蒙東地區(qū)軟巖邊坡蠕動(dòng)變形及滑坡規(guī)律研究

韋忠跟

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

蒙東地區(qū)位于東北的西部，東南與黑龍江省、吉林省、遼寧省和河北省毗鄰，北與俄羅斯、蒙古國(guó)接壤。其褐煤約占全國(guó)保有儲(chǔ)備量的3/4，是我國(guó)13個(gè)大煤炭基地之一[1]。該區(qū)域主要分布有勝利煤田、白彥花煤田、霍林河煤田、大雁和伊敏煤田等，開采條件優(yōu)越，以露天礦為主。該地區(qū)煤炭形成于晚侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)，巖體強(qiáng)度低，地下水較豐富，邊坡穩(wěn)定性為突出[2-3]。

近年來，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)在邊坡工程中得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)邊坡雷達(dá)動(dòng)態(tài)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)判定邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，識(shí)別邊坡變形破壞機(jī)制及影響范圍，并在邊坡進(jìn)入臨滑階段時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保證礦山生產(chǎn)作業(yè)人員和設(shè)備的安全，邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為軟巖邊坡變形及滑坡破壞研究的重要手段。為此，利用邊坡雷達(dá)高精度及大范圍的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)，針對(duì)蒙東地區(qū)3 個(gè)不同露天煤礦不同軟巖邊坡滑坡破壞前的蠕動(dòng)變形云圖和曲線等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形階段劃分，結(jié)合滑坡變形體的滑坡模式和滑坡原因以及宏觀表象進(jìn)行變形數(shù)據(jù)的綜合分析，旨在找出該地區(qū)軟巖邊坡變形演化的特點(diǎn)及滑坡規(guī)律，為該地區(qū)軟巖邊坡的災(zāi)害防治提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 工程概況

蒙東地區(qū)屬寒溫帶和中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，半干旱季風(fēng)氣候。春季干旱多風(fēng)；夏季短促溫?zé)?，秋季氣溫驟降，霜凍早，冬季寒冷漫長(zhǎng)。該地區(qū)露天煤礦地層一般由白堊系含煤巖系和新生界第三系、第四系組成。新生界第四系為粉土、砂土層，結(jié)構(gòu)松散，無膠結(jié)，穩(wěn)固性差，埋藏較淺，一般呈不連續(xù)分布；第三系以膨脹性黏土為主，塑性強(qiáng)，易產(chǎn)生滑移變形，總體抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)強(qiáng)度極低，極易導(dǎo)致地裂縫和滑坡等災(zāi)害的發(fā)生；白堊系含煤巖系力學(xué)強(qiáng)度亦較低，層面發(fā)育，抗風(fēng)化及抗凍性差，屬軟巖類巖石。因此，將該地區(qū)露天煤礦具備軟巖性質(zhì)的邊坡歸納為以下3 種類型：①第三、第四系土邊坡：邊坡體內(nèi)第四系土存在地表水、地下水和人為開挖的作用，易產(chǎn)生崩塌、片幫現(xiàn)象，而第三系土以膨脹性黏土為主，壓縮變形大，抗剪強(qiáng)度低，易形成剪切滑動(dòng)面；②軟弱基巖邊坡：基巖巖性弱為此類邊坡發(fā)生滑坡的根本原因，同時(shí)，白堊系含煤巖系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟弱夾層較多，易形成沿弱層滑動(dòng)的片幫、滑坡現(xiàn)象；邊坡與地層傾向相同，泥巖、炭質(zhì)泥巖在地下水浸潤(rùn)下，形成順層滑坡，邊坡與地層傾向相反或近水平，邊坡在降雨或地下水作用下易從軟弱基巖部分發(fā)生剪出作用，形成整體邊坡的蠕動(dòng)變形；③排土場(chǎng)邊坡：此類邊坡易存在基底不穩(wěn)定弱面或局部邊坡角過陡情況，在降雨影響下，形成排土場(chǎng)邊坡的整體或局部蠕動(dòng)變形，甚至滑坡。

2 邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)

邊坡雷達(dá)是一項(xiàng)用于露天礦山邊坡穩(wěn)定性測(cè)量和監(jiān)測(cè)的技術(shù)，它沿整個(gè)邊坡表面進(jìn)行連續(xù)的、次毫米精度測(cè)量，且系統(tǒng)無需與監(jiān)測(cè)邊坡發(fā)生任何接觸。通過軟件獨(dú)特的計(jì)算方式監(jiān)測(cè)邊坡變形和設(shè)置報(bào)警，從而建立邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)管理，并給礦山帶來顯著效益[4-7]。通過邊坡雷達(dá)的使用，首先，可以在大型滑坡前發(fā)出警告，使人員和設(shè)備在提前撤離危險(xiǎn)區(qū)域，從而降低了人員傷害和設(shè)備損壞的危險(xiǎn)；其次，礦山工程技術(shù)人員可根據(jù)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警信息進(jìn)行決策，提高地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的產(chǎn)量；再次，連續(xù)的邊坡變形監(jiān)測(cè)縮短了每次爆破和降雨后等待邊坡變形恢復(fù)的時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率[8]。

1）云圖圖像。邊坡雷達(dá)能夠迅速掃描一個(gè)很大的區(qū)域，測(cè)量的準(zhǔn)確度在毫米級(jí)以下，并且能夠以云圖圖像形式顯示礦區(qū)的邊坡穩(wěn)定性。掃描過程自邊坡的頂部向底部，或從邊坡的底部向頂部反復(fù)進(jìn)行。每一次掃描均采集整個(gè)掃描區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并針對(duì)本次掃描與上一次掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，獲得測(cè)量邊坡表面的位移。

2）曲線圖。邊坡雷達(dá)云圖圖像將整個(gè)監(jiān)測(cè)范圍邊坡劃分成幾十萬個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一個(gè)像素單元，每個(gè)單元均對(duì)應(yīng)位移、速度、加速度等曲線。因此，不僅要依靠云圖圖像的顏色變化，而且還要通過像素單元的曲線信息解釋邊坡的變形或加速情況。其中，位移和速度曲線是分析雷達(dá)數(shù)據(jù)和顯示頁(yè)面數(shù)據(jù)的一種常見的方式，也是滑坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要判斷標(biāo)準(zhǔn)；速度倒數(shù)曲線利用臨滑狀態(tài)下隨著邊坡位移速度不斷增大而速度倒數(shù)不斷減小直至無限趨近于0 的原理進(jìn)行臨滑階段的時(shí)間預(yù)測(cè)，該曲線是邊坡雷達(dá)技術(shù)預(yù)測(cè)滑坡的主要方法和手段。

3 軟巖邊坡蠕動(dòng)變形特征及滑坡規(guī)律

3.1 土體邊坡變形特征及滑坡規(guī)律

白音華某露天煤礦邊坡變形較大的區(qū)域主要集中北幫邊坡，經(jīng)綜合地質(zhì)資料收集、采掘揭露及地質(zhì)模型等綜合分析，確定北幫及其周邊地段地層巖性自上而下主要表現(xiàn)為：上部為第四系砂土層，厚約26～38.4 m，其下是第三系紅黏土層，厚約32～42 m，下部為砂、泥巖互層。黏土層具有隔水性能及遇水極易降低物理力學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)，由于坡腳開挖和降雨因素的誘發(fā)作用下，北幫邊坡容易發(fā)生局部的坐落滑移式邊坡變形破壞。

通過現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)北幫中部已形成局部邊坡變形區(qū)，后緣沉陷部位主要為拉張裂縫區(qū)，前緣平盤以下坡面臨空面為剪出部位，呈現(xiàn)隆起變形。對(duì)比邊坡雷達(dá)位移云圖，北幫西側(cè)1 020 m 水平以上2 個(gè)臺(tái)階發(fā)生小范圍局部邊坡變形快速增大現(xiàn)象，滑體輪廓非常明顯，初步形成滑體周界。該區(qū)域系黏土邊坡，滑動(dòng)原因是由于下部開采過程中，局部邊坡巖性較弱，加之坡面地表水富集導(dǎo)致。白音華某露天煤礦邊坡雷達(dá)位移與速度曲線圖如圖1。

圖1 白音華某露天煤礦邊坡雷達(dá)位移與速度曲線圖

通過邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將白音華某露天煤礦邊坡發(fā)生突然失穩(wěn)破壞前分成4 個(gè)階段：①定常蠕動(dòng)變形階段：定常蠕動(dòng)變形初期階段為7 月3 日15：00 至7 月3 日22：00 期間，位移呈現(xiàn)勻速變化趨勢(shì)，位移量為13 mm，平均速度為1.86 mm/h 定常蠕動(dòng)變形后期階段為7 月3 日22：00 至7 月4 日10：00 期間位移呈現(xiàn)勻速變化趨勢(shì)，位移量為80 mm，平均速度為6.67 mm/h；②加速變形階段：7 月4日10：00 至7 月4 日12：00 期間位移呈現(xiàn)加速變化趨勢(shì)，在2 h 內(nèi)位移量迅速增加至為55 mm；③破壞階段：片幫破壞時(shí)速度瞬時(shí)值為35 mm/h；④恢復(fù)平穩(wěn)階段：當(dāng)位移速度達(dá)到最高值后，速度曲線迅速恢復(fù)至勻速變化趨勢(shì)，平均速度近似于0，整體恢復(fù)為緩慢蠕動(dòng)狀態(tài)，邊坡變形再次處于平穩(wěn)階段[9-10]。

白音華露天煤礦北幫第三、第四系土邊坡局部變形區(qū)在邊坡破壞發(fā)生前經(jīng)歷了2 段速度不等的定常蠕動(dòng)變形階段和1 段加速變形及破壞階段，尤其在定常蠕動(dòng)變形后期階段，滑坡體后緣出現(xiàn)拉張裂縫、前緣隆起變形，并且滑坡范圍周界明顯等特征，加速變形階段完成后，變形速度達(dá)到峰值，滑坡體最終產(chǎn)生破壞。因此，第三、第四系土邊坡滑體在破壞前后經(jīng)歷的過程可描述為“短期蠕變-加速-破壞-恢復(fù)平穩(wěn)”階段。

3.2 軟弱基巖邊坡蠕動(dòng)變形特征

霍林河某露天煤礦北幫邊坡地層由晚侏羅世興安嶺群火山巖系及晚侏羅～早白堊世霍林河群含煤巖系和新生界第四系砂土、第三系沖積層及黏土組成，北幫巖體整體為逆傾邊坡，巖質(zhì)邊坡風(fēng)化嚴(yán)重，巖性較弱，局部區(qū)域節(jié)理發(fā)育。尤其煤層底板的泥巖或炭質(zhì)泥巖在地下水作用下易與含水層接觸遇水軟化而形成軟弱層，在大氣降雨及人工開挖坡腳的影響下，容易發(fā)生大面積切層滑坡。

從2019 年12 月中旬開始至2020 年9 月結(jié)束，北幫東部區(qū)域出現(xiàn)大面積蠕動(dòng)跡象，變形區(qū)底部820 m 水平出現(xiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)面、上部920～956 m 水平出現(xiàn)沉降和橫向裂縫、東西向長(zhǎng)度約1 300 m，已形成明顯的滑體后緣特征，但滑體前緣及側(cè)邊裂縫特征不明顯，初步形成滑體周界范圍?；袅趾幽陈短烀旱V北幫變形區(qū)累積位移曲線如圖2，霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)速度曲線如圖3 。

圖2 霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)累積位移曲線

圖3 霍林河某露天煤礦北幫變形區(qū)速度曲線

根據(jù)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，將北幫東部變形區(qū)發(fā)生的蠕動(dòng)變形分成3 個(gè)階段：①定常蠕動(dòng)變形階段：2019 年中旬至2021 年4 月，位移呈現(xiàn)勻速變化趨勢(shì)，邊坡變形速度為20～40 mm/d 之間變化；②加速變形階段：進(jìn)入凍融期和雨季后（2020 年4 月—2020 年9 月），位移呈現(xiàn)加速變化趨勢(shì)，邊坡變形速度從20 mm/d 增加到最高140 mm/d；③恢復(fù)階段：2020 年9 月—2020 年12 月，位移呈現(xiàn)減速變化趨勢(shì)，邊坡變形速度從140 mm/d 恢復(fù)至20 mm/d；

霍林河某露天煤礦北幫邊坡地層巖性較弱，巖體之間的節(jié)理、裂隙較發(fā)育，地表水及地下水長(zhǎng)期入滲并浸潤(rùn)弱層，導(dǎo)致弱層強(qiáng)度指標(biāo)降低。由于凍融的影響，在北幫東部區(qū)域發(fā)生蠕動(dòng)變形的初期，變形區(qū)呈勻速蠕動(dòng)變形趨勢(shì)。隨著雨季的到來及雨水在邊坡內(nèi)部的滲入，變形區(qū)位移進(jìn)入加速變形趨勢(shì)，最終達(dá)到峰值。當(dāng)雨季結(jié)束后，地下水在邊坡的滑動(dòng)中部分排出，滑動(dòng)速度逐漸減小，隨著時(shí)間的推移，變形體再次呈現(xiàn)緩慢蠕動(dòng)變形狀態(tài)。由于此類邊坡變形具有歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，并在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)未發(fā)生最終滑坡破壞，因此，在不完整周期內(nèi)，軟弱基巖邊坡滑體在破壞前后經(jīng)歷的過程可描述為“長(zhǎng)期蠕變-加速-恢復(fù)平穩(wěn)”階段。

3.3 排土場(chǎng)邊坡變形特征及滑坡規(guī)律

霍林河某露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)基底主要為21#煤或24#煤底板，巖性以炭質(zhì)泥巖為主，最大特性是親水性強(qiáng)，遇水軟化嚴(yán)重，強(qiáng)度非常低。內(nèi)排土場(chǎng)邊坡是由松散的排棄物料堆砌而成，其邊坡穩(wěn)定性不但取決于排棄物料本身的物理力學(xué)性質(zhì)，而且還受到排土場(chǎng)基底幾何形態(tài)與巖性等因素的影響，潛在的滑動(dòng)模式有2 種：①排土場(chǎng)內(nèi)部相對(duì)軟弱隔水層并以此為剪出口的滑動(dòng)；②以煤層底板弱層為滑面的順層滑動(dòng)。

邊坡雷達(dá)數(shù)據(jù)顯示，2020 年11 月22 日12 時(shí)開始，西坑內(nèi)排土場(chǎng)發(fā)現(xiàn)異常變形區(qū)，變形體范圍在824～890 m 水平平臺(tái)，此時(shí)累積位移值80 mm，位移速度達(dá)8 mm/h。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查，變形區(qū)上部出現(xiàn)橫向裂縫，下部出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，已經(jīng)初步形成滑坡體周界，同時(shí)發(fā)現(xiàn)2020 年11 月22 日15 時(shí)仍有設(shè)備正在進(jìn)行清理底鼓作業(yè)?；袅趾幽陈短斓V內(nèi)排土場(chǎng)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)位移與速度曲線圖如圖4。

圖4 霍林河某露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)位移與速度曲線圖

根據(jù)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，將內(nèi)排土場(chǎng)邊坡發(fā)生突然失穩(wěn)破壞分成4 個(gè)階段：①定常蠕動(dòng)變形階段：2020 年11 月21 日3 時(shí)至2020 年11 月22 日6 時(shí)，位移呈現(xiàn)近似勻速變化趨勢(shì)，邊坡變形速度約1 mm/h 變化；②加速變形階段：2020 年11 月22 日6 時(shí)至2020 年11 月23 日23 時(shí)，位移呈現(xiàn)加速變化趨勢(shì)，邊坡變形速度從1 mm/h 增加到最高120 mm/h；③破壞階段：片幫破壞時(shí)，速度瞬時(shí)值為120 mm/h；④平穩(wěn)階段：當(dāng)滑體變形速度達(dá)到峰值后，同時(shí)發(fā)生失穩(wěn)破壞，隨后變形體速度迅速恢復(fù)至0 左右，并從2020 年11 月24 日2 時(shí)開始，位移呈現(xiàn)極緩慢勻速變化趨勢(shì)，整體處于極緩慢蠕動(dòng)階段。

霍林河露天煤礦內(nèi)排土場(chǎng)由松散物料堆積而成，基底煤層底板泥巖弱層發(fā)育，在水的滲透作用下，在邊坡內(nèi)部形成軟弱滑動(dòng)面。由于滑體下部設(shè)備作業(yè)的直接影響，排土場(chǎng)邊坡滑體的位移經(jīng)歷發(fā)生了“短期蠕變－加速－破壞－恢復(fù)平穩(wěn)”完整周期的變形破壞過程。由此可見，第三、第四系土邊坡與排土場(chǎng)邊坡具有相似的邊坡變形及滑坡過程。

4 結(jié)語(yǔ)

利用邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)蒙東地區(qū)3 個(gè)不同露天煤礦不同軟巖邊坡進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析，得出不同類型軟巖邊坡的變形特征和滑坡規(guī)律。對(duì)蒙東地區(qū)軟巖邊坡變形特征分析表明，第三、第四系土邊坡與排土場(chǎng)邊坡具有相似的邊坡變形及滑坡過程，與軟弱基巖邊坡相比，具有滑坡前蠕變時(shí)間短，滑體變形速度慢的特點(diǎn)，在滑體的累積位移曲線上表現(xiàn)為“蠕變-加速-破壞-恢復(fù)平穩(wěn)”的完整周期。而軟弱基巖在滑體加速變形后可能直接尋找到平衡狀態(tài)而非產(chǎn)生破壞，在滑坡體的累積位移曲線上表現(xiàn)為整個(gè)周期過程中的階躍現(xiàn)象，更容易出現(xiàn)“蠕變-加速-恢復(fù)平穩(wěn)”的周期變化。