宋 健

（新疆天池能源有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

隨著科技的進(jìn)步，我國的露天煤礦邊坡位移監(jiān)測技術(shù)手段取得了長足的進(jìn)步，各種精度高、智能化的監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用到了露天煤礦的日常生產(chǎn)中，給礦方帶來了豐厚的效益，保證了采煤過程的安全。目前，在露天煤礦使用比較成熟的監(jiān)測設(shè)備有邊坡雷達(dá)、GNSS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)及深部巖移監(jiān)測系統(tǒng)等[1]，因監(jiān)測的原理及目的不同，以上監(jiān)測設(shè)備在實(shí)踐過程中表現(xiàn)出了不同的優(yōu)勢及特點(diǎn)。為此，針對(duì)新疆天池能源有限責(zé)任公司南露天煤礦北幫碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形邊坡，分別利用邊坡雷達(dá)、GNSS 對(duì)其進(jìn)行了監(jiān)測預(yù)警，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到了北幫邊坡的滑坡要素、發(fā)育階段及邊坡變形機(jī)理[2]，并據(jù)此采用了削坡減載＋回填壓腳的綜合治理措施[3]。治理效果良好，邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示北幫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1 工程概況

南露天煤礦位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市吉木薩爾縣城北100 km 處，南露天煤礦南北寬2 km，東西寬4 km，面積8 km2。采場東幫為工作幫，西幫為內(nèi)排土場，南幫、北幫為2 個(gè)端幫，其中北幫為順傾邊坡。

2022 年2 月3 日，距北幫觀禮臺(tái)東側(cè)約600 m 處，546 m 水平～煤層底板發(fā)生滑坡，滑坡區(qū)域長279 m。

2022 年3 月11 日，距離北幫觀禮臺(tái)東側(cè)300 m處，北幫595 水平地表發(fā)育3 組裂縫，580 m 水平平盤發(fā)育3 組裂縫，580～565 m 水平坡道發(fā)育1 組裂縫。

2022 年4 月6 日，距離北幫觀禮臺(tái)東側(cè)100 m處，580 m 水平平盤發(fā)育1 條新裂縫，長約8 m，寬約1 cm。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，北幫煤層露頭區(qū)域煤層近乎直立，露頭北側(cè)夾1 層炭質(zhì)泥巖，上部薄、下部厚，炭質(zhì)泥巖北側(cè)為厚20～30 m 的雜色泥巖。另外，通過工程地質(zhì)補(bǔ)充勘探發(fā)現(xiàn)，在雜色泥巖及煤層下部發(fā)育著1 層連續(xù)的軟弱底板泥巖。由于風(fēng)化嚴(yán)重，北幫巖層整體為順層碎裂結(jié)構(gòu)巖體。根據(jù)以往的研究總結(jié)，露天煤礦順層邊坡潛在的失穩(wěn)模式主要有順層滑移、后緣拉裂＋順層滑移、順層滑移＋底部潰屈破壞[4]。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，北幫后緣裂縫表面粗糙，拉裂破壞明顯；由于雜色泥巖基底為軟弱底板泥巖，力學(xué)強(qiáng)度較低，推斷為順層滑移的滑面；另外，變形邊坡底部無彎曲變形，故底部未發(fā)生潰屈破壞，故北幫碎裂結(jié)構(gòu)巖體失穩(wěn)模式為后緣拉裂＋順層滑移式破壞。

2 北幫邊坡位移監(jiān)測系統(tǒng)

南露天煤礦邊坡采用“邊坡雷達(dá)為主，GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測及人工監(jiān)測為輔”的綜合監(jiān)測技術(shù)，重點(diǎn)區(qū)域全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。

2.1 IBIS－FM 邊坡雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)

IBIS－FM 邊坡雷達(dá)屬于合成孔徑雷達(dá)，利用電磁波為媒介，計(jì)算相鄰2 次掃描所監(jiān)測的位移差值，實(shí)時(shí)記錄邊坡的位移量，通過分析邊坡的位移量及位移速率，預(yù)判邊坡短時(shí)間內(nèi)是否有滑坡風(fēng)險(xiǎn)[5]。

南露天煤礦現(xiàn)有2 套意大利IBIS－FM 邊坡雷達(dá)，其中1＃邊坡雷達(dá)位于南幫550 m 水平平盤，監(jiān)測采場北幫；2＃邊坡雷達(dá)安裝于新建觀禮臺(tái)，監(jiān)測南幫西側(cè)及西幫內(nèi)排土場。

南露天煤礦IBIS－FM 邊坡雷達(dá)不受極端天氣影響，實(shí)現(xiàn)了全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測；監(jiān)測精度高，最高可達(dá)到0.1 mm；監(jiān)測距離遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)4 km；監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋傳輸?shù)秸{(diào)度中心，實(shí)時(shí)顯示邊坡三維監(jiān)測信息、形變曲線[6]。邊坡雷達(dá)采用三級(jí)預(yù)警機(jī)制，預(yù)警信息以短信，郵件和監(jiān)測設(shè)備聲光預(yù)警等多種形式發(fā)送至預(yù)警群中，技術(shù)人員進(jìn)行預(yù)警分析、預(yù)測預(yù)報(bào)。

2.2 GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

GNSS 自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)由26 個(gè)GPS 監(jiān)測點(diǎn)、2個(gè)深部巖移監(jiān)測點(diǎn)、2 個(gè)地下水位監(jiān)測點(diǎn)及1 個(gè)降雨量觀測點(diǎn)組成。系統(tǒng)采用自動(dòng)測量、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)邊坡動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、采集、傳輸及分析，實(shí)現(xiàn)地表位移、深部巖移、降雨量和地下水位的24 h 連續(xù)性遠(yuǎn)程監(jiān)測[7]，為邊坡安全評(píng)價(jià)提供多源數(shù)據(jù)參考。

3 北幫邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 雷達(dá)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2022 年2 月1 日，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，南露天煤礦對(duì)距北幫觀禮臺(tái)東側(cè)約600 m 處煤層進(jìn)行開采，2月2 日夜間23 點(diǎn)開采后露出煤層底板，2 月3 日凌晨2 點(diǎn)45 分，1＃邊坡雷達(dá)顯示北幫546 m 水平～煤層底板區(qū)域報(bào)黃色預(yù)警，實(shí)時(shí)速度為－5.06 mm/h，速度呈增大趨勢。根據(jù)現(xiàn)場巡查，2022 年2 月3 日，距北幫觀禮臺(tái)東側(cè)600 m 處，546 m 水平～煤層底板發(fā)生小型滑坡。

根據(jù)雷達(dá)監(jiān)測結(jié)果可以將此次小型滑坡過程分為4 個(gè)階段：勻速變形階段、加速變形階段、趨于穩(wěn)定階段及穩(wěn)定階段[8]。

1）勻速變形階段。北幫碎裂結(jié)構(gòu)巖體后緣拉裂破壞尚未形成，由于開挖坡腳過大，邊坡整體抗滑力等于下滑力，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，發(fā)生勻速變形，邊坡內(nèi)部原有裂縫逐漸發(fā)育、貫通，巖層間力學(xué)強(qiáng)度逐漸降低。

2）加速變形階段。邊坡內(nèi)部原有裂縫逐漸發(fā)育到一定程度，邊坡后緣巖體發(fā)生拉裂破壞，抗滑力瞬間降低，下滑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗滑力，碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡發(fā)生加速下滑，底板泥巖為邊坡失穩(wěn)的滑移面，隨著邊坡的滑移，底板泥巖的力學(xué)強(qiáng)度逐步降低，使整體邊坡進(jìn)一步加速下滑[9]。

3）趨于穩(wěn)定階段。隨著邊坡的持續(xù)下滑，滑坡體逐漸堆積于坡腳處，坡腳處堆積的滑坡體增加了邊坡的抗滑力，使邊坡下滑速度逐漸降低，邊坡慢慢趨于穩(wěn)定階段。

4）穩(wěn)定階段。當(dāng)堆積于坡腳處的滑坡體增加到一定程度時(shí)，滑坡體下滑力小于抗滑力，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡角及邊坡高度較滑坡前大大降低。

3.2 GNSS 位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2022 年3 月11 日，距北幫觀禮臺(tái)東側(cè)300 m處，北幫595 m 水平地表發(fā)育3 組裂縫，580 m 水平平盤發(fā)育三組裂縫，580～565 m 水平坡道發(fā)育1 組裂縫。根據(jù)GNSS 監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的北幫裂縫區(qū)域邊坡位移剖面矢量圖如圖1。

圖1 裂縫區(qū)域邊坡位移矢量圖

535 m 水平以上為雜色泥巖邊坡，535 m 水平以下為內(nèi)排土場邊坡，雜色泥巖及內(nèi)排土場底部發(fā)育著1 層軟弱底板泥巖。目前邊坡處于蠕動(dòng)階段，邊坡594 m 水平向下移動(dòng)，為邊坡蠕動(dòng)后緣，由于后緣位移傾角遠(yuǎn)大于底板泥巖傾角，可以推斷蠕動(dòng)體后緣為拉裂破壞而非順層滑移；575 m 水平與550 m 水平均平行底板泥巖向下移動(dòng)，可以推斷雜色泥巖與底板泥巖分界面為蠕動(dòng)邊坡的順層滑移滑面；535 m水平向斜上方移動(dòng)，推斷為邊坡蠕動(dòng)體的剪出口；505 m 水平豎直向下移動(dòng)，為內(nèi)排土場均勻沉降所致，故此處邊坡蠕動(dòng)變形機(jī)理為后緣雜色泥巖拉裂，以底板泥巖為滑面的后緣拉裂＋順層滑移破壞，下部由于535 m 水平內(nèi)排壓腳高度不足，在此處剪出，潛在滑坡體595～535 m 水平，邊坡角21°，邊坡高60 m。為快速使邊坡蠕動(dòng)體恢復(fù)穩(wěn)定，采取對(duì)535 m 水平進(jìn)行進(jìn)一步壓腳，頂部削幫剝離的綜合治理措施，治理后，雷達(dá)顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 觀禮臺(tái)區(qū)域邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2022 年4 月6 日，距北幫觀禮臺(tái)東側(cè)100 m處，580 m 水平平盤發(fā)育1 條新裂縫，長約8 m，寬約1 cm。此日起觀禮臺(tái)區(qū)域邊坡開始產(chǎn)生變形，利用IBIS－FM 邊坡雷達(dá)對(duì)其各坡面進(jìn)行了監(jiān)測，觀禮臺(tái)區(qū)域邊坡監(jiān)測曲線如圖2。

圖2 觀禮臺(tái)區(qū)域邊坡監(jiān)測曲線

根據(jù)邊坡雷達(dá)監(jiān)測數(shù)據(jù)，550 m 水平以下邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，日位移量1 mm 以下；550 m 水平以上邊坡處于邊坡變形階段，日位移量2 mm 以上，可以推斷北幫觀禮臺(tái)邊坡剪出口位于550 m 水平，潛在滑坡體為595～550 m 水平，邊坡角28°，邊坡高45 m。目前邊坡處于加速變形階段，但加速度較小，邊坡位移速度處于可控狀態(tài)[10]。此時(shí)，后緣裂縫尚未貫通，后緣拉裂破壞尚未形成，邊坡抗滑力與下滑力相等，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)后緣裂縫貫通時(shí)，蠕動(dòng)體后緣將發(fā)生拉裂破壞，抗滑力瞬間降低，蠕動(dòng)體將發(fā)生不可逆的大范圍滑坡，觀禮臺(tái)將隨之發(fā)生破壞，可能造成人身財(cái)產(chǎn)傷害。

受觀禮臺(tái)東側(cè)600 m 區(qū)域持續(xù)變形影響，北幫觀禮臺(tái)區(qū)域也隨之發(fā)生變形，地表出現(xiàn)數(shù)條裂縫，3月份595～550 m 水平邊坡角28°，邊坡高45 m。后期，對(duì)觀禮臺(tái)565～550 m 水平邊坡進(jìn)行了回填壓腳，壓腳后，595～550 m 水平邊坡角23°，邊坡高45 m，并由于觀禮臺(tái)東側(cè)600 m 區(qū)域邊坡經(jīng)過削坡減載＋回填壓腳治理穩(wěn)定后，其不在對(duì)觀禮臺(tái)邊坡產(chǎn)生影響，觀禮臺(tái)邊坡便處于穩(wěn)定狀態(tài)。故觀禮臺(tái)區(qū)域邊坡的變形機(jī)理為：受觀禮臺(tái)東側(cè)600 m 區(qū)域蠕動(dòng)側(cè)向力影響，觀禮臺(tái)邊坡發(fā)生變形，其破壞模式仍為后緣拉裂＋順層滑移破壞。

由上可知，觀禮臺(tái)及東側(cè)600 m 區(qū)域在發(fā)生變形后，雜色泥巖邊坡當(dāng)邊坡高45 m 時(shí)，邊坡角達(dá)到28°，處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)邊坡高60 m 時(shí)，邊坡角達(dá)到21°，處于極限平衡狀態(tài)（煤層底板泥巖傾角11°～12°），以此作為回填壓腳及削坡減載綜合治理的依據(jù)，治理效果良好，邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示北幫處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

1）通過邊坡雷達(dá)及GNSS 等技術(shù)手段，對(duì)北幫邊坡進(jìn)行了監(jiān)測預(yù)警。

2）對(duì)北幫碎裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了各個(gè)區(qū)域滑坡要素、發(fā)育階段及邊坡變形機(jī)理。

3）對(duì)北幫變形邊坡采用了削坡減載＋回填壓腳的綜合治理措施，治理效果良好，邊坡位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示北幫處于穩(wěn)定狀態(tài)。