始出現(xiàn)波動(dòng)上升，直至晚22：00 左右移近量達(dá)到最大值，變形量約為1200 mm。與此同時(shí)，監(jiān)測(cè)到的變形速度數(shù)據(jù)也出現(xiàn)在幾乎同一時(shí)段，在23 日6：00 左右出現(xiàn)異常波動(dòng)，在24 日凌晨00：00 左右達(dá)到峰值，然后急速下降，隨后又出現(xiàn)較平穩(wěn)波動(dòng)，最終變形速率穩(wěn)定在0 到-10 mm/h 左右。說(shuō)明在該時(shí)間區(qū)段內(nèi)邊坡巖體內(nèi)出現(xiàn)較為劇烈的巖石動(dòng)力現(xiàn)象，導(dǎo)致出現(xiàn)滑坡。由于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及時(shí)，采取行動(dòng)有效，最終提前停止采掘作業(yè)，撤離人員至安全地帶，沒(méi)有發(fā)生人身傷害事故，有效避免險(xiǎn)情。位移變化監(jiān)測(cè)圖如圖3，變形速度監(jiān)測(cè)圖如圖4。

圖3 位移變化監(jiān)測(cè)圖

圖4 變形速度監(jiān)測(cè)圖

5 結(jié)論

（1）通過(guò)真實(shí)孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)采場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性和變形量的24 h 連續(xù)監(jiān)測(cè)，確保了動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的有效采集。對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和預(yù)警，為及時(shí)停產(chǎn)撤人爭(zhēng)取寶貴時(shí)間，杜絕邊坡引起的地質(zhì)災(zāi)害事故發(fā)生。

（2）將邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)與礦井日常生產(chǎn)、應(yīng)急處置機(jī)制相結(jié)合，確保了生產(chǎn)的安全高效，也保障了作業(yè)人員的生命安全與健康。