韋忠跟 徐玉龍 丁 輝 楊國華

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；3.內(nèi)蒙古霍林河露天煤業(yè)股份有限公司）

近年來，我國各大露天礦排土場地質(zhì)災害發(fā)生頻繁，特別是滑坡災害，它的危害程度僅次于地震，邊坡安全監(jiān)測缺乏系統(tǒng)的技術研究，管理手段不規(guī)范，監(jiān)測技術落后，導致事故發(fā)生，造成惡劣的社會影響。因此，做好排土場滑坡災害監(jiān)測和預警，對控制直接經(jīng)濟損失和人員傷亡顯得尤為重要。

霍林河北露天煤礦內(nèi)排土場位于一采區(qū)采場北幫，由于長期排土作業(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)構造、地下水運動、大氣降水及工程擾動等因素影響而發(fā)生片幫、滑坡等地質(zhì)災害，威脅安全生產(chǎn)。為此，基于北露天礦排土場地質(zhì)情況，分析潛在滑坡模式，并應用邊坡雷達技術，對排土場進行預警監(jiān)測。通過案例分析北露天礦排土場的滑坡模式，為今后排土場的邊坡設計、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，是個山間盆地，海拔標高一般在930～980 m。盆地西南高東北低，海拔標高在870～940 m，最大高差在70 m左右?？刹稍毫繛?55.32 Mt，核準產(chǎn)能為1 000萬t/a，設計服務年限為41.39 a。

霍林河北露天煤礦所在區(qū)域為低山丘陵地貌，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化作用使巖石變?yōu)橥翣罴坝餐翣?，風化層內(nèi)巖土表現(xiàn)為均質(zhì)的致密狀結(jié)構，在全風化及強風化帶內(nèi)，巖土性質(zhì)不受地質(zhì)構造面影響［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月的觀測資料，最大流量為1.0 m3/s，最小流量為0.37 m3/s。洪水位標高，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）；煤系風化帶含水層東部較厚，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)，最低標高為+721.702 m，厚度一般為30～40 m，單位涌水量最大可達46.026 L/（s·m）。各含水層均以大氣降水為主要補給水源。且降水主要集中在6—8月這3個月。

3 排土場概述

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

北露天煤礦劃分為2個采區(qū)進行開采，分別為一采區(qū)和二采區(qū)，采場各幫邊坡巖體均為軟巖，坡體內(nèi)弱層發(fā)育，強度較低；內(nèi)排土場基底為21煤或24煤煤層底板，底板賦存弱層，排棄物料自身強度較低，內(nèi)排土場自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)排土場邊坡變形開始加大，至6月20日累計位移達到208 mm，從6月21日—6月27日累計位移達到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日累計位移達到372 mm，通過停止排土等措施，自7月3日以后，變形較為緩慢。

4 北礦排土場潛在滑坡模式

北礦排土場邊坡具有其自身的特點：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度，而且還受到排土場地地表斜率、基底和排棄物性質(zhì)、場地基礎巖土體抗剪強度、堆積坡度和高度、水流滲透壓力及動水壓力等因素影響。綜上所述，北礦排土場邊坡主要的滑坡模式有5種（圖1）。

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

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

（3）排土場邊坡表層的局部坍塌、錯動（圖4（c））。若邊坡局部的堆積坡度過大，在其上部繼續(xù)進行堆積時，有可能打破應力平衡，從而引發(fā)局部坡體垮塌。

（4）沿排土場邊坡內(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)部材料的抗剪強度，引起滑坡。

（5）泥石流（圖4（e））。由于排土場坡體的物質(zhì)結(jié)構較松散，吸水率高，當遇到暴雨等特定的水動力時，就會激發(fā)邊坡滑坡而發(fā)生泥石流。

5 排土場監(jiān)測方案

霍林河北露天礦的邊坡監(jiān)測采用比較傳統(tǒng)的GNSS監(jiān)測方法對內(nèi)排土場進行監(jiān)測，GNSS監(jiān)測需部署在不穩(wěn)定的邊坡上，施工難度大，安裝部署需耗費大量的人力物力，監(jiān)測面覆蓋程度低，只滿足單點監(jiān)測要求，不能對整體邊坡進行有效監(jiān)測，所以容易對邊坡變形的區(qū)域漏報、誤報。另外，GNSS監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，點位布置較密集，影響采礦作業(yè)活動，不能有效而全面地監(jiān)測邊坡［4-5］。因此，北露天礦為實現(xiàn)無人值守的邊坡監(jiān)測自動化，引進MSR（Movement and Surveying Radar）邊坡雷達預警系統(tǒng)，對北露天礦北幫進行24 h實時監(jiān)測，實時監(jiān)測并掌握邊坡動態(tài)。

5.1 雷達部署位置

北露天煤礦自2020年6月引進MSR邊坡雷達，對西坑北幫940～730 m區(qū)域進行24 h不間斷監(jiān)測預警。根據(jù)北露天礦采場邊坡變形監(jiān)測要求，將邊坡雷達系統(tǒng)部署于西南幫地煤驗收部廠區(qū)一采區(qū)南幫上部，位置坐標為（5 044 810 m，468 621 m，865 m），主要對一采區(qū)和二采區(qū)北幫進行24 h實時監(jiān)測，雷達掃描覆蓋區(qū)域如圖2所示，其對應的雷達位移云圖如圖3所示。

5.2 重點監(jiān)測區(qū)域的選取

通過MSR邊坡雷達監(jiān)測數(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)測區(qū)域劃分為2個重點監(jiān)測區(qū)域。

6 監(jiān)測結(jié)果分析

通過MSR邊坡雷達數(shù)據(jù)，對重點監(jiān)測區(qū)域1、區(qū)域2的6—12月位移量及累計位移量進行統(tǒng)計，如表1所示。

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

（1）重點監(jiān)測區(qū)域1。該區(qū)域為西坑排土區(qū)域邊坡，根據(jù)雷達數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2020年6—12月的監(jiān)測周期內(nèi)累計位移量為4 835 mm，6月、7月合計發(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)生較大強降雪，導致內(nèi)部軟弱結(jié)構面形成滑面而發(fā)生較大沉降。11月單月位移量達2 052.3 mm。監(jiān)測區(qū)域1土質(zhì)主要為黃褐色及淺灰色中、細砂和黏土，巖性松軟，該區(qū)域正處于蠕動變形較大的勻速蠕變階段。

（2）重點監(jiān)測區(qū)域2。該區(qū)域為東坑排土區(qū)域邊坡，2020年6—12月的監(jiān)測周期內(nèi)累計位移量為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狀態(tài)，可得出該區(qū)域邊坡均處于勻速蠕動變形階段。

7 滑坡預警案例

2020年11月22日14時通過邊坡雷達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)測情況

該區(qū)域為西坑北幫824～890 m區(qū)域東側(cè)，至2020年11月23日14時變形速度為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，其變形面積約為120 m×70 m。

通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，西坑北幫824～890 m平臺東側(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 臨滑預警

在雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)中，選取代表性的監(jiān)測點數(shù)據(jù)方法和條件：滿足位移—相對時間曲線比較平滑，曲線無跳躍。報警區(qū)域的累積變形值與相對時間曲線如圖6所示。

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

7.3 滑坡情況

在臨滑預警指令發(fā)出20 h后，在2020年11月23日22時異常變形區(qū)域2的變形速度達到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，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，之后滑坡體會趨于穩(wěn)定，如圖8所示。

2020年11月24日14時到現(xiàn)場勘查，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)雷達數(shù)據(jù)，滑坡體上監(jiān)測點均在同一時刻發(fā)生加速形變，并且滑坡體上各臺階速度幾乎相等，說明滑坡體是以整體坐落式滑動。而根據(jù)現(xiàn)場量尺，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地地表接觸面發(fā)生的滑坡。

8 結(jié)語

霍林河北露天礦采場邊坡內(nèi)排基底順傾，這對內(nèi)排土場邊坡穩(wěn)定性非常不利，容易發(fā)生沿地表面坐落式滑動；邊坡雷達適用于排土場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預警，并且能有效實時監(jiān)控變形區(qū)域滑坡前后的實時動態(tài)；一采區(qū)內(nèi)排土場主要由泥巖構成，其穩(wěn)定性受雨雪天氣影響較大，應采取地表排水、截水，以及卸載反壓等治理措施；隨著排土作業(yè)的進一步推進，會產(chǎn)生新的邊坡問題，做好地質(zhì)災害防控和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測預警工作是十分重要的。