蒙东地区软岩边坡蠕动变形及滑坡规律研究

韦忠跟

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

蒙东地区位于东北的西部，东南与黑龙江省、吉林省、辽宁省和河北省毗邻，北与俄罗斯、蒙古国接壤。其褐煤约占全国保有储备量的3/4，是我国13个大煤炭基地之一[1]。该区域主要分布有胜利煤田、白彦花煤田、霍林河煤田、大雁和伊敏煤田等，开采条件优越，以露天矿为主。该地区煤炭形成于晚侏罗纪—白垩纪，岩体强度低，地下水较丰富，边坡稳定性为突出[2-3]。

近年来，边坡雷达监测技术在边坡工程中得到了广泛应用，根据边坡雷达动态位移监测数据及时判定边坡的稳定状态，识别边坡变形破坏机制及影响范围，并在边坡进入临滑阶段时及时发出警报，保证矿山生产作业人员和设备的安全，边坡雷达监测技术已成为软岩边坡变形及滑坡破坏研究的重要手段。为此，利用边坡雷达高精度及大范围的监测特点，针对蒙东地区3 个不同露天煤矿不同软岩边坡滑坡破坏前的蠕动变形云图和曲线等监测数据进行变形阶段划分，结合滑坡变形体的滑坡模式和滑坡原因以及宏观表象进行变形数据的综合分析，旨在找出该地区软岩边坡变形演化的特点及滑坡规律，为该地区软岩边坡的灾害防治提供基础依据。

1 工程概况

蒙东地区属寒温带和中温带大陆性季风气候，半干旱季风气候。春季干旱多风；夏季短促温热，秋季气温骤降，霜冻早，冬季寒冷漫长。该地区露天煤矿地层一般由白垩系含煤岩系和新生界第三系、第四系组成。新生界第四系为粉土、砂土层，结构松散，无胶结，稳固性差，埋藏较浅，一般呈不连续分布；第三系以膨胀性黏土为主，塑性强，易产生滑移变形，总体抗压强度、抗剪强度等力学强度极低，极易导致地裂缝和滑坡等灾害的发生；白垩系含煤岩系力学强度亦较低，层面发育，抗风化及抗冻性差，属软岩类岩石。因此，将该地区露天煤矿具备软岩性质的边坡归纳为以下3 种类型：①第三、第四系土边坡：边坡体内第四系土存在地表水、地下水和人为开挖的作用，易产生崩塌、片帮现象，而第三系土以膨胀性黏土为主，压缩变形大，抗剪强度低，易形成剪切滑动面；②软弱基岩边坡：基岩岩性弱为此类边坡发生滑坡的根本原因，同时，白垩系含煤岩系结构复杂，软弱夹层较多，易形成沿弱层滑动的片帮、滑坡现象；边坡与地层倾向相同，泥岩、炭质泥岩在地下水浸润下，形成顺层滑坡，边坡与地层倾向相反或近水平，边坡在降雨或地下水作用下易从软弱基岩部分发生剪出作用，形成整体边坡的蠕动变形；③排土场边坡：此类边坡易存在基底不稳定弱面或局部边坡角过陡情况，在降雨影响下，形成排土场边坡的整体或局部蠕动变形，甚至滑坡。

2 边坡雷达监测技术

边坡雷达是一项用于露天矿山边坡稳定性测量和监测的技术，它沿整个边坡表面进行连续的、次毫米精度测量，且系统无需与监测边坡发生任何接触。通过软件独特的计算方式监测边坡变形和设置报警，从而建立边坡滑坡风险管理，并给矿山带来显著效益[4-7]。通过边坡雷达的使用，首先，可以在大型滑坡前发出警告，使人员和设备在提前撤离危险区域，从而降低了人员伤害和设备损坏的危险；其次，矿山工程技术人员可根据边坡雷达监测数据及预警信息进行决策，提高地质风险区的产量；再次，连续的边坡变形监测缩短了每次爆破和降雨后等待边坡变形恢复的时间，从而提高生产效率[8]。

1）云图图像。边坡雷达能够迅速扫描一个很大的区域，测量的准确度在毫米级以下，并且能够以云图图像形式显示矿区的边坡稳定性。扫描过程自边坡的顶部向底部，或从边坡的底部向顶部反复进行。每一次扫描均采集整个扫描区域的监测数据，并针对本次扫描与上一次扫描的数据进行比较，获得测量边坡表面的位移。

2）曲线图。边坡雷达云图图像将整个监测范围边坡划分成几十万个网格，每个网格对应一个像素单元，每个单元均对应位移、速度、加速度等曲线。因此，不仅要依靠云图图像的颜色变化，而且还要通过像素单元的曲线信息解释边坡的变形或加速情况。其中，位移和速度曲线是分析雷达数据和显示页面数据的一种常见的方式，也是滑坡预测预报的重要判断标准；速度倒数曲线利用临滑状态下随着边坡位移速度不断增大而速度倒数不断减小直至无限趋近于0 的原理进行临滑阶段的时间预测，该曲线是边坡雷达技术预测滑坡的主要方法和手段。

3 软岩边坡蠕动变形特征及滑坡规律

3.1 土体边坡变形特征及滑坡规律

白音华某露天煤矿边坡变形较大的区域主要集中北帮边坡，经综合地质资料收集、采掘揭露及地质模型等综合分析，确定北帮及其周边地段地层岩性自上而下主要表现为：上部为第四系砂土层，厚约26～38.4 m，其下是第三系红黏土层，厚约32～42 m，下部为砂、泥岩互层。黏土层具有隔水性能及遇水极易降低物理力学性质的特点，由于坡脚开挖和降雨因素的诱发作用下，北帮边坡容易发生局部的坐落滑移式边坡变形破坏。

通过现场踏勘，发现北帮中部已形成局部边坡变形区，后缘沉陷部位主要为拉张裂缝区，前缘平盘以下坡面临空面为剪出部位，呈现隆起变形。对比边坡雷达位移云图，北帮西侧1 020 m 水平以上2 个台阶发生小范围局部边坡变形快速增大现象，滑体轮廓非常明显，初步形成滑体周界。该区域系黏土边坡，滑动原因是由于下部开采过程中，局部边坡岩性较弱，加之坡面地表水富集导致。白音华某露天煤矿边坡雷达位移与速度曲线图如图1。

图1 白音华某露天煤矿边坡雷达位移与速度曲线图

通过边坡雷达监测数据，将白音华某露天煤矿边坡发生突然失稳破坏前分成4 个阶段：①定常蠕动变形阶段：定常蠕动变形初期阶段为7 月3 日15：00 至7 月3 日22：00 期间，位移呈现匀速变化趋势，位移量为13 mm，平均速度为1.86 mm/h 定常蠕动变形后期阶段为7 月3 日22：00 至7 月4 日10：00 期间位移呈现匀速变化趋势，位移量为80 mm，平均速度为6.67 mm/h；②加速变形阶段：7 月4日10：00 至7 月4 日12：00 期间位移呈现加速变化趋势，在2 h 内位移量迅速增加至为55 mm；③破坏阶段：片帮破坏时速度瞬时值为35 mm/h；④恢复平稳阶段：当位移速度达到最高值后，速度曲线迅速恢复至匀速变化趋势，平均速度近似于0，整体恢复为缓慢蠕动状态，边坡变形再次处于平稳阶段[9-10]。

白音华露天煤矿北帮第三、第四系土边坡局部变形区在边坡破坏发生前经历了2 段速度不等的定常蠕动变形阶段和1 段加速变形及破坏阶段，尤其在定常蠕动变形后期阶段，滑坡体后缘出现拉张裂缝、前缘隆起变形，并且滑坡范围周界明显等特征，加速变形阶段完成后，变形速度达到峰值，滑坡体最终产生破坏。因此，第三、第四系土边坡滑体在破坏前后经历的过程可描述为“短期蠕变-加速-破坏-恢复平稳”阶段。

3.2 软弱基岩边坡蠕动变形特征

霍林河某露天煤矿北帮边坡地层由晚侏罗世兴安岭群火山岩系及晚侏罗～早白垩世霍林河群含煤岩系和新生界第四系砂土、第三系冲积层及黏土组成，北帮岩体整体为逆倾边坡，岩质边坡风化严重，岩性较弱，局部区域节理发育。尤其煤层底板的泥岩或炭质泥岩在地下水作用下易与含水层接触遇水软化而形成软弱层，在大气降雨及人工开挖坡脚的影响下，容易发生大面积切层滑坡。

从2019 年12 月中旬开始至2020 年9 月结束，北帮东部区域出现大面积蠕动迹象，变形区底部820 m 水平出现明显错动面、上部920～956 m 水平出现沉降和横向裂缝、东西向长度约1 300 m，已形成明显的滑体后缘特征，但滑体前缘及侧边裂缝特征不明显，初步形成滑体周界范围。霍林河某露天煤矿北帮变形区累积位移曲线如图2，霍林河某露天煤矿北帮变形区速度曲线如图3 。

图2 霍林河某露天煤矿北帮变形区累积位移曲线

图3 霍林河某露天煤矿北帮变形区速度曲线

根据边坡雷达监测数据综合分析，将北帮东部变形区发生的蠕动变形分成3 个阶段：①定常蠕动变形阶段：2019 年中旬至2021 年4 月，位移呈现匀速变化趋势，边坡变形速度为20～40 mm/d 之间变化；②加速变形阶段：进入冻融期和雨季后（2020 年4 月—2020 年9 月），位移呈现加速变化趋势，边坡变形速度从20 mm/d 增加到最高140 mm/d；③恢复阶段：2020 年9 月—2020 年12 月，位移呈现减速变化趋势，边坡变形速度从140 mm/d 恢复至20 mm/d；

霍林河某露天煤矿北帮边坡地层岩性较弱，岩体之间的节理、裂隙较发育，地表水及地下水长期入渗并浸润弱层，导致弱层强度指标降低。由于冻融的影响，在北帮东部区域发生蠕动变形的初期，变形区呈匀速蠕动变形趋势。随着雨季的到来及雨水在边坡内部的渗入，变形区位移进入加速变形趋势，最终达到峰值。当雨季结束后，地下水在边坡的滑动中部分排出，滑动速度逐渐减小，随着时间的推移，变形体再次呈现缓慢蠕动变形状态。由于此类边坡变形具有历时时间长的特点，并在监测周期内未发生最终滑坡破坏，因此，在不完整周期内，软弱基岩边坡滑体在破坏前后经历的过程可描述为“长期蠕变-加速-恢复平稳”阶段。

3.3 排土场边坡变形特征及滑坡规律

霍林河某露天煤矿内排土场基底主要为21#煤或24#煤底板，岩性以炭质泥岩为主，最大特性是亲水性强，遇水软化严重，强度非常低。内排土场边坡是由松散的排弃物料堆砌而成，其边坡稳定性不但取决于排弃物料本身的物理力学性质，而且还受到排土场基底几何形态与岩性等因素的影响，潜在的滑动模式有2 种：①排土场内部相对软弱隔水层并以此为剪出口的滑动；②以煤层底板弱层为滑面的顺层滑动。

边坡雷达数据显示，2020 年11 月22 日12 时开始，西坑内排土场发现异常变形区，变形体范围在824～890 m 水平平台，此时累积位移值80 mm，位移速度达8 mm/h。通过现场勘查，变形区上部出现横向裂缝，下部出现底鼓现象，已经初步形成滑坡体周界，同时发现2020 年11 月22 日15 时仍有设备正在进行清理底鼓作业。霍林河某露天矿内排土场边坡雷达监测位移与速度曲线图如图4。

图4 霍林河某露天煤矿内排土场边坡雷达监测位移与速度曲线图

根据边坡雷达监测数据分析，将内排土场边坡发生突然失稳破坏分成4 个阶段：①定常蠕动变形阶段：2020 年11 月21 日3 时至2020 年11 月22 日6 时，位移呈现近似匀速变化趋势，边坡变形速度约1 mm/h 变化；②加速变形阶段：2020 年11 月22 日6 时至2020 年11 月23 日23 时，位移呈现加速变化趋势，边坡变形速度从1 mm/h 增加到最高120 mm/h；③破坏阶段：片帮破坏时，速度瞬时值为120 mm/h；④平稳阶段：当滑体变形速度达到峰值后，同时发生失稳破坏，随后变形体速度迅速恢复至0 左右，并从2020 年11 月24 日2 时开始，位移呈现极缓慢匀速变化趋势，整体处于极缓慢蠕动阶段。

霍林河露天煤矿内排土场由松散物料堆积而成，基底煤层底板泥岩弱层发育，在水的渗透作用下，在边坡内部形成软弱滑动面。由于滑体下部设备作业的直接影响，排土场边坡滑体的位移经历发生了“短期蠕变－加速－破坏－恢复平稳”完整周期的变形破坏过程。由此可见，第三、第四系土边坡与排土场边坡具有相似的边坡变形及滑坡过程。

4 结语

利用边坡雷达监测技术对蒙东地区3 个不同露天煤矿不同软岩边坡进行综合数据分析，得出不同类型软岩边坡的变形特征和滑坡规律。对蒙东地区软岩边坡变形特征分析表明，第三、第四系土边坡与排土场边坡具有相似的边坡变形及滑坡过程，与软弱基岩边坡相比，具有滑坡前蠕变时间短，滑体变形速度慢的特点，在滑体的累积位移曲线上表现为“蠕变-加速-破坏-恢复平稳”的完整周期。而软弱基岩在滑体加速变形后可能直接寻找到平衡状态而非产生破坏，在滑坡体的累积位移曲线上表现为整个周期过程中的阶跃现象，更容易出现“蠕变-加速-恢复平稳”的周期变化。