霍林河北露天煤矿排土场边坡滑坡模式与雷达监测预警

韦忠跟 徐玉龙 丁 辉 杨国华

（1.煤矿安全技术国家重点实验室；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司）

近年来，我国各大露天矿排土场地质灾害发生频繁，特别是滑坡灾害，它的危害程度仅次于地震，边坡安全监测缺乏系统的技术研究，管理手段不规范，监测技术落后，导致事故发生，造成恶劣的社会影响。因此，做好排土场滑坡灾害监测和预警，对控制直接经济损失和人员伤亡显得尤为重要。

霍林河北露天煤矿内排土场位于一采区采场北帮，由于长期排土作业，已形成高陡边坡，加上北帮鼻梁道上部边坡泥质胶结，波状层理、裂隙发育。很容易受地质构造、地下水运动、大气降水及工程扰动等因素影响而发生片帮、滑坡等地质灾害，威胁安全生产。为此，基于北露天矿排土场地质情况，分析潜在滑坡模式，并应用边坡雷达技术，对排土场进行预警监测。通过案例分析北露天矿排土场的滑坡模式，为今后排土场的边坡设计、防治措施提供参考。

1 矿区概况

霍林河盆地地处大兴安岭南段脊部，是个山间盆地，海拔标高一般在930～980 m。盆地西南高东北低，海拔标高在870～940 m，最大高差在70 m左右。可采原煤量为455.32 Mt，核准产能为1 000万t/a，设计服务年限为41.39 a。

霍林河北露天煤矿所在区域为低山丘陵地貌，主要有F4和F6断层，F4断层位于北露天煤矿区的东侧，F6断层位于一、二采区之间［1］。在地表及浅部由于风化作用使岩石变为土状及硬土状，风化层内岩土表现为均质的致密状结构，在全风化及强风化带内，岩土性质不受地质构造面影响［2］。

2 水文地质条件

霍林河为煤田附近的主要水系，发源于南部罕山北麓，有査格达布拉格与和热木特季节小河汇入，流经煤田东缘，折向东流出煤田，在科右中旗高力板附近潜入地下，全长为250 km。霍林河在本区河谷宽阔，河床平缓。据位于该河下游的黑大庙水文站1973年4—9月的观测资料，最大流量为1.0 m3/s，最小流量为0.37 m3/s。洪水位标高，在勘探区南部为868.85 m，北部为824.15 m。

北露天煤矿内主要含水层有3层，分别为第四系砂砾石含水层、煤系风化带含水层和火山碎屑岩裂隙含水层。松散层砂砾石含水层全区分布，厚度为1.27～47.6 m，单位涌水量为0.134～1.361 L/（s·m）；煤系风化带含水层东部较厚，西部较薄，东部平均厚58.078 m，西部平均厚36.79 m，单位涌水量为0.696～1.7 L/（s·m）；火山碎屑岩裂隙含水层分布广范，集中发育在地面以下106 m内，最低标高为+721.702 m，厚度一般为30～40 m，单位涌水量最大可达46.026 L/（s·m）。各含水层均以大气降水为主要补给水源。且降水主要集中在6—8月这3个月。

3 排土场概述

北露天矿内排土场排弃物料主要来自采场边坡中的粉砂岩、细砂岩等，排弃物料的岩土物理力学指标：黏聚力为24 kPa，内摩擦角为5°，容重为19.1 kN/m3。露天采矿排土场的排弃物一般包括腐植表土、风化岩土、坚硬岩石以及混合岩土，有时也包括可能回收的表外矿、贫矿等。排土场事故主要包括排土场滑坡、排土场泥石流、排土场环境污染等类型［3］。

北露天煤矿划分为2个采区进行开采，分别为一采区和二采区，采场各帮边坡岩体均为软岩，坡体内弱层发育，强度较低；内排土场基底为21煤或24煤煤层底板，底板赋存弱层，排弃物料自身强度较低，内排土场自2019年7月开始变形，2020年6月6日，靠近一采区、二采区鼻梁道附近内排土场边坡变形开始加大，至6月20日累计位移达到208 mm，从6月21日—6月27日累计位移达到340 mm，在780 m平盘、824 m平盘等多处位置出现底鼓现象，在908 m平盘附近出现多条显著的裂缝，从6月28日—7月3日累计位移达到372 mm，通过停止排土等措施，自7月3日以后，变形较为缓慢。

4 北矿排土场潜在滑坡模式

北矿排土场边坡具有其自身的特点：边坡是由松散的碎石土人工堆积而成，因而在本质上可以认为是碎石土材料。这类边坡的稳定性不仅取决于材料本身的强度，而且还受到排土场地地表斜率、基底和排弃物性质、场地基础岩土体抗剪强度、堆积坡度和高度、水流渗透压力及动水压力等因素影响。综上所述，北矿排土场边坡主要的滑坡模式有5种（图1）。

（1）沿排土场自然地表接触面发生的滑坡（图1（a））。当排土场地的坡度过大或者当自然地表的抗剪强度低于坡体与场地地层的抗剪强度时，排土场边坡就容易沿着堆积场地自然地表发生滑动，从而形成滑坡。

（2）沿排土场地下部弱层发生的滑坡（图1（b））。若排土场地下部含有软弱层时，坡体堆积的自身荷载超过下部软弱层的承载能力，排土场边坡将会沿着地下弱层发生滑坡。

（3）排土场边坡表层的局部坍塌、错动（图4（c））。若边坡局部的堆积坡度过大，在其上部继续进行堆积时，有可能打破应力平衡，从而引发局部坡体垮塌。

（4）沿排土场边坡内部滑面形成的滑坡（图4（d））。这类滑坡主要是由于土岩堆积过程中，掺杂不同岩性的废弃料，从而降低坡体内部材料的抗剪强度，引起滑坡。

（5）泥石流（图4（e））。由于排土场坡体的物质结构较松散，吸水率高，当遇到暴雨等特定的水动力时，就会激发边坡滑坡而发生泥石流。

5 排土场监测方案

霍林河北露天矿的边坡监测采用比较传统的GNSS监测方法对内排土场进行监测，GNSS监测需部署在不稳定的边坡上，施工难度大，安装部署需耗费大量的人力物力，监测面覆盖程度低，只满足单点监测要求，不能对整体边坡进行有效监测，所以容易对边坡变形的区域漏报、误报。另外，GNSS监测数据不稳定，点位布置较密集，影响采矿作业活动，不能有效而全面地监测边坡［4-5］。因此，北露天矿为实现无人值守的边坡监测自动化，引进MSR（Movement and Surveying Radar）边坡雷达预警系统，对北露天矿北帮进行24 h实时监测，实时监测并掌握边坡动态。

5.1 雷达部署位置

北露天煤矿自2020年6月引进MSR边坡雷达，对西坑北帮940～730 m区域进行24 h不间断监测预警。根据北露天矿采场边坡变形监测要求，将边坡雷达系统部署于西南帮地煤验收部厂区一采区南帮上部，位置坐标为（5 044 810 m，468 621 m，865 m），主要对一采区和二采区北帮进行24 h实时监测，雷达扫描覆盖区域如图2所示，其对应的雷达位移云图如图3所示。

5.2 重点监测区域的选取

通过MSR边坡雷达监测数据，并结合一、二采区边坡现状，按照位移云图将监测区域划分为2个重点监测区域。

6 监测结果分析

通过MSR边坡雷达数据，对重点监测区域1、区域2的6—12月位移量及累计位移量进行统计，如表1所示。

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综上可以得出，在2020年6—12月监测周期内变形情况如下。

（1）重点监测区域1。该区域为西坑排土区域边坡，根据雷达数据统计，2020年6—12月的监测周期内累计位移量为4 835 mm，6月、7月合计发生总位移量为1 384.11 mm，日平均位移量约为22 mm。其次，11月发生较大强降雪，导致内部软弱结构面形成滑面而发生较大沉降。11月单月位移量达2 052.3 mm。监测区域1土质主要为黄褐色及浅灰色中、细砂和黏土，岩性松软，该区域正处于蠕动变形较大的匀速蠕变阶段。

（2）重点监测区域2。该区域为东坑排土区域边坡，2020年6—12月的监测周期内累计位移量为133 mm，月位移值为19 mm，平均速度值为0.03 mm/h，整体边坡在半年内变形量较小，速率变化呈平缓波动状态，可得出该区域边坡均处于匀速蠕动变形阶段。

7 滑坡预警案例

2020年11月22日14时通过边坡雷达显示北露天煤矿一采区北帮出现一处异常变形区域，如图4所示。

7.1 监测情况

该区域为西坑北帮824～890 m区域东侧，至2020年11月23日14时变形速度为8 mm/h，24 h位移量为50 mm，并且位移、速度曲线一直呈现加速趋势，其变形面积约为120 m×70 m。

通过现场勘查发现，西坑北帮824～890 m平台东侧区域的上部出现横向裂缝，下部出现底鼓现象，已经形成滑坡体，如图5所示。

7.2 临滑预警

在雷达监测数据中，选取代表性的监测点数据方法和条件：满足位移—相对时间曲线比较平滑，曲线无跳跃。报警区域的累积变形值与相对时间曲线如图6所示。

至2020年11月22日20时变形区速度达到16 mm/h，并呈现加速变化，至2020年11月23日2时变形区速度达到30 mm/h，触发了边坡雷达的红色报警，随即通过矿调度室发布了临滑预警指令，通知全矿人员及设备撤离该区域。

7.3 滑坡情况

在临滑预警指令发出20 h后，在2020年11月23日22时异常变形区域2的变形速度达到120 mm/h，此后位移、速度变形曲线出现一定程度的放缓趋势，速度逐渐回调至0轴附近，分析该区域已经发生了明显的垮塌，之后滑坡体会趋于稳定，如图8所示。

2020年11月24日14时到现场勘查，发现滑坡体的变形已经趋于稳定，整体的危害性已经降低。滑坡体航拍图如图8所示。

根据雷达数据，滑坡体上监测点均在同一时刻发生加速形变，并且滑坡体上各台阶速度几乎相等，说明滑坡体是以整体坐落式滑动。而根据现场量尺，滑坡体滑面法向厚度与该区域原始地表的排土厚度基本相同，这表明，此次滑坡属于沿排土场地地表接触面发生的滑坡。

8 结语

霍林河北露天矿采场边坡内排基底顺倾，这对内排土场边坡稳定性非常不利，容易发生沿地表面坐落式滑动；边坡雷达适用于排土场边坡稳定性监测预警，并且能有效实时监控变形区域滑坡前后的实时动态；一采区内排土场主要由泥岩构成，其稳定性受雨雪天气影响较大，应采取地表排水、截水，以及卸载反压等治理措施；随着排土作业的进一步推进，会产生新的边坡问题，做好地质灾害防控和边坡稳定性监测预警工作是十分重要的。