丁 輝

（1.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.中國礦業(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，對人員生命安全、礦山經(jīng)濟(jì)等帶來重大破壞和威脅。隨著邊坡監(jiān)測技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，一系列有效的監(jiān)測方式如邊坡雷達(dá)監(jiān)測、GNSS 監(jiān)測、三維激光掃描技術(shù)和衛(wèi)星監(jiān)測等手段被廣泛應(yīng)用，越來越多的滑坡災(zāi)害被有效的監(jiān)測和預(yù)報[1-5]。

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

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)定性問題日益凸顯。特別是采場北幫上部，由于多年的內(nèi)外排土堆積，形成巖性松軟的排土場邊坡，當(dāng)前部分臺階路面已經(jīng)出現(xiàn)裂縫、底鼓、沉降跡象。因此建立切實有效的邊坡監(jiān)測預(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)注的重要問題之一[12]。

2 邊坡監(jiān)測預(yù)警體系

露天礦山邊坡監(jiān)測的主要方式有人工巡檢、GNSS 站點監(jiān)測、三維激光掃描、無人機(jī)、INSAR 衛(wèi)星監(jiān)測和邊坡雷達(dá)監(jiān)測等方式。通過比對，北露天煤礦采用邊坡監(jiān)測雷達(dá)對露天礦邊坡實時監(jiān)測，形成了以邊坡雷達(dá)監(jiān)測為主，GNSS 站點監(jiān)測為輔，兼顧無人機(jī)三維測測繪和現(xiàn)場人工巡檢的監(jiān)測預(yù)警體系。

2.1 邊坡雷達(dá)監(jiān)測

邊坡雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)是21 世紀(jì)以來逐漸發(fā)展起來的新技術(shù)，邊坡雷達(dá)監(jiān)測的原理是通過向邊坡目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收回波，計算目標(biāo)與雷達(dá)方向的距離，通過周期性掃描獲取數(shù)據(jù)，計算位移和速度等參數(shù)實現(xiàn)對邊坡的實時動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警。

邊坡雷達(dá)監(jiān)測通過測量各個最小監(jiān)測單元在雷達(dá)方向上的位移變化，由點組成面，運(yùn)用一定的算法可計算監(jiān)測區(qū)域平均位移變化。通過設(shè)置位移和速度預(yù)警閾值，在數(shù)據(jù)達(dá)到相應(yīng)等級時觸發(fā)報警落下去提醒，及時告知相關(guān)人員關(guān)注邊坡變化情況。

邊坡雷達(dá)監(jiān)測具有監(jiān)測范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)和實時監(jiān)測等特點，北露天煤礦根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)特點，應(yīng)用邊坡雷達(dá)對滑坡風(fēng)險較大的西坑北幫排土場邊坡進(jìn)行重點監(jiān)測。對重點監(jiān)測區(qū)域內(nèi)2021 年1 月1 日—2021 年7 月31 日監(jiān)測周期內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，監(jiān)測區(qū)域位移曲線變化圖如圖1。

圖1 監(jiān)測區(qū)域位移曲線變化圖

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

2.2 GNSS 監(jiān)測

GNSS 站點位移監(jiān)測包括x、y、h、2D 和3D 5 個位移數(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和y 的矢量位移；3D 為空間中xyh 的空間矢量位移。GNSS 監(jiān)測站點部署在重點關(guān)注的排土場、運(yùn)輸干線和變形區(qū)。對1 號～7 號站點的水平位移和高程位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計，GNSS 位移曲線變化圖如圖2。

圖2 GNSS 位移曲線變化圖

從圖2 可以清晰看出各個站點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，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 號站點在3 月份水平位移有突變現(xiàn)象，需要根據(jù)實地情況判斷突變原因。

2.3 無人機(jī)監(jiān)測

應(yīng)用無人機(jī)三維測繪技術(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)測預(yù)警為報警發(fā)起點，以應(yīng)急響應(yīng)小組為管理決策點，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，技術(shù)總工為副組長，組員由監(jiān)控中心人員、調(diào)度指揮人員、技術(shù)專家、生產(chǎn)技術(shù)員、測繪員等組成。

組長和副組長是決策者，負(fù)責(zé)事件整體把控和決策指令的下達(dá)。組員的構(gòu)成由多個部門的成員組成，涵蓋一線工作者、技術(shù)人員和專家，人員數(shù)量最多，涵蓋專業(yè)最廣。測繪人員和生產(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)測者，實時和周期性觀測數(shù)據(jù)并記錄；專家負(fù)責(zé)對匯總的數(shù)據(jù)系統(tǒng)和專業(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)驗數(shù)據(jù)，建立露天礦黃橙紅三級預(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)測雷達(dá)覆蓋面廣、實時監(jiān)測、靈敏度高等特點，由邊坡雷達(dá)監(jiān)測的位移變形速度作為預(yù)警閾值的主要控制點。具體為：①黃色預(yù)警應(yīng)對措施：現(xiàn)場工作人員加強(qiáng)對本崗位區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行觀察、巡視，對安全狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)；②橙色預(yù)警應(yīng)對措施：現(xiàn)場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避險，沒有恢復(fù)命令，不得返回原位；③紅色預(yù)警應(yīng)對措施：現(xiàn)場所有工作人員以最快的速度按疏散路線撤離危險區(qū)域。

3）應(yīng)急響應(yīng)流程。應(yīng)急響應(yīng)流程如圖3，各類監(jiān)測手段獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總到監(jiān)控中心，監(jiān)控人員實時動態(tài)監(jiān)測各類數(shù)據(jù)的變化，并根據(jù)三級預(yù)警機(jī)制判斷下一步流程。調(diào)度中心接收監(jiān)控人員的匯報并負(fù)責(zé)上報信息和下達(dá)指令。管理決策層根據(jù)調(diào)度中心匯報的信息，綜合各部門的實際情況作出關(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，邊坡體蠕動變形明顯，是邊坡雷達(dá)監(jiān)測和人工巡檢的重點關(guān)注區(qū)域。2020 年11 月22 日北幫邊坡824～890 m 水平平盤，邊坡體蠕動變形速率開始增加，邊坡雷達(dá)監(jiān)測位移和速度不斷增加，監(jiān)控人員將監(jiān)測數(shù)據(jù)上報給技術(shù)人員并通知現(xiàn)場巡檢。

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

同時，專家組的結(jié)論和建議上報給調(diào)度人員。調(diào)度人員將匯總的信息統(tǒng)一上報管理決策層，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，撤出作業(yè)區(qū)內(nèi)人員和設(shè)備，禁止車輛進(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，且變形速度直線上升，很快觸發(fā)紅色報警并持續(xù)發(fā)展。此時，該區(qū)域附近各項作業(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。直至24 日02∶00，監(jiān)測區(qū)域速度逐漸減小恢復(fù)正常。24 日白天經(jīng)現(xiàn)場巡檢和邊坡雷達(dá)持續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域變形無繼續(xù)發(fā)展趨勢，報警解除。報警解除后，管理決策人員根據(jù)現(xiàn)場實際影響情況，組織人員和設(shè)備對滑坡影響區(qū)域進(jìn)行清理和修復(fù)，經(jīng)過一段時間的觀測，確定無異常變形區(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

研究了霍林河北露天礦邊坡監(jiān)測預(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)測預(yù)警體系常用的監(jiān)測手段和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制；分析了邊坡雷達(dá)、GNSS 監(jiān)測、無人機(jī)等監(jiān)測手段在滑坡災(zāi)害發(fā)生過程中的監(jiān)測預(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)對措施和實施流程；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)測手段能有效預(yù)報預(yù)警滑坡災(zāi)害，應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制合理、運(yùn)轉(zhuǎn)流暢。