边坡监测与治理技术在高寒矿区露天煤矿生态修复中的应用研究

2024-04-24李聪聪江晓光王伟超

中国矿业 2024年4期

李聪聪，王佟，赵欣，李飞，蔺楠，江晓光，王伟超

（1. 西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054；2. 中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西西安 710199；3. 中国煤炭地质总局，北京 100038；4. 中国煤炭地质总局碳中和研究院，北京 100039；5. 中国煤炭地质总局广东煤炭地质局，广东广州 510170；6. 中国煤炭地质总局青海煤炭地质局，青海西宁 810015）

0 引言

不稳定边坡的监测与治理是露天矿山开发和生态修复的重要内容。在露天矿山开发和生态修复治理活动中，不规范作业诱发边坡安全事故屡有发生，造成了巨大的经济损失。如2023年2月22日，内蒙古自治区阿拉善盟新井煤矿边坡发生大面积坍塌，造成多名作业人员和车辆被掩埋[1]。因此，必须高度重视露天矿山工程活动中的边坡监测工作，并根据边坡发育特征制定合理的监测和治理方案，保障露天矿山工程活动的安全[2-3]。由于边坡岩土体性质的复杂性和影响因素的多样性，露天矿山工程治理活动中，边坡是主要的安全隐患之一，特别是随着矿山开采程度的增加和修复治理活动的大规模开展，不稳定边坡安全问题愈发突出。不稳定边坡监测和治理逐渐成为露天矿山生态修复的重要内容，也成为国内外学者研究的热点问题[4-7]。边坡变形监测技术经历了最初的简单仪器测量，逐渐发展到使用电子光学仪器测量，目前，国内外边坡监测技术主要有边坡稳定性模拟、卫星遥感、无人机测量、光纤传感器及综合监测手段[8-14]，逐步由传统单一监测手段向全天候、高精度、自动化、“空天地”多源立体综合监测发展[15]。

2020年8月，青海省启动了“木里矿区以及祁连山南麓青海片区生态环境综合整治三年行动”。木里矿区地处青藏高原东部高寒地区，生态环境综合整治面临系统的科学问题，针对高寒地区边坡稳定性分析要综合考虑地温、冻融和水环境等条件[16-18]，更具复杂性。关于高寒地区露天矿山边坡治理，前人主要在边坡冻融破坏特征、植被固化措施和边坡稳定性分析等方面开展了研究[16-19]，但针对露天煤矿大型不稳定边坡一体化治理监测的研究较少。目前关于木里矿山环境修复技术和治理成效监测等方面取得了显著的研究成果[20-29]，并且从生态地质层理论的角度，提出了矿山生态修复的核心在于生态地质层的构建[27-28]。边坡治理是生态地质层构建的重要环节，对于修复治理工程的成功意义重大。

1 研究区概况

1.1 自然环境与地质采矿条件

木里矿区地处中祁连山南麓腹地，海拔为3800～4200 m，平均海拔为4100 m，以高原冰缘地貌类型为主，总体呈西高东低、南高北低，四季不明显，气候寒冷，昼夜温差大，属典型的高原大陆性气候，矿区总体构造形态为一NW-SE向复式向斜构造，含煤地层为侏罗系江仓组和木里组，含主要煤层6层，含煤地层上覆堆积物薄或直接出露。木里矿区由聚乎更区、江仓区、哆嗦贡玛区和弧山区组成，其中以聚乎更区开发规模最大，引发的矿山环境问题最多，因此，本文以聚乎更区为目标开展研究。

1.2 采动生态环境损伤

以往矿山开发对原生态环境造成了一定程度的扰动和破坏。聚乎更区内主要生态环境问题具体表现为地形地貌景观破坏、植被及土壤层破坏、土地损毁和压占、冻土破坏、水系湿地破坏、采坑积水、地下水含（隔）水层破坏、土地沙化与水土流失及不稳定边坡等九种类型。露天开采多以挖损破坏、堆积破坏为主，不仅造成了原生地形地貌景观破坏，更破坏了地形地貌的完整性，加之高寒地区露天矿山特有的冻胀融沉作用等原因，在重力作用下坡体产生拉张裂缝和剪张裂隙，导致边坡失稳。因此，不稳定边坡是矿山环境修复治理中首先要处理的地质灾害隐患问题。通过监测和工程治理手段，识别不稳定边坡分布特征，消除不稳定边坡隐患，可为矿山生态修复奠定稳定的地形基础。

不稳定边坡主要位于采挖形成的高陡边坡和堆积形成的渣堆四周，边坡失稳直接导致地表植被破坏、坡度陡峻、基岩出露，加之物理风化作用和雨水冲刷产生裂隙，地表水下渗，易沿坡体形成危岩危坡，局部稳定性较差。开挖产生大量的废石、冻土和渣石等，在采坑附近层叠堆放，形成高达50 m以上的渣堆，由于压实处理不到位、排水不及时，加之矿区内特有的冻胀融沉作用等原因，在重力作用下坡体产生拉张裂缝和剪张裂隙，导致边坡失稳。基于现场勘查与边坡稳定性评价结果的综合分析，在聚乎更区内共发现不稳定边坡11处，集中发育在4号井、5号井和7号井，从发育部位来看，多位于渣堆的边坡处，共9处，采坑内多为基岩，稳定性相对较好，不稳定边坡发育仅发现2处（图1）。

图1 聚乎更区不稳定边坡分布Fig. 1 Distribution of unstable slopes in Juhugeng Area

2 边坡监测体系与治理技术

聚乎更区内大多数边坡处于亚稳定状态或不稳定状态，部分渣山边坡已处于失稳状况。通过“天空地时”多源数据融合和多手段在线监测系统，全面识别、监测和评估区域渣山边坡的稳定性。综合采用遥感技术、地表调查、物探及钻探等技术开展“天空地时”一体化多源多层次数据核查对比，将InSAR技术和无人机摄影测量技术相结合，对不稳定边坡上不同部位的滑移速率进行监测。掌握不稳定边坡规模、空间形态及滑动结构面等情况，根据边坡所处地质环境条件，分析其控制因素、影响因素和诱发因素，为不稳定边坡精准探查和治理提供依据。

2.1 “天空地时”一体化不稳定边坡实时监测体系

以多源遥感技术（卫星、无人机）为核心，辅以常规的地表监测、地质调查、物探、钻探等技术，构建了“天空地时”一体化不稳定边坡探查监测体系（图2）。天基卫星遥感通过多光谱和InSAR数据对边坡表面发育特征、地表沉降等进行宏观尺度探测；低空无人机遥感主要通过无人机搭载不同的传感器，采集高精度地表高程模型、高分辨率正射影像和三维倾斜摄影数据，对边坡表面发育特征进行中观尺度精细探测；地基以地质测量、物探、钻探及GNSS多手段融合探测为主，对边坡体内部结构、活动面发育特征进行精准勘查，实现对边坡冻土层岩性特征、分布范围和渣山滑坡体底界面含水情况、渣山内部冰冻层深度、厚度及范围、基岩力学性质及采坑边坡稳定性的准确解释。

图2 “天空地时”不稳定边坡探查监测体系Fig. 2 Unstable slope exploration and monitoring system of “aerospace-low altitude-ground-time”

时间尺度上，通过矿山开采以来边坡多时序变化数据的对比，分析边坡范围在开采前、开采中及修复治理阶段形成和发育的过程，为精准分析边坡特征和科学制定修复治理方案提供历史数据。将多空间尺度和多时序探查监测数据融合分析，实现对工程治理中的不稳定边坡的精准探测，保障不稳定边坡工程治理的科学性和安全性。

2.2 不稳定边坡识别技术

将光学遥感、SAR遥感与无人机遥感、地质测量等技术手段相结合，从不同尺度进行不稳定边坡识别，通过高分辨率光学遥感解译，可以直观分析不稳定边坡发育的岩性、构造、水系和工程活动等因素，识别不稳定边坡的产状、类型、裂隙和活动方式等，初步确定不稳定边坡的分布特征；InSAR技术是监测边坡形变的有效手段[30-31]，主要针对不稳定边坡的活动特征进行动态识别，特别是高寒地区光学影像受云雾的影响大，不能直观显示不稳定边坡形变特征时，采用SAR遥感影像，可避免高寒地区云雾覆盖和地表植被的影响，结合时间序列干涉分析，选取线性形变速率模型进行反演，获取治理前不稳定边坡地面沉降速率和累计形变量等信息，快速有效识别不稳定边坡活动特征。针对局部边坡形变大造成了SAR影像失相干，如4号井南渣山滑坡下部，单一采用SAR手段不能全面解决大形变问题，需结合无人机低空遥感测量手段，以前后两期无人机测量的高精度DEM数据对失相干区进行补充计算，弥补SAR遥感对不稳定边坡大形变区识别的局限。特别是采用无人机倾斜摄影技术，获取不稳定边坡高精度三维模型，直观立体识别边坡裂缝、边界和微形变等，通过综合手段多源数据的相互补充，保障不稳定边坡识别的准确性。

2.3 不稳定边坡治理技术

采用瑞典条分法进行边坡稳定性模拟，将渣山视为各向同性的均质散体，内部各点的抗剪强度相同，呈现圆弧形滑动面，根据岩土力学测试，渣山密度为2.05 g/cm3，黏聚力C值为0，内摩擦角φ值为38°。根据《煤炭工业露天矿设计规范》（GB 50197—2015）对边坡稳定性要求滑动安全系数大于1.5，通过数值模拟和稳定性计算，对于渣山边坡而言，坡度角≤26°时安全系数大于1.5（图3）[29]。通过对大量自然边坡实测和植被覆盖度数据进行对比分析，发现边坡坡度与植被覆盖率呈负相关关系，坡度越陡，水土流失作用越强，植被长势越差，坡度≤26°时，植被覆盖率明显上升，综合确定适合高寒地区渣山边坡稳定的坡度为≤26°。

图3 渣山边坡稳定性计算Fig. 3 Stability calculation of slag hill slope

为了保证边坡稳定，并且为后期复绿创造良好的立地条件，采用高危渣山降高减载和边坡减坡治理技术，使治理后的边坡达到稳定状态。通过对采坑上部台阶清坡，渣山削坡整形、碾压，将采坑边坡平台和渣山塑造为稳定的种床，对边坡进行清坡处理，消除浮石和崩塌等灾害，对渣山削坡减荷，仿自然状态下最适宜高寒植被生长的边坡坡度≤26°进行治理，将渣山的总体高度控制在30 m以下，坡体由台阶组成，台阶高度为10 m，台阶坡面角为20°，整体边坡角不高于26°，并使用重型机械进行碾压，保证渣山边坡的稳定，坡面修筑截排水沟，避免造成水土流失（图4）。

图4 采坑边坡和渣山边坡治理技术示意Fig. 4 Schematic diagram of treatment technology of pit and slag hill slopes

冻融作用是高寒地区特有的边坡影响因素，反复的冻结消融对边坡稳定影响较大，尤其是研究区渣山边坡物质普遍含水量高，在治理中需充分考虑冻融因素对边坡的影响，在边坡治理时间的选择上，充分利用高寒地区特有的低温冻结作用，经对木里地区多年气温数据分析，选择11月—12月底冬季严寒季节（平均温度-18 ℃，最低温度-33 ℃）施工，使边坡治理时水均为冻结状态，将冻融作用对边坡的影响降至最低，确保边坡治理的安全。

3 4号井南渣山滑坡监测与治理方案

聚乎更4号井南渣山滑坡是矿区内规模最大的不稳定边坡，该边坡位于4号井主采坑南侧人工堆积的渣体上，呈圈椅状，东西长780～1520 m，南北宽1000 m，高差约173 m，滑动方向NNE。主要由采矿人工堆积的砂泥岩和砂质土组成，砂土含量比为1∶1，以自然压实为主，松散堆放于采坑边部，遇水后成团块状，长期受大气降水淋滤下渗、渣体自重作用下部分地段压垮采坑边帮基岩，该滑坡呈蠕滑变形，滑坡体表层发育密集的拉张裂隙，由滑体下部向上部拉张裂隙发育程度逐渐减弱，属于牵引式滑坡。

3.1 多手段的边坡监测

根据物探及钻探勘查，4号井南渣山滑坡存在两个滑移面，分别为常年冻土上限、渣土层与原采坑基岩的界线。冻土上限较平缓，受现状地形控制，渣土层与原采坑基岩的界线整体向NE倾斜，局部起伏，中部原河道区域深度最大，向东、向西逐渐抬高。

高密度电法探测和钻探验证显示原上哆嗦河古河道位置呈现明显的低阻条带（图5），说明虽对天然河流进行了人为改道，但天然河流的汇水径流通道仍然存在，导致滑坡底部的渣山长期处于饱水状态，且向采坑方向缓倾斜，渣体和基底间的阻抗力大大降低，渣山沿河流汇水通道方向缓慢位移，是滑坡产生的根本原因。

图5 聚乎更4号井南渣山滑坡体内部结构Fig. 5 Internal structure of the landslide on slag hill of Juhugeng well 4

滑体前缘采坑边帮基岩长期受潜水淋滤侵蚀，其中，泥质岩吸水软化，在上覆渣山重力作用下，边帮垮塌变形，基底有效载荷降低，加之高寒地区特有的冻融作用，加剧了滑坡变形和滑体向采坑方向的位移；滑坡由前缘向后缘逐步发展，前缘发生滑坡后，渣山坡脚失稳，在前缘牵引作用下，促使滑坡不断以蠕滑方式向后缘发展。

3.2 渣山边坡治理

聚乎更4号井南渣山高度50～90 m，渣山中部已经发生了滑坡，为保证渣山稳定，对南渣山滑坡后缘中部进行削顶减载，提出了“后缘降高减载+边坡减坡+水系连通+综合监测”的治理措施（图6）。即保持边坡东西两端不动，对渣山中部滑坡后缘进行削顶减载，形成中部低、东西高的形态，新形成的平台与东西两侧现有平台衔接，中部形成由南向北倾斜的大缓坡，高程由原来的4040 m削减至4010 m，并辅以边坡截排水措施，同时在工程治理中持续性开展边坡活动监测。后缘削坡减载后，整体边坡形变位移减小，除了受高寒地区季节性冻融作用的影响，边坡形变范围-3.5～2.0 cm外，总体基本趋于稳定，尤其是治理后的边坡后缘形成稳定的大平台，既消除了对边坡前缘的载荷，又为后期植被复绿提供了稳定的立地条件。

图6 渣山滑坡后缘减载治理技术示意Fig. 6 Schematic diagram of load reduction treatment technology for landslide trailing edge on slag hill

3.3 治理后的边坡监测

为了保证实时掌握治理后边坡变形情况，在滑坡前缘变形区按测线布设地表位移变形监测点，在贯穿性和变形鼓胀严重区域的裂缝布设简易裂缝计。沿滑移方向按照每100 m布设1个地表位移监测点，垂直于滑移方向按照每200 m布设1个地表位移监测点，形成监测网点，其中，检测线并非等距（图7）。根据裂缝的发育情况，选择贯穿性主裂缝和变形鼓胀严重区域的裂缝，按照每50～100 m布设1个裂缝变形监测点。

图7 聚乎更4号井南渣山滑坡监测部署Fig. 7 Monitoring deployment of the landslide on southern slag hill in Juhugeng well 4

4 矿区监测与治理效果

通过叠加分析治理前2020年8月DEM数据与治理后2022年7月DEM数据，获取矿区生态修复工程实施前后的地表高程变化。监测数据表明：包含以边坡治理和采坑回填为主的地形地貌整治在渣山和采坑处均形成了明显的高程变化。实施的渣山削顶与边坡治理在渣山的顶部及周边区域带来了较为明显的地表形变（图8）。比较明显的是在4号井南部滑坡顶部通过削顶高程下降70 m，为滑坡稳定和植被修复创造了良好的地形条件，保障了整体的生态修复治理效果（图9）。采坑区实施的边坡整治与回填治理措施，在采坑内形成了0～10 m的高程增加，在边坡治理措施实施的采坑区内，因削坡回填压脚，地表高程均呈现0～3 m的上升变化。通过边坡治理和采坑回填，大部分渣山边坡坡度控制在26°以下，采坑岩质边坡保持稳定，边坡地质灾害发生率大大降低，保障了植被生态修复的立地条件，为整体系统的生态修复治理奠定了基础。

图8 边坡治理与采坑回填效果Fig. 8 Slope treatment and backfilling effect of mining pits

图9 聚乎更4号井南渣山滑坡治理前后对比Fig. 9 Comparison of landslide before and after treatment on southern slag hill in Juhugeng well 4

选取2022年1月4日和2022年12月29日InSAR数据，对治理后边坡进行地表沉降监测分析。结果表明治理后地表沉降程度趋于稳定，2022年度大体在-0.16～0.12 m发生微小变化，治理后的4号南渣山后端和北渣山边坡顶部区域的地表沉降最为明显，但最大不超过0.16 m，基本趋于稳定（图10）。