基于三維數值模擬和切線角理論的露天煤礦滑坡災害預防技術

趙立春，賀希格圖，王京偉，徐勇超，李文海，許乾峰

(扎魯特旗扎哈淖爾煤業有限公司，內蒙古自治區通遼市，029100)

0 引言

露天煤礦區地質災害的監測預警技術是保障礦山安全、穩定、持續、綠色和智慧生產的關鍵技術之一。露天煤礦邊坡變形是災害發生最直觀的特征。人們對邊坡變形的監測經歷了最初主要靠人眼識別和工皮尺等簡易的工具對邊坡變形進行測量的傳統監測方法和靠人工手動操作設備監測2個階段，監測手段和方式日益進步，以往監測誤差較大，存在滯后性、效率低、監測連續性差等問題。隨著計算機技術以及遠程數據傳輸技術的發展為邊坡監測設備的改進提供了基礎，邊坡工程數值模擬研究和變形監測逐漸朝自動化、高精度、智能化方向發展。

目前，根據礦山變形監測位置，礦山變形監測技術可分為邊坡地表位移監測和邊坡地下位移監測兩類[1-2]。地表監測技術主要有GNSS點監測、地面三維激光掃描、智能全站儀監測、邊坡雷達監測等；地下位移監測技術主要包括時域反射計監測、鉆孔測斜儀監測、聲發射監測等。為了更好地從監測角度分析邊坡變形，學者對邊坡應用多種監測方式進行監測，提高了監測數據的準確性。劉善軍等[3]指出涵蓋時間協同、空間協同、參數協同和智能分析的天-空-地多平臺多模式協同觀測是大型露天煤礦邊坡智能監測的核心；侯林[4]將GNSS監測技術應用在山西煤炭運銷集團貓兒溝露天煤礦邊坡潛在破壞區域，建立自動化在線監測系統，對失穩邊坡進行及時、準確、無誤臨滑預報，避免發生人員傷亡及設備掩埋事故，保證了礦山的安全生產。

數值模擬方法從較大空間范圍內考慮邊坡介質的復雜性，全面分析邊坡的應力應變狀況，有助于深入研究邊坡變形和破壞機理[5-8]。同時邊坡現場變形監測可以檢驗數值模擬的準確性，因此將三維邊坡數值模擬和現場監測相結合，實現對邊坡空間-時間尺度的邊坡穩定性分析及預測、預警是一個有意義的嘗試。為了實現對露天煤礦邊坡地質災害的精準預警，筆者提出了一種基于三維數值模擬和切線角理論的露天煤礦滑坡災害預防技術。首先通過FLAC3D數值模擬軟件，準確得到邊坡在空間上潛在變形體，然后基于蠕變曲線切線角理論計算，提出了不同類型邊坡雷達預警閾值級別劃分標準，最后對潛在滑移體區域進行時間尺度的全天候監測。將該技術應用于霍林河二號露天采區邊坡的滑坡災害預防過程，成功預警一次小型邊坡變形事件，同時在礦區其他區域和其他露天煤礦正在推廣應用，為其他類似條件露天煤礦邊坡變形預防提供了借鑒依據。

1 基于三維數值模擬和邊坡雷達預警監測的邊坡滑坡災害預防技術

1.1 邊坡三維數值模擬流程

邊坡三維數值模擬計算流程如圖1所示。三維模型可看作是從整個礦區模型中剝離出了一部分，處于整個礦區模型的“包裹”之中，四周邊界不會發生大的位移，對于一般三維邊坡計算而言，邊界條件往往是對四周施加法向位移約束，對底部施加固定約束，而邊坡上部為自由面，不設置約束條件。在數值模型計算過程中，邊坡三維計算中巖土體參數的確定對于結果分析至關重要，由于巖體中結構面等因素的影響，實驗室試件的物理力學參數往往不能直接用于巖體的數值模擬計算中，需要根據現場巖層的賦存情況綜合確定[9-12]。

圖1 邊坡三維計算流程

1.2 邊坡雷達預警監測

一般而言，邊坡變形典型曲線及切線角時間關系如圖2所示，分為3個階段[13]：第一階段為初始階段(AB段)，邊坡處于減速變形狀態，變形速率逐漸減小，而位移逐漸增大，其位移歷時曲線由陡變緩，從曲線幾何上分析，曲線的切線由小變大；第二階段為穩定階段(BC段)，變形速率趨于定常值，位移歷時曲線近似為一直線段，直線段切線角及速率近似恒值，表征為等速變形狀態；第三階段為非穩定階段(CD段)，又稱加速變形階段，變形速率逐漸增大，位移歷時曲線由緩變陡，因此曲線反映為加速變形狀態，同時亦看出切線角隨速率的增大而增大。可以看出，位移歷時曲線切線角的增減可反映速率的變化。若切線角不斷增大，說明變形速率也不斷增大，即變形處于加速階段；反之，則處于減速變形階段；若切線角保持一常數不變，即變形速率保持不變，處于等速變形狀態。根據這一特點可以判定邊坡的變形狀態[14]。

圖2 邊坡變形典型曲線及切線角時間關系

1.2.2 邊坡變形階段定量細分

大量邊坡變形監測結果表明，邊坡的變形往往具有蠕變特點，即從開始出現變形到最終失穩破壞一般需經歷與巖土體蠕變曲線類似的初始變形、等速變形和加速變形3個階段[15]。典型邊坡應變-時間特征曲線如圖3所示。利用切線角理論公式，并結合蠕變曲線特點，細化曲線加速階段，定量的確定切線角范圍值，只有當邊坡進入加速變形臨滑階段，預示著邊坡滑坡即將發生[16-18]。

圖3 典型邊坡應變-時間特征曲線

1.2.3 邊坡雷達MSR簡介及預警閾值劃分標準建立

(1)MSR邊坡雷達。MSR 邊坡雷達由南非 Reutech 雷達系統有限公司開發與設計，能夠對礦山邊坡、山體、地表以及礦區建筑物等易發生微小位移變化的物體進行遠程監測。邊坡雷達的基本原理為邊坡雷達設備發送高頻電磁波到目標位置，通過接收目標物反射的電磁波，在獲取電磁波監測數據基礎上進行多次對比，獲得邊坡變化的距離和位移變化值。

(2)邊坡雷達預警閾值劃分標準建立。結合邊坡雷達(MSR)監測設備特點及獲取基礎數據，基于蠕變曲線切線理論計算公式，加上地質條件及滑坡機理的分析，得到了采場和排土場邊坡不同變形階段預警閾值，建立了邊坡雷達預警閾值級別劃分標準，根據邊坡雷達不同監測階段具體閾值優化結果，建立相應應急處置方式，見表1和表2。

表1 MSR雷達監測硬巖類邊坡預警體系標準

表2 MSR雷達監測土類及排土場邊坡預警標準

2 工程應用

2.1 礦區工程地質

霍林河二號采區位于霍林河煤田，地處大興安嶺南段脊部，屬山間盆地，盆地內部地勢較平坦，海拔標高一般為930～980 m，研究區域位于礦區東部，具體位置如圖4所示。

圖4 研究區域位置

通過劃分覆蓋層及基巖，再根據本次研究的巖土分類、巖土的力學強度、巖土的共性及巖層中含水量變化，結合前期在研究中所得到的成果，本次研究將地層劃分為5層，由上到下依次為排棄物料層、第四系細砂層、第三系黏土層、泥巖層及煤層，典型巖層剖面如圖5所示，南幫邊坡巖層傾角約為13°，巖層呈順傾結構，弱層分布較多，在第四系底板、煤層頂底板存在弱層。

第二天，全城的媒體都在報道得這起觸目驚心的寄尸案，當然是邊峰所在的《江城快報》報道得最為詳盡，他甚至詳細披露了死者腎臟丟失以及臟器中有“卍”型標，甚至兇手可能把作案用車遺留火車站停車場等細節，這是其他媒體所不能比的，結果這一天的《江城快報》脫銷。

圖5 典型地質剖面

首先無人機低空飛行得到的礦區臺階等高線及地質剖面圖建立南幫三維地質模型，然后將地質模型轉為數值模型，如圖6所示。

圖6 霍林河二號露天煤礦三維數值地質模型

2.2 礦區預防技術應用

2.2.1 三維數值模擬分析

(1)巖土體力學指標選取。巖體物理力學性質是決定邊坡巖體穩定性最本質的控制因素，邊坡巖體力學參數選取的合理性直接影響到邊坡穩定性分析研究的可靠性，同時巖土體力學參數是數值模擬分析的基礎，因此，本研究在邊坡巖石物理力學性質試驗的基礎上，結合邊坡巖體的工程地質特征，如結構特征、發育程度及充填物等，綜合確定最終用于計算的力學參數，見表3。

表3 巖土力學指標

(2)數值模擬計算結果分析。三維數值模擬結果表面開挖區域受到了弱層的影響，疊加上部巖土體荷載影響，存在潛在的變形體，邊坡三維數值模擬結果如圖7所示，變形體最大位移1.25 m，表明采場邊坡變形明顯，穩定程度很差，變形范圍需要重點關注并加強監測。

圖7 三維數值模擬確定的潛在變形體

2.2.2 三維數值模擬結果與邊坡雷達監測預警對比分析

結合上述數值模擬結果，2021年9月7日在使用MSR邊坡雷達對該區域重點監測過程中，發現該區域位移進一步增大，區域位移速度有進一步增大趨勢，曲線位移累積量明顯增大，此時在雷達監測圖中出現明顯紅色預警區域，如圖7所示。

MSR雷達成功預警蠕變曲線如圖8所示，邊坡變形初期平均速度為4.53 mm/h，切線角角度10°左右，達到黃色預警級別，黃色預警區域位移出現明顯加速度趨勢，預警區域位移平均速度達到8.68 mm/h，切線角角度45°左右，礦方立即組織相關人員撤離。邊坡變形速度進一步加劇，該區域位移速度峰值達到17 mm/h，切線角角度75°達到紅色預警級別，9月9日10時該區域發生滑坡，40 min后該區域邊坡體破壞階段結束，位移速度降至3 mm/h，切線角角度在2° 左右，再經過一段時間觀察后，滑體位移速度降至0.05 mm/h接近靜止狀態，切線角角度近乎為0°，整個邊坡變形過程結束，并發布警報解除。

圖8 MSR雷達成功預警蠕變曲線

雷達顯示的邊坡滑坡區域與三維數值模擬得到的區域基本吻合，同時經過滑坡后現場勘查發現邊坡變形沿煤底板剪出，通過三維數值模擬加雷達監測的預警技術成功預警了邊坡變形的發生，該技術對露天礦山邊坡的災害預防具有一定的指導意義。

3 結論

(1)提出了一種三維數值模擬和改進的邊坡雷達預警監測的露天煤礦區邊坡滑坡災害預防技術，通過三維精細化模擬獲得空間的潛在變形體，并利用邊坡雷達監測技術對潛在變形體區域進行重點監測。

(2)基于蠕變曲線切線角理論分析，分別計算確定了采場邊坡、排土場場邊坡雷達監測臨滑階段速度、切線角預警閾值，通過科學設定預警閾值，可實現及時有效預報。

(2)結合邊坡雷達閾值閾值劃分標準及邊坡破壞機理等因素，創新提出了不同級別預警閾值級別下處置方式。

(4)將提出的露天煤礦區邊坡滑坡災害預防技術應用于霍林河二號礦南幫的滑坡預警中，三維數值模擬準確得到空間的潛在滑移體，改進的雷達監測技術準確實現了對該潛在滑移體滑坡的預警，成功預警了邊坡滑坡。