凹山鐵礦東南幫滑坡預(yù)測預(yù)報案例分析

韋忠跟，劉永革

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.開灤能源化工股份有限公司，河北 唐山 063018）

凹山鐵礦是馬鋼集團南山礦業(yè)公司下屬礦山之一，礦體出露最高處海拔＋175 m，向下延伸至－214 m，截至本次滑坡發(fā)生前，已形成開采境界為東西向長1 200 m，南北向長980 m，垂深255 m 的露天采場。殘礦開采作業(yè)主要集中在礦坑的高陡邊坡—東南幫的底部區(qū)域。根據(jù)對坡面的現(xiàn)場勘查，該滑坡是一個由斷層控制，已經(jīng)在兩側(cè)出現(xiàn)裂縫的巖石滑坡，主滑方向指向現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域，嚴重威脅坑下作業(yè)車輛及人員的安全。據(jù)地質(zhì)調(diào)查表明：該區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，均以剪節(jié)理的形式出現(xiàn)。全年雨量充沛，雨季主要集中在春季，而且開采作業(yè)期間爆破活動頻繁[1-3]。綜合以上因素，凹山鐵礦東南幫已經(jīng)具備了潛在滑坡的內(nèi)在因素。為了確保礦山施工安全，以及實時掌握東南幫高陡邊坡位移、速度等參數(shù)的變化情況，并預(yù)測預(yù)報滑坡的發(fā)生，礦山采用MSR邊坡雷達技術(shù)對整個東南幫邊坡進行監(jiān)測預(yù)警。該技術(shù)具有密度大、精度高、范圍廣等特點，而且該系統(tǒng)的測量幾乎不受雨水、灰塵和煙霧的影響，可以保證露天礦山的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益[4-5]。

1 監(jiān)測設(shè)備布置

為能采用先進的監(jiān)測手段做出準確的臨滑預(yù)報，凹山鐵礦使用的是MSR 邊坡雷達，該設(shè)備可以次毫米精度對凹山鐵礦邊坡進行長時間的、連續(xù)的遠程掃描監(jiān)測。日常工作中，監(jiān)測設(shè)備可安裝在被監(jiān)測邊坡對面，遠離危險區(qū)域，同時該設(shè)備在運行中幾乎不受雨雪、煙霧等自然因素影響，不易發(fā)生故障，可不間斷地保證露天礦的安全生產(chǎn)及經(jīng)濟效益[6]。

MSR 邊坡雷達設(shè)備布置在凹山鐵礦東南幫邊坡對面，其坐標位置為（10112，3409）。根據(jù)凹山鐵礦邊坡監(jiān)測的需要，將雷達監(jiān)測區(qū)域控制在北幫、東幫和南幫，根據(jù)邊坡監(jiān)測的重要程度及危險性級別將雷達掃描區(qū)域劃分為3 個重點監(jiān)測區(qū)域，分別為監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2 和監(jiān)測區(qū)域3。監(jiān)測區(qū)域1、監(jiān)測區(qū)域2 位于采場東南幫，監(jiān)測區(qū)域3 位于采場北幫，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育、采礦以及爆破作業(yè)活動頻繁[7-8]。邊坡雷達監(jiān)測區(qū)域三維掃描圖如圖1。

圖1 邊坡雷達監(jiān)測區(qū)域三維掃描圖

2 滑坡影響因素

1）地質(zhì)條件。礦區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造主要為火山巖構(gòu)造及成礦后期的斷裂構(gòu)造：①火山巖構(gòu)造：凹山鐵礦大部分礦床位于吳村～尖山火山噴發(fā)后緩慢形成的火山帶隆起部分，周圍大部分是火山巖地層，其角度主要呈外傾產(chǎn)狀（一般10°～30°），凹山鐵礦的礦石主要產(chǎn)自于火山帶隆起部分的火山構(gòu)造角礫巖中；②斷裂構(gòu)造:凹山鐵礦大部分礦層內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育的十分完整，出現(xiàn)的大多形式是剪節(jié)理，地質(zhì)特征在空間分布上與斷裂構(gòu)造十分密切。在西北方向及東北方向2 組剪切節(jié)理形成了密集的“X”型裂隙帶，使礦區(qū)的巖層變成破裂狀、散體狀結(jié)構(gòu)。凹山鐵礦邊坡巖石的風(fēng)化程度，整體為中等風(fēng)化程度，局部近地表巖石顯強風(fēng)化狀態(tài)。區(qū)內(nèi)圍巖蝕變，不同巖性表現(xiàn)不一，在礦區(qū)東南部晶屑凝灰?guī)r（Tu）中，呈一套淺色蝕變帶，上部為高嶺石（化）帶，下部為硅化帶。區(qū)內(nèi)主要為構(gòu)造裂隙潛水，受大氣降水和地表水直接滲入補給，自水位較高處向水位較低處滲流，最后滲水流向排泄區(qū)。凹山采場由于邊坡裂隙發(fā)育十分完整，有利于地下水的匯聚、儲存，形成了具有水文地質(zhì)條件的富水帶區(qū)域。礦區(qū)大部分分布在這個富水帶中，地下水主要來自大氣降水的垂直入滲補給，自然地質(zhì)條件下由東向西或北西方向運移到長江水系。凹山鐵礦開采過程中進入深凹露天礦后，形成了局部的地下水降落漏斗，不利于自然地質(zhì)條件下的排水。凹山礦區(qū)主要含水層為基巖裂隙潛水含水層。裂隙潛水含水層由火山巖和次火山巖組成，主要巖性是閃長玢巖、安山巖和磁鐵礦等。

2）采礦作業(yè)。凹山鐵礦處于地質(zhì)環(huán)境治理階段。為了充分利用采場鐵礦石資源，改善生產(chǎn)配礦、完成鐵精礦生產(chǎn)任務(wù)，計劃實施殘礦回收工程，進行地質(zhì)環(huán)境綜合治理。殘礦回收工程主要地點位于凹山鐵礦的東南幫。采礦作業(yè)活動是影響凹山鐵礦東南幫邊坡穩(wěn)定的重要因素。其中，凹山鐵礦采礦作業(yè)活動中以電機車的運行及采礦作業(yè)區(qū)域?qū)吰路€(wěn)定的影響最大。

3）降雨條件。我國南部屬于季節(jié)性降雨，形成暴雨會導(dǎo)致地下水位的升高，例如高滲區(qū)緊靠開挖坡面，若巖土坡面穩(wěn)定性接近臨界破壞狀況，形成的水壓力會引起坡面的破壞。安徽省馬鞍山市屬熱帶季風(fēng)氣候，全年降雨較多，氣候溫和，日照充足，雨季主要在春夏季。降雨最多集中在6—10 月。

4）爆破震動。在凹山鐵礦采掘作業(yè)期間，爆破震動會使邊坡巖石松散破裂，如果邊坡正處于平衡狀態(tài)下，如果爆破裝藥量過大、爆破設(shè)計不合理時，很可能導(dǎo)致凹山采場的邊坡發(fā)生局部或整體破壞失穩(wěn)，形成滑坡片幫，給露天礦山的正常生產(chǎn)帶來安全隱患。另外，爆破源與重點監(jiān)測區(qū)域的距離是爆破影響邊坡位移變化的重要因素之一，呈現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域離爆破源越近邊坡位移變化影響越大的特點。

3 預(yù)警原理和報警值設(shè)置及滑坡預(yù)警過程

3.1 預(yù)警原理

通過大量的滑坡監(jiān)測實例分析，滑坡將經(jīng)歷減速變形、勻速變形、加速變形3 個階段，利用這種變形特點及規(guī)律，邊坡雷達可作出較為準確的預(yù)警預(yù)報。

露天礦邊坡的變形從勻速變形階段演化到加速變形階段的最明顯特點就是位移-時間曲線的斜率發(fā)生變化。在勻速變形階段，位移-時間曲線會有所波動，但變形曲線整體斜率會呈現(xiàn)為1 條“直線”。一旦演變到加速變形階段，曲線斜率會出現(xiàn)加速現(xiàn)象，位移-時間曲線總體上呈現(xiàn)1 條斜率不斷增大的上凹“曲線”。根據(jù)這一特點，通過對變形-時間曲線的分析，可以直觀判斷出邊坡的變形過程。

在實際應(yīng)用過程中，為了較為準確地判斷出邊坡的變形階段，可以將同一監(jiān)測點的變形速率-時間曲線和累積位移-時間曲線進行對比分析，根據(jù)2條曲線的特點共同判定邊坡的變形階段。

根據(jù)邊坡變形-時間曲線，邊坡的加速變形階段是實施預(yù)警的關(guān)鍵階段，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警機制的相關(guān)規(guī)定，將加速變形階段進一步細分為加速變形階段和加速變形后期，滑坡預(yù)警級別與邊坡變形階段的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 滑坡預(yù)警級別與邊坡變形階段的對應(yīng)關(guān)系

3.2 報警值設(shè)置

凹山鐵礦東南幫邊坡雷達監(jiān)測區(qū)域按位移變化的絕對值劃分為正常區(qū)域和重點監(jiān)測區(qū)域。對于正常區(qū)域，設(shè)置一級報警和二級報警。對于重點監(jiān)測區(qū)域，將其劃分為3 個預(yù)警級別（一級預(yù)警、二級預(yù)警、三級預(yù)警），以便能夠重點預(yù)警高危區(qū)域，避免突然產(chǎn)生滑坡造成設(shè)備及生命財產(chǎn)損失[9-13]。

根據(jù)邊坡雷達長期對凹山鐵礦的監(jiān)測經(jīng)驗，并結(jié)合相似地質(zhì)條件邊坡的監(jiān)測預(yù)警，對凹山鐵礦重點監(jiān)測區(qū)域的邊坡設(shè)置3 級報警值：

1）一級預(yù)警。位移值達到50 mm，速度值（周期12h）達到1.5 mm/h（同時滿足）。

2）二級預(yù)警。位移值達到30 mm，速度值（周期12h）達到1 mm/h（同時滿足）。

3）三級預(yù)警。位移值達到20 mm，速度值（周期12h）達到0.5 mm/h（同時滿足）。

3.3 滑坡預(yù)警過程

在9 月20—29 日期間，受臺風(fēng)引起的連續(xù)多日降雨天氣的影響，以及南幫作業(yè)區(qū)分別在9 月21日、9 月22 日、9 月26 日、9 月27 日爆破活動的作用，監(jiān)測人員通過邊坡雷達位移云圖及曲線發(fā)現(xiàn)東南幫有異常區(qū)域出現(xiàn)，凹山采場東南幫變形異常區(qū)域如圖2。

異常區(qū)域出現(xiàn)了位移緩慢持續(xù)增大現(xiàn)象，引起監(jiān)測人員的高度警覺，并及時與雷達監(jiān)測主要負責(zé)人匯報溝通。隨著時間推移，變形異常區(qū)域的位移逐步加大，并且位移速度、加速度呈加速變化，至9月29 日16：20，變形異常區(qū)觸發(fā)雷達監(jiān)測報警閥值，該區(qū)域出現(xiàn)臨滑預(yù)警。在臨滑預(yù)警指令發(fā)出13 h 后，即9 月30 日5：50 該區(qū)域發(fā)生小范圍滑坡。

圖2 凹山采場東南幫變形異常區(qū)域

4 雷達數(shù)據(jù)分析過程

異常區(qū)域曲線如圖3。

圖3 異常區(qū)域曲線

通過觀察圖3（a）中的位移曲線，可以得出：①9 月20 日0：00 — 9 月29 日6：00，該區(qū)域位移呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，累計位移量為30 mm；②9 月29日6：00 — 9 月30 日5：50，該區(qū)域位移呈現(xiàn)快速增加趨勢，累計位移量為80 mm；③9 月30 日5：50 —10 月1 日7：00，該區(qū)域位移呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，累計位移量為6 mm。

通過觀察圖3（b）中的速度曲線，可以得出：①9月20 日0：00 — 9 月29 日6：00，該區(qū)域速度呈現(xiàn)等速變形趨勢，維持在0.2 mm/h 左右變化；②9 月29 日6：00 — 9 月30 日5：50，該區(qū)域速度呈現(xiàn)加速變形趨勢，從0.2 mm/h 增大到5.5 mm/h；③9 月30 日5：50 — 10 月1 日7：00，該區(qū)域速度呈現(xiàn)減速變形趨勢，從5.5 mm/h 減少到0.1 mm/h。

綜上，將臨滑階段的變形階段進行劃分：①第1階段：9 月20 日0：00 — 9 月29 日6：00 期間，滑坡區(qū)域的速度曲線呈現(xiàn)較為規(guī)律的勻速變化；②第2 階段：從9 月29 日6：00 開始，滑坡區(qū)域的速度曲線出現(xiàn)加速變化。至9 月29 日16：20，位移速度觸發(fā)報警閾值，觸發(fā)報警時滑坡區(qū)域累計位移為50 mm，速度為1.4 mm/h，加速度為1.5 mm/h2。異常區(qū)域觸發(fā)報警后，降雨并未停止，導(dǎo)致該區(qū)域位移及速度持續(xù)增加，于9 月30 日5：50 發(fā)生滑坡，滑坡時位移量為120 mm，速度值為5.5 mm/h，加速度為4.5 mm/h2。

因此，通過邊坡雷達監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以清晰地看到滑坡前后速度曲線經(jīng)歷了一個從勻速-加速-減速全過程，這種來源于真實監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形階段劃分，可以為有效、可靠的預(yù)報分析與計算做出更大貢獻，為今后的科學(xué)預(yù)報決策有著重要的現(xiàn)實意義[14-16]。

5 結(jié)語

1）通過此次滑坡實例，在邊坡雷達監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)，降雨及爆破是引起凹山鐵礦東南幫邊坡發(fā)生滑坡的直接因素，而存在斷裂構(gòu)造的高陡邊坡是形成滑坡的內(nèi)在因素。

2）在邊坡臨滑階段，重視變形階段的劃分。特別是在加速變形階段，即滑坡前幾小時內(nèi)，位移、速度及加速度均急速增大，滑坡發(fā)生后，速度及加速度曲線逐漸趨于平緩并歸零。

3）在滑坡預(yù)測預(yù)報中，應(yīng)重點關(guān)注監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，僅觀察位移-時間曲線的宏觀變形，可能會得出錯誤的判斷結(jié)論，必須采取有效的監(jiān)測設(shè)備，必須依據(jù)數(shù)據(jù)分析，才能做出準確的決斷。

4）利用高精度邊坡雷達監(jiān)測系統(tǒng)對南幫邊坡做有針對性的重點監(jiān)測，并且建立完善的雷達系統(tǒng)滑坡應(yīng)急預(yù)案機制，以及監(jiān)測人員對礦山現(xiàn)場的勘查分析，三者有效地配合是滑坡預(yù)警的關(guān)鍵。