防邊坡滑坡預警監測技術在大煤溝露天礦的應用

關鶴偉

（青海義海能源大煤溝煤礦，青海 德令哈 817000）

露天煤礦一旦邊坡穩定性監測失控，采取措施不當，很容易導致邊坡失穩而產生山體滑坡等地質災害事故[1]。大煤溝露天煤礦自2005 年建礦開采以來，有記錄的地震33 次?；诖?，為及時處理大煤溝露天礦邊坡巖體內發生的劇烈巖石動力現象，采用邊坡雷達的方式來構建應急預警體系，通過預先布置多組監測點，提前采集震波信號，實現全天候、全時段、高精度、廣范圍的信號監測，以便及時采取措施撤離危險區作業人員至安全地帶，降低人身傷害的風險。

1 大煤溝礦邊坡采場工程概況

大煤溝煤礦隸屬于義馬煤業集團青海義海能源有限責任公司，為國有獨資企業，開采方式為露天與地下聯合開采。礦山生產規模130 萬t/a，其中露天部分生產能力30 萬t/a，井工部分核定生產能力100 萬t/a。區內無地表徑流且遠離地表水體，巖石呈單斜產狀，礦區內沖溝發育，多呈“V”字形。礦區基本地震加速度值為0.10 g，建筑抗震設防烈度為7 度。根據對礦區范圍內的邊坡地質條件進行研究，主要對滑坡模式與分區管理進行系統梳理，描述如下：

（1）滑坡模式。采掘場邊坡地層主要由第四系土層和煤層、粗砂巖、粉砂巖、泥巖及砂質泥巖等組成。通過對大煤溝露天煤礦地質資料的收集、整理及分析并結合其地質勘查成果，西部邊坡受巖石層理影響較小，加之坡體結構各巖層物理力學參數相差不大，在無斷裂構造影響的情況下邊坡滑坡模式為張裂縫—圓弧型滑坡；東部邊坡坡向與巖層傾向相同，層理面物理力學參數相對巖層較小，其滑坡模式為折線形滑坡。

（2）邊坡分區。根據采掘場工程地質條件、邊坡幾何形狀和邊坡傾向等因素，將大煤溝露天煤礦邊坡劃分為兩個分區，即西區和東區。大煤溝礦邊坡分區圖如圖1。

圖1 大煤溝礦邊坡分區圖

① 西區邊坡穩定性分析

西區為采場西部邊坡，坡面形狀為折線狀，最終最大邊坡高度為130 m，坡向與巖層傾向相反。坡體淺部為第四系，厚度約為4～10 m；深部主要由中砂巖、細砂巖、泥巖及煤巖等巖層組成，巖層裂隙發育，局部破碎，地下水位埋深約30 m。

選取該區典型剖面（A-A 剖面）對其進行穩定性驗算，當坡高為H=130 m，最終幫坡角α=28°時，邊坡穩定系數為1.378；坡角α=29°時，邊坡穩定系數為1.347；坡角α=30°時，邊坡穩定系數為1.304；坡角α=31°時，邊坡穩定系數為1.231；坡角α=32°時，邊坡穩定系數為1.183。西區邊坡穩定性分析見表1。

表1 西區邊坡穩定性分析表

② 東區邊坡穩定性分析

東區為采場東部邊坡，坡面形狀為折線狀，最終最大邊坡高度為140 m，坡向與巖層傾向相同。坡體淺部為第四系，厚度約為3～7 m；深部主要由中砂巖、細砂巖、泥巖及煤巖等巖層組成，巖層裂隙發育，局部破碎，地下水位埋深約40 m。

選取該區典型剖面（B-B 剖面）對其進行穩定性驗算。當坡高為H=140 m，最終幫坡角α=24°時，邊坡穩定系數為1.380；坡角α=25°時，邊坡穩定系數為1.352；坡角α=26°時，邊坡穩定系數為1.313；坡角α=27°時，邊坡穩定系數為1.225；坡角α=28°時，邊坡穩定系數為1.179。東區邊坡穩定性分析見表2。

表2 東區邊坡穩定性分析表

2 邊坡雷達監測技術

我國大型露天煤礦經常采用的邊坡監測技術分為合成孔徑雷達技術和真實孔徑雷達技術兩種類型。前者是在差分干涉雷達的技術基礎上，通過在運動軌道上利用水平方向上的往復掃描影像來獲得監測數據；真實孔徑雷達則是利用雷達波的工作原理對邊坡發生的微小形變進行監測，借助碟形天線的差值干涉方法進行測量數據采集。真實孔徑雷達技術方法具有掃描反射角度大、數據采集快、較強的環境適應性等優點，很適用于露天煤礦的作業環境[2]。

在實際操作使用時，真實孔徑雷達預警設備依靠不斷地發射較高頻次的雷達波來實現對邊坡軟巖的連續性觀測，以類似像素光斑的方式進行漸進式來回掃描，通過對前后采集數據的信息對比，從而獲得時間序列中邊坡位移點的變化速度和移近量等相關參數信息，以此經過長時間的持續觀測和反復對比，制作出在時間軸上有關位移變化和速度變化的曲線規律，為后期采取有效措施防范邊坡滑坡以及及時有效地進行預警預報提供真實準確信息。

3 預警機制的構建

3.1 滑坡成因與過程

邊坡滑坡實際上是一種地質災害的動力現象，一旦發生將會嚴重影響露天煤礦的安全生產，造成巨大的經濟損失。由于在露天煤礦開采過程中，邊坡軟巖受到弱巖層流變作用影響，會導致斜面邊緣地帶成為最不穩定、易受擾動的脆弱地區，當巖層發生蠕動變形，在脆弱地區會產生滑坡、片幫等動力現象。結合大多數實際發生的事故案例進行綜合分析，可以總結出邊坡滑坡大致經歷的幾個時期，可分為初始變形階段、勻速變形階段，加速變形階段（該階段又分為加速變形的初期、中期和后期），最終導致滑坡。對應產生滑坡的不同演變時期，也可以將滑坡監測的等級進行劃分，即初始監測期、監測期，從Ⅲ級到Ⅰ級的監測響應期，直到預警期等[3]。滑坡過程與預警級別對照圖如圖2。

圖2 滑坡過程與預警級別對照圖

由圖2 中對比關系可以總結出如下規律：

（1）在初始變形階段滑坡表現為斜坡自由面短期移動，發生的速度快，形變量較小，屬于初級階段，不具備危險性。

（2）在勻速變形階段則體現在斜坡自由面在時間軸線和形變兩方面的持久均衡，持續在移動狀態，但卻形變細微，沒有發生較大的變化，該階段的危險性也較低。

（3）加速變形時期在初期、中期、后期都表現出明顯的形變量增大、形變速度加快的特征，說明該時期內部受到的動力影響加大，體現在拋物曲線的曲率加大，處于滑坡的邊緣時刻。該階段危險性較大，且發生滑坡具有突發性和隨機性，造成的傷害后果最嚴重。

3.2 危險級別劃分

對危險級別的預警劃分是根據滑坡在位移量和形變速度方面的反映數據快速監測到的失穩區域，結合橫軸位移時間關系，即形變發生速度上的變化快慢，以及縱軸位移形變量關系，即形變實際發生量的真實數據進行綜合比對，從而界定出三級響應預警機制[4]。預警級別劃分見表2。

根據表2 中對于預警數值的分析解讀，對應響應應急處置程序：

表2 預警級別劃分表

（1）當形變監測量達到8 mm/h 時，即啟動Ⅲ級黃色預警，將監測區域劃分為重點管控，并報告調度室等職能部門。

（2）當形變監測量達到15 mm/h 時，即啟動Ⅱ級橙色預警，并將該區域內的所有人員進行撤離，停止一切生產作業活動。

（3）當形變監測量達到30 mm/h 時，即啟動Ⅰ級紅色預警，立即通知全礦井人員停止所有采掘作業，撤離至地面安全地點。

4 應用效果分析

鑒于邊坡滑坡的位移觀測和移近速度觀測，結合預警機制的建立，大煤溝煤礦在2020 年9 月23日成功處置一起邊坡滑坡事故。23 日6：00 左右，監測系統顯示位移移近量數據開始出現波動上升，直至晚22：00 左右移近量達到最大值，變形量約為1200 mm。與此同時，監測到的變形速度數據也出現在幾乎同一時段，在23 日6：00 左右出現異常波動，在24 日凌晨00：00 左右達到峰值，然后急速下降，隨后又出現較平穩波動，最終變形速率穩定在0 到-10 mm/h 左右。說明在該時間區段內邊坡巖體內出現較為劇烈的巖石動力現象，導致出現滑坡。由于數據監測及時，采取行動有效，最終提前停止采掘作業，撤離人員至安全地帶，沒有發生人身傷害事故，有效避免險情。位移變化監測圖如圖3，變形速度監測圖如圖4。

圖3 位移變化監測圖

圖4 變形速度監測圖

5 結論

（1）通過真實孔徑雷達監測技術實現對采場邊坡穩定性和變形量的24 h 連續監測，確保了動態數據的有效采集。對動態數據的實時分析和預警，為及時停產撤人爭取寶貴時間，杜絕邊坡引起的地質災害事故發生。

（2）將邊坡監測技術與礦井日常生產、應急處置機制相結合，確保了生產的安全高效，也保障了作業人員的生命安全與健康。