防边坡滑坡预警监测技术在大煤沟露天矿的应用

2022-11-05关鹤伟

山东煤炭科技 2022年10期

关鹤伟

（青海义海能源大煤沟煤矿，青海德令哈 817000）

露天煤矿一旦边坡稳定性监测失控，采取措施不当，很容易导致边坡失稳而产生山体滑坡等地质灾害事故[1]。大煤沟露天煤矿自2005 年建矿开采以来，有记录的地震33 次。基于此，为及时处理大煤沟露天矿边坡岩体内发生的剧烈岩石动力现象，采用边坡雷达的方式来构建应急预警体系，通过预先布置多组监测点，提前采集震波信号，实现全天候、全时段、高精度、广范围的信号监测，以便及时采取措施撤离危险区作业人员至安全地带，降低人身伤害的风险。

1 大煤沟矿边坡采场工程概况

大煤沟煤矿隶属于义马煤业集团青海义海能源有限责任公司，为国有独资企业，开采方式为露天与地下联合开采。矿山生产规模130 万t/a，其中露天部分生产能力30 万t/a，井工部分核定生产能力100 万t/a。区内无地表径流且远离地表水体，岩石呈单斜产状，矿区内冲沟发育，多呈“V”字形。矿区基本地震加速度值为0.10 g，建筑抗震设防烈度为7 度。根据对矿区范围内的边坡地质条件进行研究，主要对滑坡模式与分区管理进行系统梳理，描述如下：

（1）滑坡模式。采掘场边坡地层主要由第四系土层和煤层、粗砂岩、粉砂岩、泥岩及砂质泥岩等组成。通过对大煤沟露天煤矿地质资料的收集、整理及分析并结合其地质勘查成果，西部边坡受岩石层理影响较小，加之坡体结构各岩层物理力学参数相差不大，在无断裂构造影响的情况下边坡滑坡模式为张裂缝—圆弧型滑坡；东部边坡坡向与岩层倾向相同，层理面物理力学参数相对岩层较小，其滑坡模式为折线形滑坡。

（2）边坡分区。根据采掘场工程地质条件、边坡几何形状和边坡倾向等因素，将大煤沟露天煤矿边坡划分为两个分区，即西区和东区。大煤沟矿边坡分区图如图1。

图1 大煤沟矿边坡分区图

① 西区边坡稳定性分析

西区为采场西部边坡，坡面形状为折线状，最终最大边坡高度为130 m，坡向与岩层倾向相反。坡体浅部为第四系，厚度约为4～10 m；深部主要由中砂岩、细砂岩、泥岩及煤岩等岩层组成，岩层裂隙发育，局部破碎，地下水位埋深约30 m。

选取该区典型剖面（A-A 剖面）对其进行稳定性验算，当坡高为H=130 m，最终帮坡角α=28°时，边坡稳定系数为1.378；坡角α=29°时，边坡稳定系数为1.347；坡角α=30°时，边坡稳定系数为1.304；坡角α=31°时，边坡稳定系数为1.231；坡角α=32°时，边坡稳定系数为1.183。西区边坡稳定性分析见表1。

表1 西区边坡稳定性分析表

② 东区边坡稳定性分析

东区为采场东部边坡，坡面形状为折线状，最终最大边坡高度为140 m，坡向与岩层倾向相同。坡体浅部为第四系，厚度约为3～7 m；深部主要由中砂岩、细砂岩、泥岩及煤岩等岩层组成，岩层裂隙发育，局部破碎，地下水位埋深约40 m。

选取该区典型剖面（B-B 剖面）对其进行稳定性验算。当坡高为H=140 m，最终帮坡角α=24°时，边坡稳定系数为1.380；坡角α=25°时，边坡稳定系数为1.352；坡角α=26°时，边坡稳定系数为1.313；坡角α=27°时，边坡稳定系数为1.225；坡角α=28°时，边坡稳定系数为1.179。东区边坡稳定性分析见表2。

表2 东区边坡稳定性分析表

2 边坡雷达监测技术

我国大型露天煤矿经常采用的边坡监测技术分为合成孔径雷达技术和真实孔径雷达技术两种类型。前者是在差分干涉雷达的技术基础上，通过在运动轨道上利用水平方向上的往复扫描影像来获得监测数据；真实孔径雷达则是利用雷达波的工作原理对边坡发生的微小形变进行监测，借助碟形天线的差值干涉方法进行测量数据采集。真实孔径雷达技术方法具有扫描反射角度大、数据采集快、较强的环境适应性等优点，很适用于露天煤矿的作业环境[2]。

在实际操作使用时，真实孔径雷达预警设备依靠不断地发射较高频次的雷达波来实现对边坡软岩的连续性观测，以类似像素光斑的方式进行渐进式来回扫描，通过对前后采集数据的信息对比，从而获得时间序列中边坡位移点的变化速度和移近量等相关参数信息，以此经过长时间的持续观测和反复对比，制作出在时间轴上有关位移变化和速度变化的曲线规律，为后期采取有效措施防范边坡滑坡以及及时有效地进行预警预报提供真实准确信息。

3 预警机制的构建

3.1 滑坡成因与过程

边坡滑坡实际上是一种地质灾害的动力现象，一旦发生将会严重影响露天煤矿的安全生产，造成巨大的经济损失。由于在露天煤矿开采过程中，边坡软岩受到弱岩层流变作用影响，会导致斜面边缘地带成为最不稳定、易受扰动的脆弱地区，当岩层发生蠕动变形，在脆弱地区会产生滑坡、片帮等动力现象。结合大多数实际发生的事故案例进行综合分析，可以总结出边坡滑坡大致经历的几个时期，可分为初始变形阶段、匀速变形阶段，加速变形阶段（该阶段又分为加速变形的初期、中期和后期），最终导致滑坡。对应产生滑坡的不同演变时期，也可以将滑坡监测的等级进行划分，即初始监测期、监测期，从Ⅲ级到Ⅰ级的监测响应期，直到预警期等[3]。滑坡过程与预警级别对照图如图2。

图2 滑坡过程与预警级别对照图

由图2 中对比关系可以总结出如下规律：

（1）在初始变形阶段滑坡表现为斜坡自由面短期移动，发生的速度快，形变量较小，属于初级阶段，不具备危险性。

（2）在匀速变形阶段则体现在斜坡自由面在时间轴线和形变两方面的持久均衡，持续在移动状态，但却形变细微，没有发生较大的变化，该阶段的危险性也较低。

（3）加速变形时期在初期、中期、后期都表现出明显的形变量增大、形变速度加快的特征，说明该时期内部受到的动力影响加大，体现在抛物曲线的曲率加大，处于滑坡的边缘时刻。该阶段危险性较大，且发生滑坡具有突发性和随机性，造成的伤害后果最严重。

3.2 危险级别划分

对危险级别的预警划分是根据滑坡在位移量和形变速度方面的反映数据快速监测到的失稳区域，结合横轴位移时间关系，即形变发生速度上的变化快慢，以及纵轴位移形变量关系，即形变实际发生量的真实数据进行综合比对，从而界定出三级响应预警机制[4]。预警级别划分见表2。

根据表2 中对于预警数值的分析解读，对应响应应急处置程序：

表2 预警级别划分表

（1）当形变监测量达到8 mm/h 时，即启动Ⅲ级黄色预警，将监测区域划分为重点管控，并报告调度室等职能部门。

（2）当形变监测量达到15 mm/h 时，即启动Ⅱ级橙色预警，并将该区域内的所有人员进行撤离，停止一切生产作业活动。

（3）当形变监测量达到30 mm/h 时，即启动Ⅰ级红色预警，立即通知全矿井人员停止所有采掘作业，撤离至地面安全地点。

4 应用效果分析

鉴于边坡滑坡的位移观测和移近速度观测，结合预警机制的建立，大煤沟煤矿在2020 年9 月23日成功处置一起边坡滑坡事故。23 日6：00 左右，监测系统显示位移移近量数据开始出现波动上升，直至晚22：00 左右移近量达到最大值，变形量约为1200 mm。与此同时，监测到的变形速度数据也出现在几乎同一时段，在23 日6：00 左右出现异常波动，在24 日凌晨00：00 左右达到峰值，然后急速下降，随后又出现较平稳波动，最终变形速率稳定在0 到-10 mm/h 左右。说明在该时间区段内边坡岩体内出现较为剧烈的岩石动力现象，导致出现滑坡。由于数据监测及时，采取行动有效，最终提前停止采掘作业，撤离人员至安全地带，没有发生人身伤害事故，有效避免险情。位移变化监测图如图3，变形速度监测图如图4。