基于IBIS-FM 雷达的软岩浅表顺层片帮监测与变形规律研究

董蒙蒙

（新疆天池能源有限责任公司 南露天煤矿，新疆 昌吉 831100）

露天煤矿边坡岩体主要以沉积岩为主，强度较低，层理和软弱夹层较为发育，结构类型以层状结构为主。受矿产资源赋存条件、开采工艺与技术等因素的限制，倾斜煤层露天矿的开挖必然形成顺层边坡，且大多数处于非工作帮[1]。随着开采深度的增加，该类型边坡的变形失稳问题普遍存在，并已成为露天煤矿安全高效生产的重大隐患。新疆、内蒙矿区多个露天矿煤层底板中常见由软弱夹层控制的顺倾结构面[2]，并产生受该结构面引发的“挠曲－滑移－坐落”式破坏。如何对该类边坡进行监测预警和管理，以保障煤矿安全高效生产，是边坡工程技术人员和管理人员亟待解决的关键问题。

随着科技的发展，滑坡监测技术和手段亦较为丰富，主要有边坡雷达监测、GNSS 监测、卫星遥感解译技术、TDR 技术、INSAR 技术、分布式光纤边坡监测等[3]。

1 工程概况及地质特征

研究区地处新疆准东煤田大井矿区西南部，帐篷沟背斜东翼南部，地层呈走向东北－东、倾向南东－南的单斜构造，倾角4°～15°；西侧露头附近，煤岩层倾角较大，表现为浅部陡、深部缓的变化趋势。2018 年1 月，新疆天地能源南露天煤矿针对西帮开展了补充地质勘查工作。经查明：西帮边坡520 m 水平至430 m 水平煤层底板倾角高达30°～38°（原西帮设计边坡角为28°）；边坡岩体主要由泥岩、砂岩和泥质粉砂岩构成，煤层底板赋存1 层黏土质泥岩，除上部风化带外，砂岩完整性好，相对较硬；泥质粉砂岩为弱胶结，手捻易碎，呈砂状，微湿，为主要弱含水层；受其浸泡，泥岩顶板接触面相对较软。成岩作用差的弱胶结泥质粉砂岩及受水浸泡的泥岩为西帮主要的弱层。岩体主要是泥砂岩互层结构，弱层间距为2.5～10 m 不等，大部分间距4～6 m，单一岩层内层理发育，使其地质条件更为复杂。上述因素对西端帮边坡稳定极为不利，受其影响，2017—2019 年西帮520 下部边坡多次出现片帮现象。

2 雷达监测系统

1）IBIS-FM 雷达。IBIS-FM 雷达是一个集合了步进线性调频连续波技术（LFM-CW）、合成孔径雷达技术（SAR）、干涉测量技术、永久散射体技术的高新技术产品，主要应用于地表变形监测（露天矿滑坡、不稳定边坡和冰川等）和建筑物变形监测（大坝、桥梁、高塔等），IBIS-FM 雷达主要参数及性能见表1。IBIS-FM 雷达能够进行大范围面状监测、远程遥感监测、全天候实时动态监测等，成果直观快速可靠，及时对矿山各种危险区域做出灾害早期预报，极大地减少或避免灾害对矿山人民生命财产造成的损失。己在我国及国外多个矿山得到广泛应用，对于灾害早期预报和防治具有革命性的意义。

表1 IBIS-FM 雷达主要参数及性能

2）雷达布设位置和监测范围。滑坡的监测应该根据边坡的具体规模、变形阶段、危险性等级、监测设备、施工要求等因素的不同而设计不同的监测方案。为有效监测西帮片帮区域，IBIS-FM 雷达布设于南帮520 m 水平，充分保证雷达发射的电磁波垂直于区域坡面，布设点至监测区域约0.8～1.6 km，监测精度及范围较为合理。

3 浅表顺层片帮监测及数据分析

3.1 片帮现场踏勘

2019 年7 月27 日西帮北侧泥岩发生垮落，宽约25 m、高约8 m，面积约200 m2，滑体下部厚1 m左右，上部厚约10～20 cm。

3.2 片帮区成因分析

软岩顺层边坡的岩体主要由泥岩、黏土岩等组成，一般情况下单轴抗压强度小于30 MPa。该类边坡的稳定性很大程度上受软岩的力学性质控制[4-6]。

低倾角边坡在开挖后，由于卸荷作用，边坡岩体向坡前临空方向发生剪切蠕变，在其后缘易产生自坡面向深部发展的拉裂缝或使己有的裂缝不断向下扩展，如果有雨水渗入裂隙，将产生强大的静水压力，同时软岩遇水强度降低。当裂隙贯通时，可发生小中等规模的类似土质边坡的蠕滑-拉裂型破坏，破坏面形状多呈圆弧形。中等倾角边坡在角度较大时，多形成滑移-拉裂型顺层滑坡角度小时，则多形成蠕滑-拉裂型圆弧形失稳破坏。陡倾角边坡其倾角一般不超过40°～50°。多数情况下边坡的稳定性较差，多形成顺层滑移-弯曲-溃屈型破坏、顺层滑移-前缘剪出型失稳破坏和滑移-拉裂型圆弧形破坏等破坏形式。

南露天煤矿西帮490～460 m 区域于2019 年7月共发生4 次片帮，片帮区主要为底板泥岩，由于底板泥岩抗剪强度较小，加之采煤作业影响，泥岩在自重作用下，沿底板光滑面产生顺层滑落，形成的滑体堆积在下部平盘2～5 m 处。以上片帮主要集中在新揭露的底板泥岩区域，片帮具有前期边坡变化不明显、突发性强、速度快、范围相对较小等特征。

3.3 雷达监测

坡体表面位移是岩体结构、地质构造、滑带岩体强度、地下水等内外部影响因素对滑坡作用的综合反映。开展雷达监测工作对边坡稳定性评价及预测预报均具有重要工程意义。同时，坡表位移监测具有直观、简便、快速等优点，亦无需提前开展钻孔等工作，工作量相对较小，是边坡监测最直接、高效的监测手段[7-10]。通过坡表位移监测，分析速度变化曲线，来达到边坡预警的目的。

3.4 监测数据

通过地质勘查结果分析，西帮490～460 m 地区为主要的片帮发生区，对这个区段进行监测，记录雷达速度变化-时间曲线，分析曲线中存在的特征值并对照此时的实际地质现象，归纳分析其中规律，为后期的滑坡预警提供依据，

2019 年7 月2 日15：06，西帮472 m 水平靠南侧报四级红色预警，通过查看监控，预警位置位于第1 次472～460 m 片帮北侧偏下，根据雷达速度曲线显示14：11—15：07 内速度变化较为明显，速度由0.244 mm/h 变化至-2.141 mm/h，1 h 变化约2.4 mm。西帮472～460 m 雷达速度变化曲线如图1。

图1 7 月2 日西帮472～460 m 雷达速度变化曲线

2019 年7 月7 日22：52，7 月2 日西帮西北角470～460 m 速度为－3.423 mm/h，此时为边坡变形初期至片帮时期。根据相应时段的速度曲线分析此次片帮整体趋势符合片帮或滑坡速度曲线，此时西帮西北角470～460 m 发生片帮。7 月7 日西帮470～460 m 雷达速度变化曲线如图2。

图2 7 月7 日西帮470～460 m 雷达速度变化曲线

2019 年7 月18 日5：58，西帮490～466 m 报蓝色预警，雷达监测人员将预警区域圈出，并分析预警区域速度变化，根据雷达速度曲线3：30—5：58 内速度变化较为明显，速度由－0.009 mm/h 变化至－2.573 mm/h，1 h 变化约2.6 mm。7 月18 日西帮490～466 m 雷达速度变化曲线如图3。

图3 7 月18 日西帮490～466 m 雷达速度变化曲线

2019 年7 月27 日20：55，西帮北侧480～464 m报黄色预警。雷达监测数据显示预警区域面积为271 m2，位移量为－2.337 mm，实时速度为－3.422 mm/h。21：12 预警区域报蓝色预警，查看监测数据位移快速变化至－6.866 mm，实时速度为－6.907 mm/h。7 月27 日西帮480～464 m 雷达速度变化曲线如图4。

图4 7 月27 日西帮480～464 m 雷达速度变化曲线

3.5 雷达监测数据分析

1）变形阶段划分。根据4 次片帮雷达数据分析，发现边坡雷达片帮前后速度预警曲线具有一定规律，通过实际边坡的滑塌情况和预警曲线特征值相对照，片帮前后共分为5 个阶段：①边坡稳定期：该阶段雷达速度曲线基本不变，表明边坡岩体处于稳定状态，不易发生滑坡；②边坡变形初期至开始片帮时期：该阶段速度曲线呈现突变，岩体即将发生位移滑动；③片帮区域剧烈变化时期：该阶段曲线变化较明显，时间较短，岩体发生剧烈滑动；④片帮后缓慢蠕动时期：该阶段曲线变化幅度较大但变化时间相对较长，表明岩体在片帮后缓慢滑动，逐渐趋于稳定；⑤片帮后滑体稳定时期。边坡雷达片帮前后速度预警曲线如图5。

图5 边坡雷达片帮前后速度预警曲线

2）监测预警阈值。南露天煤矿边坡雷达预警时间均处于第②时期（即边坡变形初期至开始片帮时期），属于超前预警。根据成功预警经验，边坡雷达一般在片帮前15 min 发出预警，预警时速度在2.5～3.5 mm/h 范围内，速度变化较为明显，具体体现在短时间内出现曲线明显下滑迹象。

4 结论

1）新疆天池能源南露天矿西帮底板泥岩边坡呈现明显的“挠曲－滑移－坐落”式破坏特征。

2）对于该类型片帮，雷达监测数据曲线可划分为5 个明显的阶段：①边坡稳定期；②边坡变形初期至开始片帮时期；③片帮区域剧烈变化时期；④片帮后缓慢蠕动时期；⑤片帮后滑体稳定时期，每个阶段具有不同的特征。

3）新疆天池能源南露天矿西帮的预警速度设定在2.5～3.5 mm/h 范围内，可达到较好的预警效果。