徐玉龍

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

隨著露天礦的快速發(fā)展，邊坡安全早已成為人們研究的重點(diǎn)課題，滑坡、垮塌等地質(zhì)災(zāi)害是露天礦山主要的事故類(lèi)型。根據(jù)原國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局（2001—2007）年的統(tǒng)計(jì)，露天礦山共發(fā)生1 951 起滑坡和垮塌事故，占事故總數(shù)的15%，其中排土場(chǎng)邊坡事故占比11%[1-2]。由此可見(jiàn)，排土場(chǎng)邊坡極易發(fā)生滑坡事故。通常排土場(chǎng)邊坡發(fā)生滑坡時(shí)具有突發(fā)性強(qiáng)，變形面積大等特點(diǎn)，對(duì)人員生命安全、礦山經(jīng)濟(jì)、環(huán)境多樣性等都帶來(lái)重大破壞和威脅。排土場(chǎng)邊坡發(fā)生破壞的原因有很多，比如排棄物料的先后巖性不同而導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力分布不均、地表界未處理而使得內(nèi)部存在弱層、露天礦的日常爆破震動(dòng)、地下井工礦作業(yè)活動(dòng)、邊坡角度超設(shè)計(jì)排棄、降雨等等，在內(nèi)外因素綜合的影響下，極容易誘發(fā)滑坡事故。因此，采取有效手段加強(qiáng)對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)成為露天礦山安全生產(chǎn)的重要議題[2-5]。

基于此，以山西省貓兒溝露天礦為例，研究由地下井采區(qū)作業(yè)活動(dòng)引起的上部排土場(chǎng)出現(xiàn)沉降的監(jiān)測(cè)技術(shù)。對(duì)于沉降的監(jiān)測(cè)，以往主要是通過(guò)GPS、GNSS 及巖移觀測(cè)儀等邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，跟蹤監(jiān)測(cè)邊坡巖體的變形趨勢(shì)；由于監(jiān)測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)裝備相對(duì)落后，對(duì)于臨滑預(yù)警仍表現(xiàn)出一定的局限性，數(shù)據(jù)的獲取會(huì)根據(jù)通信信號(hào)的強(qiáng)弱出現(xiàn)一定的滯后性，其技術(shù)模式屬于單點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，只能對(duì)邊坡重點(diǎn)區(qū)域的特征點(diǎn)進(jìn)行局部監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍小，難以對(duì)整體邊坡區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在較大的安全漏洞，同時(shí)設(shè)備往往部署在邊坡表面，容易受到施工震動(dòng)而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[6-8]。由此，應(yīng)用MSR400 邊坡雷達(dá)新技術(shù)對(duì)沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)手段和監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新，目的是準(zhǔn)確獲取實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)，提高精準(zhǔn)臨滑預(yù)警能力。

1 工程概況

山西省貓兒溝露天礦位于山西河?xùn)|煤田北部，總體為單斜構(gòu)造，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單。礦區(qū)煤層煤類(lèi)單一，為長(zhǎng)焰煤，層位厚度穩(wěn)定，平均總厚度為29.65 m。礦田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組。開(kāi)采方式為露天開(kāi)采，設(shè)有1 個(gè)排土場(chǎng)，位于礦區(qū)北部，緊鄰煤田采區(qū)北幫界約300 m處，排土場(chǎng)原地表地形復(fù)雜，風(fēng)化嚴(yán)重，地表沖溝發(fā)育，溝谷地貌，排土場(chǎng)基底以粉土、粉質(zhì)黏土為主，排棄物料主要以黃土、黃黏土、碎石等，排土前未進(jìn)行基底勘察，未勘察鄰礦有采掘工作面進(jìn)入排土場(chǎng)影響范圍，井工礦采區(qū)13102＃工作面正在回采，推進(jìn)長(zhǎng)度1 600 m，工作面寬度190 m，工作面高度14 m，井工礦的作業(yè)擾動(dòng)將引起排土場(chǎng)坡面出現(xiàn)凹陷，極易印發(fā)滑坡事故，存在較大的安全問(wèn)題。再加上北外排土場(chǎng)下部毗鄰黃河，并且下部沿河岸線設(shè)有鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，若排土場(chǎng)發(fā)生滑坡危險(xiǎn)，將直接威脅公路安全及黃河生態(tài)領(lǐng)域，造成不可預(yù)估的損失[9].

由于北外排土場(chǎng)原地表構(gòu)造復(fù)雜，排棄物料混雜無(wú)序，利用極限平衡法與數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)無(wú)法真實(shí)地對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算分析，為避免事故的出現(xiàn)，按國(guó)家行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，該露天礦建立邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)體系，完善監(jiān)測(cè)裝備和技術(shù)的不足，針對(duì)北外排土場(chǎng)北側(cè)不穩(wěn)定邊坡，要求進(jìn)行24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控邊坡變形動(dòng)態(tài)，科學(xué)研究邊坡變形機(jī)理，掌握邊坡變形規(guī)律，為排土場(chǎng)的邊坡監(jiān)測(cè)提供穩(wěn)定實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

2 MSR400 邊坡雷達(dá)技術(shù)及預(yù)警案例

2.1 邊坡雷達(dá)的基本原理及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

雷達(dá)的基本原理是雷達(dá)發(fā)送高頻電磁波到目標(biāo)位置，通過(guò)接收目標(biāo)物反射的電磁波，獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于邊坡雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目標(biāo)物即需要監(jiān)測(cè)的邊坡，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為邊坡的距離（絕對(duì)距離）和位移（相對(duì)距離）變化值。

“現(xiàn)場(chǎng)＋遠(yuǎn)程”邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用于山西省貓兒溝露天礦，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控高陡邊坡片幫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的目標(biāo)。該系統(tǒng)由邊坡雷達(dá)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線通訊系統(tǒng)、電力供應(yīng)系統(tǒng)、移動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)等組成，可針對(duì)不同地區(qū)工程地質(zhì)條件，能夠快速創(chuàng)立超高臺(tái)階邊坡、軟巖蠕動(dòng)邊坡、金屬礦山硬巖邊坡及排土場(chǎng)邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型，可在煤塵、雨雪和霧霾等惡劣氣候條件下完成監(jiān)測(cè)操作，安全監(jiān)管部門(mén)足不出戶即可實(shí)時(shí)掌握邊坡動(dòng)態(tài)變化，對(duì)潛在的失穩(wěn)邊坡進(jìn)行事前預(yù)警，最大限度地避免或減輕滑坡災(zāi)害造成的損失，保障露天礦山生產(chǎn)安全。

與以往的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)裝備相比，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)“五大絕招”展現(xiàn)出顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①“次毫米級(jí)”精度高：能以次毫米級(jí)精度對(duì)邊坡進(jìn)行大范圍的快速掃描；②“空間分辨”能力強(qiáng)：分辨率極高，采樣間隔短，有效解決了數(shù)據(jù)不連續(xù)、數(shù)據(jù)丟失的關(guān)鍵問(wèn)題；③“走位選址”變化多：監(jiān)測(cè)位置選取機(jī)動(dòng)靈活，無(wú)需在邊坡穩(wěn)定性隱患區(qū)域布設(shè)固定的監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠超遠(yuǎn)距離對(duì)隱患區(qū)域進(jìn)行掃描監(jiān)測(cè)；④“持久續(xù)航”工作穩(wěn)：可以對(duì)邊坡事故進(jìn)行全程連續(xù)監(jiān)測(cè)，并能在事故后期對(duì)事故區(qū)域繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、評(píng)估；⑤“兼收并蓄”性能好：系統(tǒng)可獲得測(cè)區(qū)DEM（數(shù)字地理模型）或讀取已有DEM，三維顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，能與多種GIS（地理信息系統(tǒng)）軟件相兼容。

2.2 預(yù)警案例

2022 年12 月25 日7：00 時(shí)，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示排水站北側(cè)960 m 水平平臺(tái)出現(xiàn)變形情況，變形速度為12 mm/h，變形范圍長(zhǎng)度約30 m，高度約25 m；12 月25 日9：00 時(shí)，該區(qū)域速度進(jìn)一步達(dá)到20 mm/h，隨后通知附近排土作業(yè)設(shè)備及人員停止作業(yè)活動(dòng)，撤出危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行避讓?zhuān)唤刂辽衔?0：10 時(shí)，速度達(dá)到32 mm/h。現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)960 m 水平平臺(tái)出現(xiàn)長(zhǎng)度約20 m 范圍的單臺(tái)階下沉滑動(dòng)，截至中午11：00 時(shí)，速度達(dá)到峰值65 mm/h，隨后開(kāi)始下降回調(diào)；截至12 月25 日12：00 時(shí)，速度下降至3 mm/h，此時(shí)邊坡已經(jīng)滑動(dòng)結(jié)束并逐漸趨于穩(wěn)定，隨后解除報(bào)警，累計(jì)位移量達(dá)到約200 mm。

根據(jù)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)情況，此次小面積滑動(dòng)變形，主要外部原因是12 月23 日，礦區(qū)出現(xiàn)降雨，雨水從960 m 水平平臺(tái)早期存在的裂縫滲入內(nèi)部，在重力作用下引起坡體沿著弱層滑動(dòng)。主要內(nèi)因是井工礦工作面正采掘至此處正下方，工作面采煤放頂震動(dòng)引起該區(qū)域地表坡面發(fā)生局部形變，從而出現(xiàn)小面積垮塌情況。后期應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及巡查，以保證發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)做出臨滑預(yù)警。此次精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，成功保障了貓兒溝露天礦安全生產(chǎn)，提高了煤礦邊坡穩(wěn)定性治理的應(yīng)急管理能力。

3 監(jiān)測(cè)區(qū)域數(shù)據(jù)分析及計(jì)算

3.1 雷達(dá)數(shù)據(jù)分析

雷達(dá)部署在北外排土場(chǎng)北側(cè)955 m 水平平臺(tái)區(qū)域，主要掃描排土場(chǎng)北部邊坡，總結(jié)30 周的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，主要變形區(qū)域集中在980 m 水平平臺(tái)、960 m 水平平臺(tái)、940 m 水平平臺(tái)3 個(gè)臺(tái)階區(qū)域，單日蠕動(dòng)速率較大的時(shí)間段發(fā)生在0：00—6：00，該時(shí)間段與井工礦作業(yè)時(shí)間相吻合，說(shuō)明該區(qū)域的蠕動(dòng)屬于井工礦作業(yè)震動(dòng)影響，使得960 m 水平臺(tái)階整體下沉最為明顯，雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示，自2022 年7 月20日至2023 年1 月20 日，監(jiān)測(cè)區(qū)域北外排土場(chǎng)北側(cè)邊坡出現(xiàn)的最大沉降區(qū)域集中在960 m 水平平臺(tái)，累積最大變形量為971 mm。變形趨勢(shì)與井工礦采掘工作面推進(jìn)方向一致，沿著邊坡橫向平臺(tái)由西南側(cè)向東北方向逐漸沉陷。

2022 年12 月02 日23：00 時(shí)雷達(dá)云圖如圖1。

圖1 雷達(dá)云圖

由雷達(dá)位移云圖可以清晰看出：中間藍(lán)色區(qū)域出現(xiàn)垂直沉降，周邊黃色區(qū)域向坡底方向滑動(dòng)，最大速度接近30 mm/h，圖中出現(xiàn)2 種明顯差異變形區(qū)，二者表示的蠕動(dòng)變形方向不一致，黃色表示靠近雷達(dá)方向，邊坡朝坡底方向滑移；藍(lán)色表示遠(yuǎn)離雷達(dá)方向，邊坡朝向坡體內(nèi)部垂直下沉滑動(dòng)，此時(shí)整體變形區(qū)域呈現(xiàn)大面積滑移和沉降；經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查，980 m水平平臺(tái)、960 m 水平平臺(tái)、940 m 水平平臺(tái)3 個(gè)臺(tái)階坡面出現(xiàn)明顯沉降。

沉降區(qū)和下滑區(qū)變形方向不同，下滑區(qū)域靠近雷達(dá)方向，沉降區(qū)遠(yuǎn)離雷達(dá)方向，根據(jù)30 周數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：沉降區(qū)位移量較大，下滑區(qū)平均位移量為＋180 mm，沉降區(qū)平均位移量為－390 mm。沉降區(qū)位移曲線圖如圖2，下滑區(qū)位移曲線圖如圖3，負(fù)號(hào)位移值表示遠(yuǎn)離雷達(dá)方向，正號(hào)位移值表示靠近雷達(dá)方向。

圖2 沉降區(qū)位移曲線圖

圖3 下滑區(qū)位移曲線圖

由于前期變形導(dǎo)致監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)存在大量裂縫貫穿，極易形成二次滑坡。根據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)，蠕動(dòng)變形區(qū)域主要集中在960～940 m 水平臺(tái)階區(qū)間，北外排土場(chǎng)邊坡自2023 年3 月已趨于穩(wěn)定。

3.2 穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)到的變形區(qū)域和監(jiān)測(cè)結(jié)果，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘成果，結(jié)合裂縫分布位置、底鼓位置及地形條件，選取了北外排2 個(gè)典型剖面進(jìn)行研究。剖面位置如圖4。

圖4 剖面線分布位置

本次計(jì)算所采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)由于沒(méi)有以往資料進(jìn)行直接使用，只能采用類(lèi)比法穩(wěn)定計(jì)算。通過(guò)計(jì)算可知：XNP1 剖面基底所在位置為順傾，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已有裂縫情況、底鼓情況綜合分析，確定了整體邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.216，低于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.30；XNP2 剖面基底為小角度反傾，但單臺(tái)階角度較大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂縫及底鼓情況分析、計(jì)算，得到XNP2 剖面穩(wěn)定系數(shù)為1.126，低于安全儲(chǔ)備系數(shù)1.30，整體穩(wěn)定系1.308.滿足安全儲(chǔ)備系數(shù)要求，XNP2 發(fā)生整體滑動(dòng)可能性小。

4 應(yīng)對(duì)措施

根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)分析情況，制定以下應(yīng)對(duì)措施：

1）對(duì)北外排土場(chǎng)增設(shè)至少2 條GNSS 自動(dòng)監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距應(yīng)小于100 m，每條監(jiān)測(cè)線不得低于3 個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每天記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形數(shù)據(jù)情況。

2）對(duì)于變形產(chǎn)生的新的裂縫及嚴(yán)重塌陷區(qū)，包括塌陷形成新的較陡坡面，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行物料回填，并做好防排水工作，以防止邊坡失去支撐而引起上部臺(tái)階出現(xiàn)牽引式滑移。

3）排土場(chǎng)浸水后容易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，建議減少臺(tái)階耕地區(qū)域綠化灌溉，優(yōu)化疏干排水系統(tǒng)，查清現(xiàn)場(chǎng)排水匯流方向，完善縱向排水設(shè)施，避免滲入到邊坡內(nèi)部，影響邊坡穩(wěn)定性。

4）目前存在的各個(gè)臺(tái)階均超過(guò)設(shè)計(jì)高度，920 m水平單臺(tái)階高度接近50 m，存在嚴(yán)重安全隱患。松軟黃土臺(tái)階設(shè)計(jì)高度一般不超過(guò)15 m，整體幫坡角超過(guò)設(shè)計(jì)角度，應(yīng)采取削坡壓腳等措施，建議將幫坡角調(diào)整至18°以下。

5）應(yīng)按設(shè)計(jì)要求增設(shè)擋土墻，可采用支擋結(jié)構(gòu)物如木籠塊石墻、鋼筋石籠擋墻、被動(dòng)抗滑樁、原地澆筑混凝土連續(xù)墻、坡面柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)、坡面生態(tài)護(hù)坡系統(tǒng)等來(lái)對(duì)邊坡進(jìn)行整治，是滑坡治理中較常用的手段。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于邊坡存在垂直沉降的區(qū)域，雷達(dá)顯示出與以往不同的顏色警示區(qū)，得出MSR400 邊坡雷達(dá)技術(shù)對(duì)于垂直沉降區(qū)域能夠獲取沉降的變形數(shù)據(jù)，并且能夠起到預(yù)警的作用；根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性和穩(wěn)定性計(jì)算分析制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，對(duì)于加強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性是極為有效的手段之一，MSR400 邊坡雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用可以為露天礦的發(fā)展有著重要的促進(jìn)作用。