霍林河露天矿边坡监测预警和应急响应机制分析

丁 辉

（1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

露天矿山边坡滑坡是危害性极大的一种灾害，岩土体在爆破、地震、降雨和人工活动影响下，受重力因素控制很容易发生滑坡，滑坡灾害突发性强、治理难度大，对人员生命安全、矿山经济等带来重大破坏和威胁。随着边坡监测技术的不断发展和应用，一系列有效的监测方式如边坡雷达监测、GNSS 监测、三维激光扫描技术和卫星监测等手段被广泛应用，越来越多的滑坡灾害被有效的监测和预报[1-5]。

如何结合边坡监测手段建立相应的滑坡应急响应机制，减轻和避免灾害带来的经济损失和人员伤害成为一项重要的实践课题[6-10]。为此，以霍林河北露天矿边坡监测预警体系和应急响应机制为研究对象，分析监测预警与应急响应实施方面的效果。

1 工程概况

霍林河北露天煤矿位于内蒙古霍林郭勒市，矿区地层由晚侏罗世兴安岭群火山岩系及晚侏罗～早白垩世霍林河群含煤岩系和新生界第三系、第四系组成，矿区内地质构造以断裂构造为主，褶曲不太发育[11]。随着露天煤矿剥采工程的推进，边坡稳定性问题日益凸显。特别是采场北帮上部，由于多年的内外排土堆积，形成岩性松软的排土场边坡，当前部分台阶路面已经出现裂缝、底鼓、沉降迹象。因此建立切实有效的边坡监测预警体系，制定完善的应急响应机制，避免边坡灾害带来的生命安全威胁和经济损失，成为矿山关注的重要问题之一[12]。

2 边坡监测预警体系

露天矿山边坡监测的主要方式有人工巡检、GNSS 站点监测、三维激光扫描、无人机、INSAR 卫星监测和边坡雷达监测等方式。通过比对，北露天煤矿采用边坡监测雷达对露天矿边坡实时监测，形成了以边坡雷达监测为主，GNSS 站点监测为辅，兼顾无人机三维测测绘和现场人工巡检的监测预警体系。

2.1 边坡雷达监测

边坡雷达监测技术是21 世纪以来逐渐发展起来的新技术，边坡雷达监测的原理是通过向边坡目标发射电磁波并接收回波，计算目标与雷达方向的距离，通过周期性扫描获取数据，计算位移和速度等参数实现对边坡的实时动态监测和预警。

边坡雷达监测通过测量各个最小监测单元在雷达方向上的位移变化，由点组成面，运用一定的算法可计算监测区域平均位移变化。通过设置位移和速度预警阈值，在数据达到相应等级时触发报警落下去提醒，及时告知相关人员关注边坡变化情况。

边坡雷达监测具有监测范围广、适应性强和实时监测等特点，北露天煤矿根据矿区地质特点，应用边坡雷达对滑坡风险较大的西坑北帮排土场边坡进行重点监测。对重点监测区域内2021 年1 月1 日—2021 年7 月31 日监测周期内的历史数据进行统计，监测区域位移曲线变化图如图1。

图1 监测区域位移曲线变化图

从图1 可以看出，该时间范围内重点区域Ⅰ和区域Ⅲ，位移变化量波动不大，且位移量较小，区域内边坡整体处于稳定状态。而重点区域Ⅱ的位移变化量波动较大，且位移量较大，从整体上需要加强对该区域边坡的关注程度。

2.2 GNSS 监测

GNSS 站点位移监测包括x、y、h、2D 和3D 5 个位移数值，其中：x 为东西方向位移；y 为南北方向位移；h 为垂直高度方向的位移；2D 为水平方向上x和y 的矢量位移；3D 为空间中xyh 的空间矢量位移。GNSS 监测站点部署在重点关注的排土场、运输干线和变形区。对1 号～7 号站点的水平位移和高程位移数据统计，GNSS 位移曲线变化图如图2。

图2 GNSS 位移曲线变化图

从图2 可以清晰看出各个站点的月位移量变化值和位移突变情况。其中7 月份高程位移有明显增加趋势，由于进入雨季，随着降雨量的增加，边坡稳定受到一定的威胁，3 号站点在3 月份水平位移有突变现象，需要根据实地情况判断突变原因。

2.3 无人机监测

应用无人机三维测绘技术，建立露天矿山三维模型，每月更新1 次矿区三维模型，方便应用人员监视各工作面推进进度和作业完成情况。

3 边坡灾害应急响应机制

北露天矿依托监测预警体系，建立矿山边坡灾害监控中心，组建边坡灾害应急响应小组。以边坡雷达监测预警为报警发起点，以应急响应小组为管理决策点，以调度中心为指令中枢。

1）组织构成与分工。矿山组建边坡灾害应急响应小组，由管理层任组长，技术总工为副组长，组员由监控中心人员、调度指挥人员、技术专家、生产技术员、测绘员等组成。

组长和副组长是决策者，负责事件整体把控和决策指令的下达。组员的构成由多个部门的成员组成，涵盖一线工作者、技术人员和专家，人员数量最多，涵盖专业最广。测绘人员和生产技术人员是露天矿坑最直接的接触者，熟悉矿坑实际变化情况，获取一线数据；监控中心人员是所有数据的监控监测者，实时和周期性观测数据并记录；专家负责对汇总的数据系统和专业分析并提供建议；调度中心负责指令的下达与反馈。

2）预警机制与措施。根据露天矿地质情况和历史经验数据，建立露天矿黄橙红三级预警，黄色预警5 mm/h，橙色预警10 mm/h，红色预警15 mm/h。由于边坡监测雷达覆盖面广、实时监测、灵敏度高等特点，由边坡雷达监测的位移变形速度作为预警阈值的主要控制点。具体为：①黄色预警应对措施：现场工作人员加强对本岗位区域的地质情况进行观察、巡视，对安全状态进行确认；②橙色预警应对措施：现场工作人员立即停止作业，停止运行中的设备，人员和设备迅速撤到安全地点避险，没有恢复命令，不得返回原位；③红色预警应对措施：现场所有工作人员以最快的速度按疏散路线撤离危险区域。

3）应急响应流程。应急响应流程如图3，各类监测手段获取的监测数据汇总到监控中心，监控人员实时动态监测各类数据的变化，并根据三级预警机制判断下一步流程。调度中心接收监控人员的汇报并负责上报信息和下达指令。管理决策层根据调度中心汇报的信息，综合各部门的实际情况作出关键性判断，并下达指令。

图3 应急响应流程

4 案例分析

北露天矿西坑北帮上方为排土形成的软岩边坡，边坡体蠕动变形明显，是边坡雷达监测和人工巡检的重点关注区域。2020 年11 月22 日北帮边坡824～890 m 水平平盘，边坡体蠕动变形速率开始增加，边坡雷达监测位移和速度不断增加，监控人员将监测数据上报给技术人员并通知现场巡检。

22 日14 时边坡雷达监测异常变形区域内平均位移速度达到10 mm/h，触发橙色报警，监控中心人员立即上报矿方调度室，同时将数据上报给专家组，专家组经综合分析认为该处边坡长期处于不稳定状态，当前有裂缝和底鼓现象，且监测数据显示位移和变形速度正在持续增加，专家组认为边坡失稳的概率极高。

同时，专家组的结论和建议上报给调度人员。调度人员将汇总的信息统一上报管理决策层，管理决策人员下达命令，暂停该区域附近的一切作业活动，撤出作业区内人员和设备，禁止车辆进出该区域，做好应急准备。命令由调度室通知各作业区各部门相关作业人员，严格执行。

变形区域变形位移不断增长，且变形速度直线上升，很快触发红色报警并持续发展。此时，该区域附近各项作业已停止，设备和人员也撤离完毕。至23 日22∶00，最大速度达到120 mm/h，坡顶有较大裂缝，下部有剪出滑动。直至24 日02∶00，监测区域速度逐渐减小恢复正常。24 日白天经现场巡检和边坡雷达持续监测，发现该区域变形无继续发展趋势，报警解除。报警解除后，管理决策人员根据现场实际影响情况，组织人员和设备对滑坡影响区域进行清理和修复，经过一段时间的观测，确定无异常变形区和二次灾害影响的前提下，有序恢复该区域的作业。

5 结语

研究了霍林河北露天矿边坡监测预警体系构成及应急响应机制的运行效果，介绍了监测预警体系常用的监测手段和应急响应机制；分析了边坡雷达、GNSS 监测、无人机等监测手段在滑坡灾害发生过程中的监测预警作用，分析了应急响应机制的组织构成、预警机制、应对措施和实施流程；并进行了案例分析。结果表明：北露天矿边坡雷达等监测手段能有效预报预警滑坡灾害，应急响应机制合理、运转流畅。