韋忠跟 徐玉龍 丁 輝 楊國(guó)華

（1.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司；3.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司）

近年來(lái)，我國(guó)各大露天礦排土場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，特別是滑坡災(zāi)害，它的危害程度僅次于地震，邊坡安全監(jiān)測(cè)缺乏系統(tǒng)的技術(shù)研究，管理手段不規(guī)范，監(jiān)測(cè)技術(shù)落后，導(dǎo)致事故發(fā)生，造成惡劣的社會(huì)影響。因此，做好排土場(chǎng)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)和預(yù)警，對(duì)控制直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡顯得尤為重要。

霍林河北露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)位于一采區(qū)采場(chǎng)北幫，由于長(zhǎng)期排土作業(yè)，已形成高陡邊坡，加上北幫鼻梁道上部邊坡泥質(zhì)膠結(jié)，波狀層理、裂隙發(fā)育。很容易受地質(zhì)構(gòu)造、地下水運(yùn)動(dòng)、大氣降水及工程擾動(dòng)等因素影響而發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，威脅安全生產(chǎn)。為此，基于北露天礦排土場(chǎng)地質(zhì)情況，分析潛在滑坡模式，并應(yīng)用邊坡雷達(dá)技術(shù)，對(duì)排土場(chǎng)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測(cè)。通過(guò)案例分析北露天礦排土場(chǎng)的滑坡模式，為今后排土場(chǎng)的邊坡設(shè)計(jì)、防治措施提供參考。

1 礦區(qū)概況

霍林河盆地地處大興安嶺南段脊部，是個(gè)山間盆地，海拔標(biāo)高一般在930～980 m。盆地西南高東北低，海拔標(biāo)高在870～940 m，最大高差在70 m左右?？刹稍毫繛?55.32 Mt，核準(zhǔn)產(chǎn)能為1 000萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為41.39 a。

霍林河北露天煤礦所在區(qū)域?yàn)榈蜕角鹆甑孛?，主要有F4和F6斷層，F(xiàn)4斷層位于北露天煤礦區(qū)的東側(cè)，F(xiàn)6斷層位于一、二采區(qū)之間［1］。在地表及淺部由于風(fēng)化作用使巖石變?yōu)橥翣罴坝餐翣睿L(fēng)化層內(nèi)巖土表現(xiàn)為均質(zhì)的致密狀結(jié)構(gòu)，在全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化帶內(nèi)，巖土性質(zhì)不受地質(zhì)構(gòu)造面影響［2］。

2 水文地質(zhì)條件

霍林河為煤田附近的主要水系，發(fā)源于南部罕山北麓，有査格達(dá)布拉格與和熱木特季節(jié)小河匯入，流經(jīng)煤田東緣，折向東流出煤田，在科右中旗高力板附近潛入地下，全長(zhǎng)為250 km?；袅趾釉诒緟^(qū)河谷寬闊，河床平緩。據(jù)位于該河下游的黑大廟水文站1973年4—9月的觀測(cè)資料，最大流量為1.0 m3/s，最小流量為0.37 m3/s。洪水位標(biāo)高，在勘探區(qū)南部為868.85 m，北部為824.15 m。

北露天煤礦內(nèi)主要含水層有3層，分別為第四系砂礫石含水層、煤系風(fēng)化帶含水層和火山碎屑巖裂隙含水層。松散層砂礫石含水層全區(qū)分布，厚度為1.27～47.6 m，單位涌水量為0.134～1.361 L/（s·m）；煤系風(fēng)化帶含水層?xùn)|部較厚，西部較薄，東部平均厚58.078 m，西部平均厚36.79 m，單位涌水量為0.696～1.7 L/（s·m）；火山碎屑巖裂隙含水層分布廣范，集中發(fā)育在地面以下106 m內(nèi)，最低標(biāo)高為+721.702 m，厚度一般為30～40 m，單位涌水量最大可達(dá)46.026 L/（s·m）。各含水層均以大氣降水為主要補(bǔ)給水源。且降水主要集中在6—8月這3個(gè)月。

3 排土場(chǎng)概述

北露天礦內(nèi)排土場(chǎng)排棄物料主要來(lái)自采場(chǎng)邊坡中的粉砂巖、細(xì)砂巖等，排棄物料的巖土物理力學(xué)指標(biāo)：黏聚力為24 kPa，內(nèi)摩擦角為5°，容重為19.1 kN/m3。露天采礦排土場(chǎng)的排棄物一般包括腐植表土、風(fēng)化巖土、堅(jiān)硬巖石以及混合巖土，有時(shí)也包括可能回收的表外礦、貧礦等。排土場(chǎng)事故主要包括排土場(chǎng)滑坡、排土場(chǎng)泥石流、排土場(chǎng)環(huán)境污染等類型［3］。

北露天煤礦劃分為2個(gè)采區(qū)進(jìn)行開采，分別為一采區(qū)和二采區(qū)，采場(chǎng)各幫邊坡巖體均為軟巖，坡體內(nèi)弱層發(fā)育，強(qiáng)度較低；內(nèi)排土場(chǎng)基底為21煤或24煤煤層底板，底板賦存弱層，排棄物料自身強(qiáng)度較低，內(nèi)排土場(chǎng)自2019年7月開始變形，2020年6月6日，靠近一采區(qū)、二采區(qū)鼻梁道附近內(nèi)排土場(chǎng)邊坡變形開始加大，至6月20日累計(jì)位移達(dá)到208 mm，從6月21日—6月27日累計(jì)位移達(dá)到340 mm，在780 m平盤、824 m平盤等多處位置出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，在908 m平盤附近出現(xiàn)多條顯著的裂縫，從6月28日—7月3日累計(jì)位移達(dá)到372 mm，通過(guò)停止排土等措施，自7月3日以后，變形較為緩慢。

4 北礦排土場(chǎng)潛在滑坡模式

北礦排土場(chǎng)邊坡具有其自身的特點(diǎn)：邊坡是由松散的碎石土人工堆積而成，因而在本質(zhì)上可以認(rèn)為是碎石土材料。這類邊坡的穩(wěn)定性不僅取決于材料本身的強(qiáng)度，而且還受到排土場(chǎng)地地表斜率、基底和排棄物性質(zhì)、場(chǎng)地基礎(chǔ)巖土體抗剪強(qiáng)度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動(dòng)水壓力等因素影響。綜上所述，北礦排土場(chǎng)邊坡主要的滑坡模式有5種（圖1）。

（1）沿排土場(chǎng)自然地表接觸面發(fā)生的滑坡（圖1（a））。當(dāng)排土場(chǎng)地的坡度過(guò)大或者當(dāng)自然地表的抗剪強(qiáng)度低于坡體與場(chǎng)地地層的抗剪強(qiáng)度時(shí)，排土場(chǎng)邊坡就容易沿著堆積場(chǎng)地自然地表發(fā)生滑動(dòng)，從而形成滑坡。

（2）沿排土場(chǎng)地下部弱層發(fā)生的滑坡（圖1（b））。若排土場(chǎng)地下部含有軟弱層時(shí)，坡體堆積的自身荷載超過(guò)下部軟弱層的承載能力，排土場(chǎng)邊坡將會(huì)沿著地下弱層發(fā)生滑坡。

（3）排土場(chǎng)邊坡表層的局部坍塌、錯(cuò)動(dòng)（圖4（c））。若邊坡局部的堆積坡度過(guò)大，在其上部繼續(xù)進(jìn)行堆積時(shí)，有可能打破應(yīng)力平衡，從而引發(fā)局部坡體垮塌。

（4）沿排土場(chǎng)邊坡內(nèi)部滑面形成的滑坡（圖4（d））。這類滑坡主要是由于土巖堆積過(guò)程中，摻雜不同巖性的廢棄料，從而降低坡體內(nèi)部材料的抗剪強(qiáng)度，引起滑坡。

（5）泥石流（圖4（e））。由于排土場(chǎng)坡體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)較松散，吸水率高，當(dāng)遇到暴雨等特定的水動(dòng)力時(shí)，就會(huì)激發(fā)邊坡滑坡而發(fā)生泥石流。

5 排土場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

霍林河北露天礦的邊坡監(jiān)測(cè)采用比較傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測(cè)方法對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，GNSS監(jiān)測(cè)需部署在不穩(wěn)定的邊坡上，施工難度大，安裝部署需耗費(fèi)大量的人力物力，監(jiān)測(cè)面覆蓋程度低，只滿足單點(diǎn)監(jiān)測(cè)要求，不能對(duì)整體邊坡進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，所以容易對(duì)邊坡變形的區(qū)域漏報(bào)、誤報(bào)。另外，GNSS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，點(diǎn)位布置較密集，影響采礦作業(yè)活動(dòng)，不能有效而全面地監(jiān)測(cè)邊坡［4-5］。因此，北露天礦為實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的邊坡監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，引進(jìn)MSR（Movement and Surveying Radar）邊坡雷達(dá)預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)北露天礦北幫進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并掌握邊坡動(dòng)態(tài)。

5.1 雷達(dá)部署位置

北露天煤礦自2020年6月引進(jìn)MSR邊坡雷達(dá)，對(duì)西坑北幫940～730 m區(qū)域進(jìn)行24 h不間斷監(jiān)測(cè)預(yù)警。根據(jù)北露天礦采場(chǎng)邊坡變形監(jiān)測(cè)要求，將邊坡雷達(dá)系統(tǒng)部署于西南幫地煤驗(yàn)收部廠區(qū)一采區(qū)南幫上部，位置坐標(biāo)為（5 044 810 m，468 621 m，865 m），主要對(duì)一采區(qū)和二采區(qū)北幫進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，雷達(dá)掃描覆蓋區(qū)域如圖2所示，其對(duì)應(yīng)的雷達(dá)位移云圖如圖3所示。

5.2 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的選取

通過(guò)MSR邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合一、二采區(qū)邊坡現(xiàn)狀，按照位移云圖將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為2個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)MSR邊坡雷達(dá)數(shù)據(jù)，對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域1、區(qū)域2的6—12月位移量及累計(jì)位移量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

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綜上可以得出，在2020年6—12月監(jiān)測(cè)周期內(nèi)變形情況如下。

（1）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域1。該區(qū)域?yàn)槲骺优磐羺^(qū)域邊坡，根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年6—12月的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)累計(jì)位移量為4 835 mm，6月、7月合計(jì)發(fā)生總位移量為1 384.11 mm，日平均位移量約為22 mm。其次，11月發(fā)生較大強(qiáng)降雪，導(dǎo)致內(nèi)部軟弱結(jié)構(gòu)面形成滑面而發(fā)生較大沉降。11月單月位移量達(dá)2 052.3 mm。監(jiān)測(cè)區(qū)域1土質(zhì)主要為黃褐色及淺灰色中、細(xì)砂和黏土，巖性松軟，該區(qū)域正處于蠕動(dòng)變形較大的勻速蠕變階段。

（2）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域2。該區(qū)域?yàn)闁|坑排土區(qū)域邊坡，2020年6—12月的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)累計(jì)位移量為133 mm，月位移值為19 mm，平均速度值為0.03 mm/h，整體邊坡在半年內(nèi)變形量較小，速率變化呈平緩波動(dòng)狀態(tài)，可得出該區(qū)域邊坡均處于勻速蠕動(dòng)變形階段。

7 滑坡預(yù)警案例

2020年11月22日14時(shí)通過(guò)邊坡雷達(dá)顯示北露天煤礦一采區(qū)北幫出現(xiàn)一處異常變形區(qū)域，如圖4所示。

7.1 監(jiān)測(cè)情況

該區(qū)域?yàn)槲骺颖睅?24～890 m區(qū)域東側(cè)，至2020年11月23日14時(shí)變形速度為8 mm/h，24 h位移量為50 mm，并且位移、速度曲線一直呈現(xiàn)加速趨勢(shì)，其變形面積約為120 m×70 m。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，西坑北幫824～890 m平臺(tái)東側(cè)區(qū)域的上部出現(xiàn)橫向裂縫，下部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，已經(jīng)形成滑坡體，如圖5所示。

7.2 臨滑預(yù)警

在雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中，選取代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)方法和條件：滿足位移—相對(duì)時(shí)間曲線比較平滑，曲線無(wú)跳躍。報(bào)警區(qū)域的累積變形值與相對(duì)時(shí)間曲線如圖6所示。

至2020年11月22日20時(shí)變形區(qū)速度達(dá)到16 mm/h，并呈現(xiàn)加速變化，至2020年11月23日2時(shí)變形區(qū)速度達(dá)到30 mm/h，觸發(fā)了邊坡雷達(dá)的紅色報(bào)警，隨即通過(guò)礦調(diào)度室發(fā)布了臨滑預(yù)警指令，通知全礦人員及設(shè)備撤離該區(qū)域。

7.3 滑坡情況

在臨滑預(yù)警指令發(fā)出20 h后，在2020年11月23日22時(shí)異常變形區(qū)域2的變形速度達(dá)到120 mm/h，此后位移、速度變形曲線出現(xiàn)一定程度的放緩趨勢(shì)，速度逐漸回調(diào)至0軸附近，分析該區(qū)域已經(jīng)發(fā)生了明顯的垮塌，之后滑坡體會(huì)趨于穩(wěn)定，如圖8所示。

2020年11月24日14時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)勘查，發(fā)現(xiàn)滑坡體的變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，整體的危害性已經(jīng)降低?；麦w航拍圖如圖8所示。

根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)，滑坡體上監(jiān)測(cè)點(diǎn)均在同一時(shí)刻發(fā)生加速形變，并且滑坡體上各臺(tái)階速度幾乎相等，說(shuō)明滑坡體是以整體坐落式滑動(dòng)。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)量尺，滑坡體滑面法向厚度與該區(qū)域原始地表的排土厚度基本相同，這表明，此次滑坡屬于沿排土場(chǎng)地地表接觸面發(fā)生的滑坡。

8 結(jié)語(yǔ)

霍林河北露天礦采場(chǎng)邊坡內(nèi)排基底順傾，這對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性非常不利，容易發(fā)生沿地表面坐落式滑動(dòng)；邊坡雷達(dá)適用于排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警，并且能有效實(shí)時(shí)監(jiān)控變形區(qū)域滑坡前后的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)；一采區(qū)內(nèi)排土場(chǎng)主要由泥巖構(gòu)成，其穩(wěn)定性受雨雪天氣影響較大，應(yīng)采取地表排水、截水，以及卸載反壓等治理措施；隨著排土作業(yè)的進(jìn)一步推進(jìn)，會(huì)產(chǎn)生新的邊坡問(wèn)題，做好地質(zhì)災(zāi)害防控和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警工作是十分重要的。