趙立春，徐長友，劉永杰，徐勇超，韋宗根，祁利民

(1.扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)公司，內(nèi)蒙古 扎魯特旗 029100； 2.內(nèi)蒙古能源有限公司，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200；3.中煤科工集團沈陽研究院，遼寧 撫順 113122； 4.霍林郭勒市能源局，內(nèi)蒙古 霍林郭勒 029200)

露天煤礦邊坡是安全生產(chǎn)管理的重點，在重大風(fēng)險源管理中，各煤礦將邊坡列為重大風(fēng)險源，尤其是土—巖復(fù)雜軟巖露天煤礦，滑坡規(guī)模大、次數(shù)多，限制了煤炭資源的安全高效開采。為了保證煤炭開發(fā)產(chǎn)業(yè)安全、穩(wěn)定、持續(xù)、綠色、智慧發(fā)展，需要結(jié)合露天煤礦不同發(fā)展階段巖土類型和不同滑坡機理對邊坡監(jiān)測動態(tài)預(yù)警閾值進行優(yōu)化。自然山體邊坡預(yù)警閾值優(yōu)化一直是國內(nèi)外專家關(guān)注的熱點之一，學(xué)者們應(yīng)用不同理論對其開展了大量研究。許強等[1]提出一種通過對斜坡累計位移—時間曲線進行坐標變換，實現(xiàn)了縱橫坐標同量綱化，進而獲得確定切線角的新方法，利用改進的切線角，給出了將斜坡加速變形階段進一步細分為3個亞階段的定量劃分標準和滑坡臨滑預(yù)警判據(jù)，并通過滑坡實例檢驗表明，改進的切線角及滑坡預(yù)警判據(jù)在滑坡監(jiān)測預(yù)警中具有較大的實用價值；李聰?shù)萚2]深入探索了滑坡不同變形階段演化規(guī)律與變形速率預(yù)警判據(jù)，將滑坡變形演化過程劃分為初始變形、勻速變形、加速變形和急劇變形4個階段，基于滑坡數(shù)據(jù)庫信息，采用統(tǒng)計分析方法研究滑坡不同變形階段歷時特征與不同影響因素的相關(guān)性，總結(jié)不同變形階段裂縫發(fā)展及宏觀特征、分析不同變形階段滑坡位移速率預(yù)警判據(jù)之間關(guān)系；王延平等[3]研究了滑坡變形突變點的特征，進行了不同荷載作用下的天然試樣,以及不同荷載、不同含水率作用下浸水試樣的流變試驗，得到了累計位移—時間曲線和變形速度—時間曲線；王旭等[4]結(jié)合烏拉根鉛鋅礦工程地質(zhì)條件及采場邊坡賦存狀況，建立了一套拖車式合成孔徑雷達預(yù)警系統(tǒng)，通過預(yù)警原理研究及預(yù)警閾值設(shè)定，建立了礦山邊坡預(yù)警預(yù)報體系。復(fù)雜地質(zhì)條件軟巖邊坡預(yù)警閾值優(yōu)化一直是技術(shù)難題，學(xué)者們應(yīng)用不同理論對其展開大量研究，盡管眾多研究人員對其邊坡預(yù)警閾值的研究取得了一系列成果，但仍有類似邊坡滑坡災(zāi)害發(fā)生。

內(nèi)蒙古東部露天煤礦邊坡穩(wěn)定程度差，再加上地下水和長期風(fēng)化作用，露天煤礦軟巖邊坡經(jīng)常發(fā)生大變形，穩(wěn)定程度堪憂，不利于煤礦安全有序發(fā)展。因此，有必要結(jié)合礦山動態(tài)發(fā)展過程和不同的發(fā)展階段構(gòu)建露天煤礦軟巖邊坡預(yù)警預(yù)報體系和預(yù)警閾值?；谌渥兦€切線角理論計算，結(jié)合霍林河二號露天煤礦建立的雷達監(jiān)測系統(tǒng)，通過預(yù)警原理分析與預(yù)警閾值優(yōu)化，以位移速率及切線角數(shù)值為指標成功預(yù)警一次含順傾弱層土—巖復(fù)雜邊坡小型滑坡事件，為類似條件礦山提供可借鑒的經(jīng)驗與依據(jù)。

1 雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取及預(yù)警閾值優(yōu)化原理

1.1 雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取原理

無論是真實孔徑雷達還是合成孔徑雷達，其基本原理都是通過向邊坡目標發(fā)射電磁波并接收回波，根據(jù)發(fā)射與接收的時間差測定距離，其計算公式如下：

(1)

式中：s為雷達與邊坡之間的距離，m；c為光速，m/s；t為雷達發(fā)射電磁波和接收回波的時間差，s。

通過不間斷的持續(xù)掃描，測算同一最小監(jiān)測單元兩次掃描時間電磁波的相位差，獲取目標點的位移變化值。

同一最小監(jiān)測單元兩次測量的位移變化計算公式如下：

(2)

式中：d為雷達方向位移，m；λ為波長，m；β2為第二次測量的相位，rad；β1為第一次測量的相位，rad。

1.2 切線角理論

一般而言，邊坡變形典型的位移歷時曲線如圖1所示，分為初始、穩(wěn)定和非穩(wěn)定3個階段。

圖1 邊坡變形典型曲線及切線角時間關(guān)系

第一階段為初始階段(AB段)，邊坡處于減速變形狀態(tài)。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(wěn)定階段(BC段)，又稱邊坡等速變形階段。變形速率趨于定值，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(tài)。

第三階段為非穩(wěn)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(tài)，同時亦看出切線角隨速率的增大而增大。

由圖1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,即變形處于加速變形階段；反之，變形處于減速變形階段。若切線角保持不變，亦即變形速率保持不變，則處于等速變形狀態(tài)。根據(jù)這一特點可以判定邊坡的變形狀態(tài)，具體分析步驟如下：

首先將濾波獲得的位移歷時曲線上每個點的切線角分別算出，然后標識在如圖2所示的坐標中。

圖2 典型邊坡應(yīng)變—時間特征曲線

α=At+B

(3)

式中：α為切線角，(°)；A、B為待定系數(shù)。

當A<0時，式(3)為減函數(shù)，隨著t的增大，α變小，變形處于減速狀態(tài)；當A=0時，α為一常數(shù)，變形處于等速狀態(tài)；當A>0時，式(3)為增函數(shù)，α隨著t的增大而增大，變形處于加速狀態(tài)。

A、B值可由一元線性回歸中的最小二乘法得到：

(4)

(5)

1.3 預(yù)警閾值優(yōu)化原理

大量滑坡變形監(jiān)測結(jié)果表明，邊坡的變形往往具有蠕變特點，即從開始出現(xiàn)變形到最終失穩(wěn)破壞一般需經(jīng)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[5-6]。利用切線角理論公式，并結(jié)合蠕變曲線特點，細化曲線加速階段，定量地確定切線角范圍值(見圖2)。當邊坡進入加速變形臨滑階段，即預(yù)示著邊坡滑坡即將發(fā)生。此外，根據(jù)邊坡位移速度值的大小，可判定邊坡的相對不穩(wěn)定區(qū)域[7-10]。

2 邊坡預(yù)警閾值確定

霍林河煤田二號露天采區(qū)內(nèi)巖性屬于軟巖，且地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量大，在軟巖露天煤礦開采過程中，邊坡暴露長度大、裸露時間長，邊坡穩(wěn)定性差，安全生產(chǎn)程度低、經(jīng)濟效益差且環(huán)境危害大，需要確定一種能夠全方位、全時效、高精度的監(jiān)測預(yù)警方式。國內(nèi)外學(xué)者對滑坡的監(jiān)測預(yù)警方法及技術(shù)體系進行了深入研究，取得了大量的研究成果[10-13]。但總體上，監(jiān)測預(yù)警模型很難充分考慮滑坡變形過程和成災(zāi)機理，難以取得較高的預(yù)測精度，研發(fā)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)也難以滿足實時監(jiān)測預(yù)警的需求[14-17]?；诖耍袅趾用禾锒柭短觳蓞^(qū)總結(jié)近2年來軟巖露天煤礦邊坡在監(jiān)測預(yù)警方面的實踐成果，整合管理滑坡演化全過程的各類資料，綜合分析GNSS監(jiān)測點和2臺MSR真實孔徑雷達、1臺HSB便攜式全方位掃描微變監(jiān)測雷達監(jiān)測設(shè)備和超過上萬天條監(jiān)測數(shù)據(jù)的實測曲線，研究滑坡過程預(yù)警標準及其實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，對霍林河軟巖露天煤礦安全風(fēng)險在線識別、滑坡災(zāi)害預(yù)警理論與方法，以及預(yù)警閾值優(yōu)化和應(yīng)用等科技難題進行了探索[18-20]。結(jié)合天—空—地各種設(shè)備的特點，GNSS點代表三維真實點監(jiān)測，真實孔徑和合成孔徑雷達能分別實現(xiàn)三維邊坡和二維邊坡面監(jiān)測，巖土體內(nèi)深部位移監(jiān)測實現(xiàn)了滑面確定位置監(jiān)測，從不同監(jiān)測設(shè)備上獲取大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)從軟巖邊坡滑坡機理和土—巖復(fù)雜邊坡角度等出發(fā)，利用預(yù)警閾值優(yōu)化原理，同時結(jié)合蠕變曲線切線角理論，建立了不同類型設(shè)備、不同軟巖邊坡雷達預(yù)警閾值級別劃分標準。以MSR雷達三維監(jiān)測結(jié)果為例，根據(jù)不同監(jiān)測對象具體閾值優(yōu)化結(jié)果見表1和表2。

表1 MSR雷達監(jiān)測巖類邊坡預(yù)警體系標準

表2 MSR雷達監(jiān)測土類及排土場邊坡預(yù)警體系標準

3 扎哈淖爾露天煤礦軟巖邊坡MSR雷達預(yù)警閾值應(yīng)用

為了驗證基于切線角理論確定的閾值準確性，在扎哈淖爾露天煤礦南幫拉溝開采過程中應(yīng)用MSR雷達進行全天候、全方位監(jiān)測。

1)2021年9月7日10：15，南幫拉溝開采區(qū)域位移有緩慢增大趨勢，9月8日13：10，該區(qū)域位移進一步增大。

2)9月9日14:00，扎哈淖爾露天煤礦MSR邊坡雷達監(jiān)測南幫拉溝區(qū)域位移速度有明顯增大趨勢，曲線位移累計量明顯增大，三維監(jiān)測圖中出現(xiàn)明顯紅色區(qū)域。通過蠕動變形曲線可知，當天15:08至19:06，該區(qū)域位移速度處于勻速變形階段，平均速度為4.53 mm/h，達到黃色預(yù)警級別，監(jiān)測人員到達現(xiàn)場進行勘察，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。20:15，黃色預(yù)警區(qū)域位移出現(xiàn)明顯加速趨勢，到20:57，黃色預(yù)警區(qū)域位移平均速度達到8.68 mm/h，同時個別點為13.72 mm/h，達到橙色預(yù)警級后上報值班領(lǐng)導(dǎo)，值班領(lǐng)導(dǎo)高度重視，立即組織人員和設(shè)備撤離預(yù)警區(qū)域，10 min后人員和設(shè)備撤離完成。21:53該區(qū)域平均位移速度達到峰值17 mm/h，達到紅色預(yù)警級別，個別點速度高達39.72 mm/h，并于22:00該區(qū)域發(fā)生滑坡。22:40該區(qū)域滑坡體破壞階段結(jié)束，位移速度降至3 mm/h；9月10日1:10，滑體位移速度降至0.05 mm/h，接近靜止狀態(tài)，整個滑坡過程結(jié)束，并發(fā)布警報解除。

歷時加速周期為9月9日14:00至23:00，總共10 h，提前2 h成功預(yù)警，成功避免了人員和設(shè)備損失。MSR雷達成功預(yù)警區(qū)域及蠕變曲線如圖3所示。

4 結(jié)語

1)結(jié)合霍林河煤田二號露天采區(qū)軟巖邊坡，發(fā)展了軟巖邊坡不同階段預(yù)警預(yù)報技術(shù)。

2)針對軟巖邊坡體賦存狀態(tài)、土—巖復(fù)雜邊坡滑坡機理等因素，提出了不同類型、不同土—巖邊坡雷達預(yù)警閾值級別劃分標準與處置方式。

3)基于蠕變曲線切線角理論分析，分別確定了排土場邊坡、采場邊坡臨滑階段速度、切線角預(yù)警閾值，通過科學(xué)設(shè)定預(yù)警閾值，可實現(xiàn)及時有效預(yù)警。