丁 輝

（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.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院）

滑坡是一種常見(jiàn)的地質(zhì)類(lèi)災(zāi)害，滑坡體主要受重力作用控制，另外在地震、暴雨、人類(lèi)作業(yè)活動(dòng)的影響下也可能引發(fā)。據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2015年對(duì)125座露天礦山的信息統(tǒng)計(jì)［1］，500 m以上邊坡占比14%，300～500 m邊坡占比35%，300 m以下邊坡占比51%。隨著礦坑采礦和剝離活動(dòng)的不斷推進(jìn)，在采場(chǎng)和排土場(chǎng)形成高陡邊坡，在爆破、采礦作業(yè)、強(qiáng)降雨等因素影響下，極易引發(fā)邊坡滑坡?；聻?zāi)害具有突發(fā)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性大、后期治理困難等特點(diǎn)，據(jù)2006和2007年一季度統(tǒng)計(jì)，由滑坡坍塌災(zāi)害引起的重大特大事故占比17%以上，其中2006年邊坡滑坡坍塌事故22起，死亡99人。露天礦山滑坡災(zāi)害嚴(yán)重制約礦山安全和經(jīng)濟(jì)效益，安全形勢(shì)仍然嚴(yán)峻。露天礦滑坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警成為廣大專(zhuān)家學(xué)者的重要關(guān)注課題［2］。

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警手段不斷推陳出新，包括經(jīng)驗(yàn)估算、人工監(jiān)測(cè)線、全站儀、GNSS站點(diǎn)、無(wú)人機(jī)測(cè)繪、雷達(dá)監(jiān)測(cè)等。近年來(lái)，雷達(dá)技術(shù)在露天礦山邊坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用也不斷發(fā)展，邊坡雷達(dá)能夠24 h對(duì)目標(biāo)邊坡進(jìn)行掃描，對(duì)雨、霧、塵等惡劣環(huán)境因素的適應(yīng)性強(qiáng)，掃描速度快且監(jiān)測(cè)范圍廣。隨著邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷成熟，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警在國(guó)內(nèi)外眾多露天礦山應(yīng)用，成功預(yù)報(bào)多次滑坡災(zāi)害［3］。

1 預(yù)警原理與流程

1.1 預(yù)警原理

露天礦山邊坡采場(chǎng)和排土場(chǎng)滑坡存在一定的規(guī)律，大量滑坡案例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：滑坡災(zāi)害的發(fā)生會(huì)經(jīng)歷從異常變形到最終失穩(wěn)破壞滑坡的過(guò)程。邊坡巖土體受重力作用影響，在外部因素的誘發(fā)下，其累積位移和時(shí)間演化呈現(xiàn)三階段規(guī)律：初始應(yīng)變階段—等速應(yīng)變階段—加速應(yīng)變階段。邊坡滑坡三階段演化規(guī)律如圖1所示。

階段一為邊坡處在變形的初期，邊坡體產(chǎn)生微小裂縫開(kāi)裂，曲線斜率較大，但隨著時(shí)間的發(fā)展，曲線斜率逐漸減小。

階段二為等速應(yīng)變階段，受重力作用影響，應(yīng)變曲線斜率呈現(xiàn)近似的直線，變形速度有微小波動(dòng)，但整體上基本保持不變，裂縫不斷擴(kuò)展。

階段三為加速應(yīng)變階段，通常分為初加速階段、中加速階段和臨滑階段。該階段應(yīng)變速率呈現(xiàn)不斷增大趨勢(shì)，裂縫貫通并迅速拉開(kāi)直至錯(cuò)開(kāi)，邊坡失穩(wěn)滑坡。

邊坡雷達(dá)預(yù)警原理就是在把握上述變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)各露天礦地質(zhì)條件不同，設(shè)置不同的變形速度預(yù)警閾值。當(dāng)邊坡變形速度達(dá)到預(yù)警閾值時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警提示，提醒防范滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。

1.2 預(yù)警流程

預(yù)警系統(tǒng)通常包含預(yù)警等級(jí)、應(yīng)急小組、應(yīng)急預(yù)案。

（1）預(yù)警等級(jí)一般劃分為4級(jí)，用藍(lán)黃橙紅4個(gè)顏色表示。藍(lán)色為Ⅳ級(jí)，表示低風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率較小，無(wú)需采取進(jìn)一步管控措施；黃色為Ⅲ級(jí)，表示一般風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)較小，需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡檢，礦山現(xiàn)場(chǎng)一線人員和技術(shù)人員需要提高警惕；橙色為Ⅱ級(jí)，表示較大風(fēng)險(xiǎn)，需要采取相應(yīng)措施，預(yù)防可能的災(zāi)害發(fā)生；紅色為Ⅰ級(jí)，表示重大風(fēng)險(xiǎn)，可能已經(jīng)發(fā)生部分災(zāi)害，需要立即停產(chǎn)采取管控措施，調(diào)配人員設(shè)備預(yù)防和處理災(zāi)害影響。

（2）應(yīng)急小組一般由礦山管理層領(lǐng)導(dǎo)任組長(zhǎng)，生產(chǎn)技術(shù)部、調(diào)度中心、監(jiān)控中心、各生產(chǎn)部門(mén)等負(fù)責(zé)人和專(zhuān)家組員，負(fù)責(zé)滑坡災(zāi)害事前預(yù)防、事中應(yīng)對(duì)、事后處理等任務(wù)。

（3）應(yīng)急預(yù)案是根據(jù)預(yù)警等級(jí)的不同，制定詳細(xì)的應(yīng)急處置流程和方案，從組織和管理方面減輕災(zāi)害造成的損失。

隨著邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)在露天礦山的成熟應(yīng)用，逐漸建立起以邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警為發(fā)起點(diǎn)的流程。通過(guò)邊坡雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)注邊坡變形趨勢(shì)，當(dāng)速度值達(dá)到設(shè)置的預(yù)警等級(jí)閾值時(shí)，由應(yīng)急小組啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施。

2 雷達(dá)技術(shù)參數(shù)對(duì)比

邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)根據(jù)工作原理不同分為真實(shí)孔徑雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)。其中應(yīng)用較廣泛的邊坡雷達(dá)包括南非Reutech公司研發(fā)的MSR（Movement and Suvery Radar）雷達(dá)、意大利IDS公司研發(fā)的IBIS（Image by Interferometric Survey）雷達(dá)、澳大利亞Ground Probe公司研發(fā)的SSR（Slope Stability Radar）雷達(dá)、中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院研發(fā)的礦山邊坡合成孔徑雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)S-SAR（Slope-Synethetic Aperature Radar）和內(nèi)蒙古方向圖科技有限公司研發(fā)的微變監(jiān)測(cè)雷達(dá)（Microdeformation Monitoring Radar）等。幾種雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

?

3 工程應(yīng)用案例

3.1 A露天礦滑坡災(zāi)害雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用

A露天礦東西長(zhǎng)6.6 km，南北寬2.2 km，垂直深度為420 m（海拔-357 m），面積為10.87 km2的礦坑。北幫受斷層、西露天向斜、北幫褶曲作用，北幫地層倒轉(zhuǎn)，巖層傾向與邊坡傾向相反，為典型的逆向坡，邊坡穩(wěn)定性較差。

應(yīng)用邊坡雷達(dá)對(duì)北幫邊坡不間斷掃描監(jiān)測(cè)，并針對(duì)雷達(dá)位移變形速度設(shè)置2級(jí)報(bào)警，分別為橙色報(bào)警（5 mm/h）和紅色報(bào)警（10 mm/h）。2020年8月20日0時(shí)開(kāi)始，為邊坡變形初始階段，變形速度不斷增大。2020年8月20日4時(shí)開(kāi)始進(jìn)入等速加速階段，速度變形值在5～10 mm/h波動(dòng)。邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)軟件的三維位移、速度云圖顯示西露天礦北幫重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域（E2350）出現(xiàn)一處異常區(qū)域，該區(qū)域的位移曲線、速度曲線均出現(xiàn)持續(xù)增大趨勢(shì)。異常區(qū)域范圍為寬65 m、高160 m，該處的異常區(qū)域是硬巖變形，有發(fā)生中大型滑坡的可能性，會(huì)對(duì)坑下作業(yè)人員及設(shè)備的安全產(chǎn)生威脅，應(yīng)急小組立即啟動(dòng)了應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。隨著時(shí)間推移，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)軟件顯示異常區(qū)域的變形位移和速度在不斷變大。2020年8月20日17時(shí)開(kāi)始進(jìn)入加速變形階段，變形速度迅速增加，變形速度超過(guò)10 mm/h，觸發(fā)了邊坡雷達(dá)的紅色報(bào)警閥值，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。8月21日2時(shí)，最大變形速度達(dá)到45 mm/h，之后變形速度逐漸縮小至0，滑坡過(guò)程完成，滑坡現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。該區(qū)域發(fā)生滑坡過(guò)程的位移曲線、速度曲線如圖3所示。

3.2 B露天礦滑坡災(zāi)害雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用

B露天礦西幫處于向斜構(gòu)造之上，地勢(shì)西南高、東北低，富含多個(gè)斷層構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜［4］。巖性整體較弱，受凍融、人工采礦活動(dòng)和內(nèi)排土場(chǎng)的不斷加高等影響，邊坡穩(wěn)定性較差。

應(yīng)用邊坡雷達(dá)對(duì)西幫二號(hào)檢修地進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并針對(duì)變形速度設(shè)置橙紅2級(jí)預(yù)警，分別為2和42 mm/h。西幫二號(hào)檢修地836～860 m平盤(pán)于2021年4月7日發(fā)生小規(guī)模片幫，長(zhǎng)度約為40 m，高度約為20 m，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，860 m平臺(tái)東側(cè)裂縫貫通，受力平衡狀態(tài)失穩(wěn)，整體往836 m平臺(tái)錯(cuò)動(dòng)，如圖4所示。二號(hào)檢修地片幫區(qū)域選取邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)，變形位移和速度曲線如圖5所示。4月7日14時(shí)變形速率達(dá)到2 mm/h，觸發(fā)橙色預(yù)警，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案通知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)車(chē)輛人員避開(kāi)該區(qū)域，并組織人員現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生并不斷擴(kuò)展。至16時(shí)速度減小至0.8 mm/h，16—22時(shí)，變形速度不斷加大，從0.8 mm/h增大至4 mm/h，觸發(fā)紅色報(bào)警，應(yīng)急小組下達(dá)指令，夜間禁止車(chē)輛從報(bào)警區(qū)域經(jīng)過(guò)。22時(shí)至次日0時(shí)，變形速度達(dá)到最大值10 mm/h，發(fā)生滑坡。直至8日1時(shí)左右速度逐漸減小并穩(wěn)定在1 mm/h以下，滑坡趨于穩(wěn)定。7日16—20時(shí)為勻速變形階段，位移不斷增大，變形速度幾乎勻速，裂縫不斷增長(zhǎng)。7日20時(shí)至8日0時(shí)為加速變形階段，速度急速增長(zhǎng)，裂縫貫通，受力平衡破壞，滑體失穩(wěn)發(fā)生片幫，從勻速變形至滑坡歷時(shí)8 h。

3.3 C露天礦滑坡災(zāi)害雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)用

C露天煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西北部，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［5］。隨著露天煤礦剝采工程的推進(jìn)，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題愈來(lái)愈突出。采場(chǎng)北幫由于多年的內(nèi)外排土堆積，形成巖性松軟的排土場(chǎng)邊坡，其穩(wěn)定性較差。邊坡雷達(dá)對(duì)北幫邊坡監(jiān)測(cè)，對(duì)速度變形值設(shè)置2級(jí)報(bào)警，分別為橙色報(bào)警（10 mm/h）和紅色報(bào)警（15 mm/h）。

2020年11月22日北幫824～890 m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，發(fā)現(xiàn)異常裂縫區(qū)域。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，變形進(jìn)入加速階段。專(zhuān)家組分析后認(rèn)為發(fā)生滑坡的概率極高。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)的各部門(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)域各項(xiàng)作業(yè)已停止，設(shè)備和人員也撤離完畢。至23日22時(shí)，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2時(shí)滑坡完成，監(jiān)測(cè)區(qū)域速度逐漸減小恢復(fù)正常，滑坡現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。邊坡雷達(dá)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域位移和速度變化曲線如圖7所示。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。

4 結(jié) 論

（1）亞毫米精度的邊坡監(jiān)測(cè)雷達(dá)能夠有效監(jiān)測(cè)邊坡的微小位移變化，其監(jiān)測(cè)范圍廣，受惡劣氣候天氣的影響小，對(duì)露天礦山整體變形趨勢(shì)有較好的監(jiān)測(cè)效果。

（2）邊坡雷達(dá)能夠較好地監(jiān)測(cè)滑坡過(guò)程中的初始應(yīng)變、等速變形階段、加速階段，根據(jù)速度變化值設(shè)置合理的預(yù)警閾值后，邊坡雷達(dá)能夠準(zhǔn)確發(fā)出預(yù)警提醒，為礦山管理人員及時(shí)做出科學(xué)判斷提供數(shù)據(jù)支撐。準(zhǔn)確的預(yù)警和及時(shí)的應(yīng)急響應(yīng)措施，為露天礦山的邊坡安全提供了保障，避免了人員生命安全和經(jīng)濟(jì)效益受到威脅。