韋忠跟

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

蒙東地區(qū)位于東北的西部，東南與黑龍江省、吉林省、遼寧省和河北省毗鄰，北與俄羅斯、蒙古國接壤。其褐煤約占全國保有儲備量的3/4，是我國13個大煤炭基地之一[1]。該區(qū)域主要分布有勝利煤田、白彥花煤田、霍林河煤田、大雁和伊敏煤田等，開采條件優(yōu)越，以露天礦為主。該地區(qū)煤炭形成于晚侏羅紀—白堊紀，巖體強度低，地下水較豐富，邊坡穩(wěn)定性為突出[2-3]。

近年來，邊坡雷達監(jiān)測技術在邊坡工程中得到了廣泛應用，根據邊坡雷達動態(tài)位移監(jiān)測數據及時判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，識別邊坡變形破壞機制及影響范圍，并在邊坡進入臨滑階段時及時發(fā)出警報，保證礦山生產作業(yè)人員和設備的安全，邊坡雷達監(jiān)測技術已成為軟巖邊坡變形及滑坡破壞研究的重要手段。為此，利用邊坡雷達高精度及大范圍的監(jiān)測特點，針對蒙東地區(qū)3 個不同露天煤礦不同軟巖邊坡滑坡破壞前的蠕動變形云圖和曲線等監(jiān)測數據進行變形階段劃分，結合滑坡變形體的滑坡模式和滑坡原因以及宏觀表象進行變形數據的綜合分析，旨在找出該地區(qū)軟巖邊坡變形演化的特點及滑坡規(guī)律，為該地區(qū)軟巖邊坡的災害防治提供基礎依據。

1 工程概況

蒙東地區(qū)屬寒溫帶和中溫帶大陸性季風氣候，半干旱季風氣候。春季干旱多風；夏季短促溫熱，秋季氣溫驟降，霜凍早，冬季寒冷漫長。該地區(qū)露天煤礦地層一般由白堊系含煤巖系和新生界第三系、第四系組成。新生界第四系為粉土、砂土層，結構松散，無膠結，穩(wěn)固性差，埋藏較淺，一般呈不連續(xù)分布；第三系以膨脹性黏土為主，塑性強，易產生滑移變形，總體抗壓強度、抗剪強度等力學強度極低，極易導致地裂縫和滑坡等災害的發(fā)生；白堊系含煤巖系力學強度亦較低，層面發(fā)育，抗風化及抗凍性差，屬軟巖類巖石。因此，將該地區(qū)露天煤礦具備軟巖性質的邊坡歸納為以下3 種類型：①第三、第四系土邊坡：邊坡體內第四系土存在地表水、地下水和人為開挖的作用，易產生崩塌、片幫現象，而第三系土以膨脹性黏土為主，壓縮變形大，抗剪強度低，易形成剪切滑動面；②軟弱基巖邊坡：基巖巖性弱為此類邊坡發(fā)生滑坡的根本原因，同時，白堊系含煤巖系結構復雜，軟弱夾層較多，易形成沿弱層滑動的片幫、滑坡現象；邊坡與地層傾向相同，泥巖、炭質泥巖在地下水浸潤下，形成順層滑坡，邊坡與地層傾向相反或近水平，邊坡在降雨或地下水作用下易從軟弱基巖部分發(fā)生剪出作用，形成整體邊坡的蠕動變形；③排土場邊坡：此類邊坡易存在基底不穩(wěn)定弱面或局部邊坡角過陡情況，在降雨影響下，形成排土場邊坡的整體或局部蠕動變形，甚至滑坡。

2 邊坡雷達監(jiān)測技術

邊坡雷達是一項用于露天礦山邊坡穩(wěn)定性測量和監(jiān)測的技術，它沿整個邊坡表面進行連續(xù)的、次毫米精度測量，且系統(tǒng)無需與監(jiān)測邊坡發(fā)生任何接觸。通過軟件獨特的計算方式監(jiān)測邊坡變形和設置報警，從而建立邊坡滑坡風險管理，并給礦山帶來顯著效益[4-7]。通過邊坡雷達的使用，首先，可以在大型滑坡前發(fā)出警告，使人員和設備在提前撤離危險區(qū)域，從而降低了人員傷害和設備損壞的危險；其次，礦山工程技術人員可根據邊坡雷達監(jiān)測數據及預警信息進行決策，提高地質風險區(qū)的產量；再次，連續(xù)的邊坡變形監(jiān)測縮短了每次爆破和降雨后等待邊坡變形恢復的時間，從而提高生產效率[8]。

1）云圖圖像。邊坡雷達能夠迅速掃描一個很大的區(qū)域，測量的準確度在毫米級以下，并且能夠以云圖圖像形式顯示礦區(qū)的邊坡穩(wěn)定性。掃描過程自邊坡的頂部向底部，或從邊坡的底部向頂部反復進行。每一次掃描均采集整個掃描區(qū)域的監(jiān)測數據，并針對本次掃描與上一次掃描的數據進行比較，獲得測量邊坡表面的位移。

2）曲線圖。邊坡雷達云圖圖像將整個監(jiān)測范圍邊坡劃分成幾十萬個網格，每個網格對應一個像素單元，每個單元均對應位移、速度、加速度等曲線。因此，不僅要依靠云圖圖像的顏色變化，而且還要通過像素單元的曲線信息解釋邊坡的變形或加速情況。其中，位移和速度曲線是分析雷達數據和顯示頁面數據的一種常見的方式，也是滑坡預測預報的重要判斷標準；速度倒數曲線利用臨滑狀態(tài)下隨著邊坡位移速度不斷增大而速度倒數不斷減小直至無限趨近于0 的原理進行臨滑階段的時間預測，該曲線是邊坡雷達技術預測滑坡的主要方法和手段。

3 軟巖邊坡蠕動變形特征及滑坡規(guī)律

3.1 土體邊坡變形特征及滑坡規(guī)律

白音華某露天煤礦邊坡變形較大的區(qū)域主要集中北幫邊坡，經綜合地質資料收集、采掘揭露及地質模型等綜合分析，確定北幫及其周邊地段地層巖性自上而下主要表現為：上部為第四系砂土層，厚約26～38.4 m，其下是第三系紅黏土層，厚約32～42 m，下部為砂、泥巖互層。黏土層具有隔水性能及遇水極易降低物理力學性質的特點，由于坡腳開挖和降雨因素的誘發(fā)作用下，北幫邊坡容易發(fā)生局部的坐落滑移式邊坡變形破壞。

通過現場踏勘，發(fā)現北幫中部已形成局部邊坡變形區(qū)，后緣沉陷部位主要為拉張裂縫區(qū)，前緣平盤以下坡面臨空面為剪出部位，呈現隆起變形。對比邊坡雷達位移云圖，北幫西側1 020 m 水平以上2 個臺階發(fā)生小范圍局部邊坡變形快速增大現象，滑體輪廓非常明顯，初步形成滑體周界。該區(qū)域系黏土邊坡，滑動原因是由于下部開采過程中，局部邊坡巖性較弱，加之坡面地表水富集導致。白音華某露天煤礦邊坡雷達位移與速度曲線圖如圖1。

圖1 白音華某露天煤礦邊坡雷達位移與速度曲線圖

通過邊坡雷達監(jiān)測數據，將白音華某露天煤礦邊坡發(fā)生突然失穩(wěn)破壞前分成4 個階段：①定常蠕動變形階段：定常蠕動變形初期階段為7 月3 日15：00 至7 月3 日22：00 期間，位移呈現勻速變化趨勢，位移量為13 mm，平均速度為1.86 mm/h 定常蠕動變形后期階段為7 月3 日22：00 至7 月4 日10：00 期間位移呈現勻速變化趨勢，位移量為80 mm，平均速度為6.67 mm/h；②加速變形階段：7 月4日10：00 至7 月4 日12：00 期間位移呈現加速變化趨勢，在2 h 內位移量迅速增加至為55 mm；③破壞階段：片幫破壞時速度瞬時值為35 mm/h；④恢復平穩(wěn)階段：當位移速度達到最高值后，速度曲線迅速恢復至勻速變化趨勢，平均速度近似于0，整體恢復為緩慢蠕動狀態(tài)，邊坡變形再次處于平穩(wěn)階段[9-10]。

白音華露天煤礦北幫第三、第四系土邊坡局部變形區(qū)在邊坡破壞發(fā)生前經歷了2 段速度不等的定常蠕動變形階段和1 段加速變形及破壞階段，尤其在定常蠕動變形后期階段，滑坡體后緣出現拉張裂縫、前緣隆起變形，并且滑坡范圍周界明顯等特征，加速變形階段完成后，變形速度達到峰值，滑坡體最終產生破壞。因此，第三、第四系土邊坡滑體在破壞前后經歷的過程可描述為“短期蠕變-加速-破壞-恢復平穩(wěn)”階段。

3.2 軟弱基巖邊坡蠕動變形特征

霍林河某露天煤礦北幫邊坡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四系砂土、第三系沖積層及黏土組成，北幫巖體整體為逆傾邊坡，巖質邊坡風化嚴重，巖性較弱，局部區(qū)域節(jié)理發(fā)育。尤其煤層底板的泥巖或炭質泥巖在地下水作用下易與含水層接觸遇水軟化而形成軟弱層，在大氣降雨及人工開挖坡腳的影響下，容易發(fā)生大面積切層滑坡。

從2019 年12 月中旬開始至2020 年9 月結束，北幫東部區(qū)域出現大面積蠕動跡象，變形區(qū)底部820 m 水平出現明顯錯動面、上部920～956 m 水平出現沉降和橫向裂縫、東西向長度約1 300 m，已形成明顯的滑體后緣特征，但滑體前緣及側邊裂縫特征不明顯，初步形成滑體周界范圍。霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)累積位移曲線如圖2，霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)速度曲線如圖3 。

圖2 霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)累積位移曲線

圖3 霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)速度曲線

根據邊坡雷達監(jiān)測數據綜合分析，將北幫東部變形區(qū)發(fā)生的蠕動變形分成3 個階段：①定常蠕動變形階段：2019 年中旬至2021 年4 月，位移呈現勻速變化趨勢，邊坡變形速度為20～40 mm/d 之間變化；②加速變形階段：進入凍融期和雨季后（2020 年4 月—2020 年9 月），位移呈現加速變化趨勢，邊坡變形速度從20 mm/d 增加到最高140 mm/d；③恢復階段：2020 年9 月—2020 年12 月，位移呈現減速變化趨勢，邊坡變形速度從140 mm/d 恢復至20 mm/d；

霍林河某露天煤礦北幫邊坡地層巖性較弱，巖體之間的節(jié)理、裂隙較發(fā)育，地表水及地下水長期入滲并浸潤弱層，導致弱層強度指標降低。由于凍融的影響，在北幫東部區(qū)域發(fā)生蠕動變形的初期，變形區(qū)呈勻速蠕動變形趨勢。隨著雨季的到來及雨水在邊坡內部的滲入，變形區(qū)位移進入加速變形趨勢，最終達到峰值。當雨季結束后，地下水在邊坡的滑動中部分排出，滑動速度逐漸減小，隨著時間的推移，變形體再次呈現緩慢蠕動變形狀態(tài)。由于此類邊坡變形具有歷時時間長的特點，并在監(jiān)測周期內未發(fā)生最終滑坡破壞，因此，在不完整周期內，軟弱基巖邊坡滑體在破壞前后經歷的過程可描述為“長期蠕變-加速-恢復平穩(wěn)”階段。

3.3 排土場邊坡變形特征及滑坡規(guī)律

霍林河某露天煤礦內排土場基底主要為21#煤或24#煤底板，巖性以炭質泥巖為主，最大特性是親水性強，遇水軟化嚴重，強度非常低。內排土場邊坡是由松散的排棄物料堆砌而成，其邊坡穩(wěn)定性不但取決于排棄物料本身的物理力學性質，而且還受到排土場基底幾何形態(tài)與巖性等因素的影響，潛在的滑動模式有2 種：①排土場內部相對軟弱隔水層并以此為剪出口的滑動；②以煤層底板弱層為滑面的順層滑動。

邊坡雷達數據顯示，2020 年11 月22 日12 時開始，西坑內排土場發(fā)現異常變形區(qū)，變形體范圍在824～890 m 水平平臺，此時累積位移值80 mm，位移速度達8 mm/h。通過現場勘查，變形區(qū)上部出現橫向裂縫，下部出現底鼓現象，已經初步形成滑坡體周界，同時發(fā)現2020 年11 月22 日15 時仍有設備正在進行清理底鼓作業(yè)。霍林河某露天礦內排土場邊坡雷達監(jiān)測位移與速度曲線圖如圖4。

圖4 霍林河某露天煤礦內排土場邊坡雷達監(jiān)測位移與速度曲線圖

根據邊坡雷達監(jiān)測數據分析，將內排土場邊坡發(fā)生突然失穩(wěn)破壞分成4 個階段：①定常蠕動變形階段：2020 年11 月21 日3 時至2020 年11 月22 日6 時，位移呈現近似勻速變化趨勢，邊坡變形速度約1 mm/h 變化；②加速變形階段：2020 年11 月22 日6 時至2020 年11 月23 日23 時，位移呈現加速變化趨勢，邊坡變形速度從1 mm/h 增加到最高120 mm/h；③破壞階段：片幫破壞時，速度瞬時值為120 mm/h；④平穩(wěn)階段：當滑體變形速度達到峰值后，同時發(fā)生失穩(wěn)破壞，隨后變形體速度迅速恢復至0 左右，并從2020 年11 月24 日2 時開始，位移呈現極緩慢勻速變化趨勢，整體處于極緩慢蠕動階段。

霍林河露天煤礦內排土場由松散物料堆積而成，基底煤層底板泥巖弱層發(fā)育，在水的滲透作用下，在邊坡內部形成軟弱滑動面。由于滑體下部設備作業(yè)的直接影響，排土場邊坡滑體的位移經歷發(fā)生了“短期蠕變－加速－破壞－恢復平穩(wěn)”完整周期的變形破壞過程。由此可見，第三、第四系土邊坡與排土場邊坡具有相似的邊坡變形及滑坡過程。

4 結語

利用邊坡雷達監(jiān)測技術對蒙東地區(qū)3 個不同露天煤礦不同軟巖邊坡進行綜合數據分析，得出不同類型軟巖邊坡的變形特征和滑坡規(guī)律。對蒙東地區(qū)軟巖邊坡變形特征分析表明，第三、第四系土邊坡與排土場邊坡具有相似的邊坡變形及滑坡過程，與軟弱基巖邊坡相比，具有滑坡前蠕變時間短，滑體變形速度慢的特點，在滑體的累積位移曲線上表現為“蠕變-加速-破壞-恢復平穩(wěn)”的完整周期。而軟弱基巖在滑體加速變形后可能直接尋找到平衡狀態(tài)而非產生破壞，在滑坡體的累積位移曲線上表現為整個周期過程中的階躍現象，更容易出現“蠕變-加速-恢復平穩(wěn)”的周期變化。