董蒙蒙

（新疆天池能源有限責(zé)任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

露天煤礦邊坡巖體主要以沉積巖為主，強(qiáng)度較低，層理和軟弱夾層較為發(fā)育，結(jié)構(gòu)類型以層狀結(jié)構(gòu)為主。受礦產(chǎn)資源賦存條件、開采工藝與技術(shù)等因素的限制，傾斜煤層露天礦的開挖必然形成順層邊坡，且大多數(shù)處于非工作幫[1]。隨著開采深度的增加，該類型邊坡的變形失穩(wěn)問題普遍存在，并已成為露天煤礦安全高效生產(chǎn)的重大隱患。新疆、內(nèi)蒙礦區(qū)多個(gè)露天礦煤層底板中常見由軟弱夾層控制的順傾結(jié)構(gòu)面[2]，并產(chǎn)生受該結(jié)構(gòu)面引發(fā)的“撓曲－滑移－坐落”式破壞。如何對該類邊坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警和管理，以保障煤礦安全高效生產(chǎn)，是邊坡工程技術(shù)人員和管理人員亟待解決的關(guān)鍵問題。

隨著科技的發(fā)展，滑坡監(jiān)測技術(shù)和手段亦較為豐富，主要有邊坡雷達(dá)監(jiān)測、GNSS 監(jiān)測、衛(wèi)星遙感解譯技術(shù)、TDR 技術(shù)、INSAR 技術(shù)、分布式光纖邊坡監(jiān)測等[3]。

1 工程概況及地質(zhì)特征

研究區(qū)地處新疆準(zhǔn)東煤田大井礦區(qū)西南部，帳篷溝背斜東翼南部，地層呈走向東北－東、傾向南東－南的單斜構(gòu)造，傾角4°～15°；西側(cè)露頭附近，煤巖層傾角較大，表現(xiàn)為淺部陡、深部緩的變化趨勢。2018 年1 月，新疆天地能源南露天煤礦針對西幫開展了補(bǔ)充地質(zhì)勘查工作。經(jīng)查明：西幫邊坡520 m 水平至430 m 水平煤層底板傾角高達(dá)30°～38°（原西幫設(shè)計(jì)邊坡角為28°）；邊坡巖體主要由泥巖、砂巖和泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，煤層底板賦存1 層黏土質(zhì)泥巖，除上部風(fēng)化帶外，砂巖完整性好，相對較硬；泥質(zhì)粉砂巖為弱膠結(jié)，手捻易碎，呈砂狀，微濕，為主要弱含水層；受其浸泡，泥巖頂板接觸面相對較軟。成巖作用差的弱膠結(jié)泥質(zhì)粉砂巖及受水浸泡的泥巖為西幫主要的弱層。巖體主要是泥砂巖互層結(jié)構(gòu)，弱層間距為2.5～10 m 不等，大部分間距4～6 m，單一巖層內(nèi)層理發(fā)育，使其地質(zhì)條件更為復(fù)雜。上述因素對西端幫邊坡穩(wěn)定極為不利，受其影響，2017—2019 年西幫520 下部邊坡多次出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。

2 雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)

1）IBIS-FM 雷達(dá)。IBIS-FM 雷達(dá)是一個(gè)集合了步進(jìn)線性調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)（LFM-CW）、合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（SAR）、干涉測量技術(shù)、永久散射體技術(shù)的高新技術(shù)產(chǎn)品，主要應(yīng)用于地表變形監(jiān)測（露天礦滑坡、不穩(wěn)定邊坡和冰川等）和建筑物變形監(jiān)測（大壩、橋梁、高塔等），IBIS-FM 雷達(dá)主要參數(shù)及性能見表1。IBIS-FM 雷達(dá)能夠進(jìn)行大范圍面狀監(jiān)測、遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測、全天候?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等，成果直觀快速可靠，及時(shí)對礦山各種危險(xiǎn)區(qū)域做出災(zāi)害早期預(yù)報(bào)，極大地減少或避免災(zāi)害對礦山人民生命財(cái)產(chǎn)造成的損失。己在我國及國外多個(gè)礦山得到廣泛應(yīng)用，對于災(zāi)害早期預(yù)報(bào)和防治具有革命性的意義。

表1 IBIS-FM 雷達(dá)主要參數(shù)及性能

2）雷達(dá)布設(shè)位置和監(jiān)測范圍?；碌谋O(jiān)測應(yīng)該根據(jù)邊坡的具體規(guī)模、變形階段、危險(xiǎn)性等級、監(jiān)測設(shè)備、施工要求等因素的不同而設(shè)計(jì)不同的監(jiān)測方案。為有效監(jiān)測西幫片幫區(qū)域，IBIS-FM 雷達(dá)布設(shè)于南幫520 m 水平，充分保證雷達(dá)發(fā)射的電磁波垂直于區(qū)域坡面，布設(shè)點(diǎn)至監(jiān)測區(qū)域約0.8～1.6 km，監(jiān)測精度及范圍較為合理。

3 淺表順層片幫監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

3.1 片幫現(xiàn)場踏勘

2019 年7 月27 日西幫北側(cè)泥巖發(fā)生垮落，寬約25 m、高約8 m，面積約200 m2，滑體下部厚1 m左右，上部厚約10～20 cm。

3.2 片幫區(qū)成因分析

軟巖順層邊坡的巖體主要由泥巖、黏土巖等組成，一般情況下單軸抗壓強(qiáng)度小于30 MPa。該類邊坡的穩(wěn)定性很大程度上受軟巖的力學(xué)性質(zhì)控制[4-6]。

低傾角邊坡在開挖后，由于卸荷作用，邊坡巖體向坡前臨空方向發(fā)生剪切蠕變，在其后緣易產(chǎn)生自坡面向深部發(fā)展的拉裂縫或使己有的裂縫不斷向下擴(kuò)展，如果有雨水滲入裂隙，將產(chǎn)生強(qiáng)大的靜水壓力，同時(shí)軟巖遇水強(qiáng)度降低。當(dāng)裂隙貫通時(shí)，可發(fā)生小中等規(guī)模的類似土質(zhì)邊坡的蠕滑-拉裂型破壞，破壞面形狀多呈圓弧形。中等傾角邊坡在角度較大時(shí)，多形成滑移-拉裂型順層滑坡角度小時(shí)，則多形成蠕滑-拉裂型圓弧形失穩(wěn)破壞。陡傾角邊坡其傾角一般不超過40°～50°。多數(shù)情況下邊坡的穩(wěn)定性較差，多形成順層滑移-彎曲-潰屈型破壞、順層滑移-前緣剪出型失穩(wěn)破壞和滑移-拉裂型圓弧形破壞等破壞形式。

南露天煤礦西幫490～460 m 區(qū)域于2019 年7月共發(fā)生4 次片幫，片幫區(qū)主要為底板泥巖，由于底板泥巖抗剪強(qiáng)度較小，加之采煤作業(yè)影響，泥巖在自重作用下，沿底板光滑面產(chǎn)生順層滑落，形成的滑體堆積在下部平盤2～5 m 處。以上片幫主要集中在新揭露的底板泥巖區(qū)域，片幫具有前期邊坡變化不明顯、突發(fā)性強(qiáng)、速度快、范圍相對較小等特征。

3.3 雷達(dá)監(jiān)測

坡體表面位移是巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、滑帶巖體強(qiáng)度、地下水等內(nèi)外部影響因素對滑坡作用的綜合反映。開展雷達(dá)監(jiān)測工作對邊坡穩(wěn)定性評價(jià)及預(yù)測預(yù)報(bào)均具有重要工程意義。同時(shí)，坡表位移監(jiān)測具有直觀、簡便、快速等優(yōu)點(diǎn)，亦無需提前開展鉆孔等工作，工作量相對較小，是邊坡監(jiān)測最直接、高效的監(jiān)測手段[7-10]。通過坡表位移監(jiān)測，分析速度變化曲線，來達(dá)到邊坡預(yù)警的目的。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)

通過地質(zhì)勘查結(jié)果分析，西幫490～460 m 地區(qū)為主要的片幫發(fā)生區(qū)，對這個(gè)區(qū)段進(jìn)行監(jiān)測，記錄雷達(dá)速度變化-時(shí)間曲線，分析曲線中存在的特征值并對照此時(shí)的實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象，歸納分析其中規(guī)律，為后期的滑坡預(yù)警提供依據(jù)，

2019 年7 月2 日15：06，西幫472 m 水平靠南側(cè)報(bào)四級紅色預(yù)警，通過查看監(jiān)控，預(yù)警位置位于第1 次472～460 m 片幫北側(cè)偏下，根據(jù)雷達(dá)速度曲線顯示14：11—15：07 內(nèi)速度變化較為明顯，速度由0.244 mm/h 變化至-2.141 mm/h，1 h 變化約2.4 mm。西幫472～460 m 雷達(dá)速度變化曲線如圖1。

圖1 7 月2 日西幫472～460 m 雷達(dá)速度變化曲線

2019 年7 月7 日22：52，7 月2 日西幫西北角470～460 m 速度為－3.423 mm/h，此時(shí)為邊坡變形初期至片幫時(shí)期。根據(jù)相應(yīng)時(shí)段的速度曲線分析此次片幫整體趨勢符合片幫或滑坡速度曲線，此時(shí)西幫西北角470～460 m 發(fā)生片幫。7 月7 日西幫470～460 m 雷達(dá)速度變化曲線如圖2。

圖2 7 月7 日西幫470～460 m 雷達(dá)速度變化曲線

2019 年7 月18 日5：58，西幫490～466 m 報(bào)藍(lán)色預(yù)警，雷達(dá)監(jiān)測人員將預(yù)警區(qū)域圈出，并分析預(yù)警區(qū)域速度變化，根據(jù)雷達(dá)速度曲線3：30—5：58 內(nèi)速度變化較為明顯，速度由－0.009 mm/h 變化至－2.573 mm/h，1 h 變化約2.6 mm。7 月18 日西幫490～466 m 雷達(dá)速度變化曲線如圖3。

圖3 7 月18 日西幫490～466 m 雷達(dá)速度變化曲線

2019 年7 月27 日20：55，西幫北側(cè)480～464 m報(bào)黃色預(yù)警。雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示預(yù)警區(qū)域面積為271 m2，位移量為－2.337 mm，實(shí)時(shí)速度為－3.422 mm/h。21：12 預(yù)警區(qū)域報(bào)藍(lán)色預(yù)警，查看監(jiān)測數(shù)據(jù)位移快速變化至－6.866 mm，實(shí)時(shí)速度為－6.907 mm/h。7 月27 日西幫480～464 m 雷達(dá)速度變化曲線如圖4。

圖4 7 月27 日西幫480～464 m 雷達(dá)速度變化曲線

3.5 雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1）變形階段劃分。根據(jù)4 次片幫雷達(dá)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)邊坡雷達(dá)片幫前后速度預(yù)警曲線具有一定規(guī)律，通過實(shí)際邊坡的滑塌情況和預(yù)警曲線特征值相對照，片幫前后共分為5 個(gè)階段：①邊坡穩(wěn)定期：該階段雷達(dá)速度曲線基本不變，表明邊坡巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不易發(fā)生滑坡；②邊坡變形初期至開始片幫時(shí)期：該階段速度曲線呈現(xiàn)突變，巖體即將發(fā)生位移滑動(dòng)；③片幫區(qū)域劇烈變化時(shí)期：該階段曲線變化較明顯，時(shí)間較短，巖體發(fā)生劇烈滑動(dòng)；④片幫后緩慢蠕動(dòng)時(shí)期：該階段曲線變化幅度較大但變化時(shí)間相對較長，表明巖體在片幫后緩慢滑動(dòng)，逐漸趨于穩(wěn)定；⑤片幫后滑體穩(wěn)定時(shí)期。邊坡雷達(dá)片幫前后速度預(yù)警曲線如圖5。

圖5 邊坡雷達(dá)片幫前后速度預(yù)警曲線

2）監(jiān)測預(yù)警閾值。南露天煤礦邊坡雷達(dá)預(yù)警時(shí)間均處于第②時(shí)期（即邊坡變形初期至開始片幫時(shí)期），屬于超前預(yù)警。根據(jù)成功預(yù)警經(jīng)驗(yàn)，邊坡雷達(dá)一般在片幫前15 min 發(fā)出預(yù)警，預(yù)警時(shí)速度在2.5～3.5 mm/h 范圍內(nèi)，速度變化較為明顯，具體體現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)曲線明顯下滑跡象。

4 結(jié)論

1）新疆天池能源南露天礦西幫底板泥巖邊坡呈現(xiàn)明顯的“撓曲－滑移－坐落”式破壞特征。

2）對于該類型片幫，雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線可劃分為5 個(gè)明顯的階段：①邊坡穩(wěn)定期；②邊坡變形初期至開始片幫時(shí)期；③片幫區(qū)域劇烈變化時(shí)期；④片幫后緩慢蠕動(dòng)時(shí)期；⑤片幫后滑體穩(wěn)定時(shí)期，每個(gè)階段具有不同的特征。

3）新疆天池能源南露天礦西幫的預(yù)警速度設(shè)定在2.5～3.5 mm/h 范圍內(nèi)，可達(dá)到較好的預(yù)警效果。