天池能源南露天煤矿碎裂结构岩体边坡位移监测数据分析

宋 健

（新疆天池能源有限责任公司，新疆 昌吉 831100）

随着科技的进步，我国的露天煤矿边坡位移监测技术手段取得了长足的进步，各种精度高、智能化的监测设备已经应用到了露天煤矿的日常生产中，给矿方带来了丰厚的效益，保证了采煤过程的安全。目前，在露天煤矿使用比较成熟的监测设备有边坡雷达、GNSS 全球导航卫星监测系统及深部岩移监测系统等[1]，因监测的原理及目的不同，以上监测设备在实践过程中表现出了不同的优势及特点。为此，针对新疆天池能源有限责任公司南露天煤矿北帮碎裂结构岩体变形边坡，分别利用边坡雷达、GNSS 对其进行了监测预警，通过监测数据分析得到了北帮边坡的滑坡要素、发育阶段及边坡变形机理[2]，并据此采用了削坡减载＋回填压脚的综合治理措施[3]。治理效果良好，边坡位移监测数据显示北帮处于稳定状态。

1 工程概况

南露天煤矿位于新疆维吾尔自治区昌吉市吉木萨尔县城北100 km 处，南露天煤矿南北宽2 km，东西宽4 km，面积8 km2。采场东帮为工作帮，西帮为内排土场，南帮、北帮为2 个端帮，其中北帮为顺倾边坡。

2022 年2 月3 日，距北帮观礼台东侧约600 m 处，546 m 水平～煤层底板发生滑坡，滑坡区域长279 m。

2022 年3 月11 日，距离北帮观礼台东侧300 m处，北帮595 水平地表发育3 组裂缝，580 m 水平平盘发育3 组裂缝，580～565 m 水平坡道发育1 组裂缝。

2022 年4 月6 日，距离北帮观礼台东侧100 m处，580 m 水平平盘发育1 条新裂缝，长约8 m，宽约1 cm。

根据现场地质调查，北帮煤层露头区域煤层近乎直立，露头北侧夹1 层炭质泥岩，上部薄、下部厚，炭质泥岩北侧为厚20～30 m 的杂色泥岩。另外，通过工程地质补充勘探发现，在杂色泥岩及煤层下部发育着1 层连续的软弱底板泥岩。由于风化严重，北帮岩层整体为顺层碎裂结构岩体。根据以往的研究总结，露天煤矿顺层边坡潜在的失稳模式主要有顺层滑移、后缘拉裂＋顺层滑移、顺层滑移＋底部溃屈破坏[4]。

根据现场踏勘，北帮后缘裂缝表面粗糙，拉裂破坏明显；由于杂色泥岩基底为软弱底板泥岩，力学强度较低，推断为顺层滑移的滑面；另外，变形边坡底部无弯曲变形，故底部未发生溃屈破坏，故北帮碎裂结构岩体失稳模式为后缘拉裂＋顺层滑移式破坏。

2 北帮边坡位移监测系统

南露天煤矿边坡采用“边坡雷达为主，GNSS 自动化监测及人工监测为辅”的综合监测技术，重点区域全部实现自动化监测。

2.1 IBIS－FM 边坡雷达预警监测系统

IBIS－FM 边坡雷达属于合成孔径雷达，利用电磁波为媒介，计算相邻2 次扫描所监测的位移差值，实时记录边坡的位移量，通过分析边坡的位移量及位移速率，预判边坡短时间内是否有滑坡风险[5]。

南露天煤矿现有2 套意大利IBIS－FM 边坡雷达，其中1＃边坡雷达位于南帮550 m 水平平盘，监测采场北帮；2＃边坡雷达安装于新建观礼台，监测南帮西侧及西帮内排土场。

南露天煤矿IBIS－FM 边坡雷达不受极端天气影响，实现了全天候实时监测；监测精度高，最高可达到0.1 mm；监测距离远，最远可达4 km；监测数据通过无线网桥传输到调度中心，实时显示边坡三维监测信息、形变曲线[6]。边坡雷达采用三级预警机制，预警信息以短信，邮件和监测设备声光预警等多种形式发送至预警群中，技术人员进行预警分析、预测预报。

2.2 GNSS 自动化监测预警系统

GNSS 自动化监测系统由26 个GPS 监测点、2个深部岩移监测点、2 个地下水位监测点及1 个降雨量观测点组成。系统采用自动测量、通信和计算机技术，对边坡动态数据进行监测、采集、传输及分析，实现地表位移、深部岩移、降雨量和地下水位的24 h 连续性远程监测[7]，为边坡安全评价提供多源数据参考。

3 北帮边坡位移监测数据分析

3.1 雷达位移监测数据分析

2022 年2 月1 日，根据生产计划，南露天煤矿对距北帮观礼台东侧约600 m 处煤层进行开采，2月2 日夜间23 点开采后露出煤层底板，2 月3 日凌晨2 点45 分，1＃边坡雷达显示北帮546 m 水平～煤层底板区域报黄色预警，实时速度为－5.06 mm/h，速度呈增大趋势。根据现场巡查，2022 年2 月3 日，距北帮观礼台东侧600 m 处，546 m 水平～煤层底板发生小型滑坡。

根据雷达监测结果可以将此次小型滑坡过程分为4 个阶段：匀速变形阶段、加速变形阶段、趋于稳定阶段及稳定阶段[8]。

1）匀速变形阶段。北帮碎裂结构岩体后缘拉裂破坏尚未形成，由于开挖坡脚过大，边坡整体抗滑力等于下滑力，边坡处于极限平衡状态，发生匀速变形，边坡内部原有裂缝逐渐发育、贯通，岩层间力学强度逐渐降低。

2）加速变形阶段。边坡内部原有裂缝逐渐发育到一定程度，边坡后缘岩体发生拉裂破坏，抗滑力瞬间降低，下滑力远远大于抗滑力，碎裂结构岩体边坡发生加速下滑，底板泥岩为边坡失稳的滑移面，随着边坡的滑移，底板泥岩的力学强度逐步降低，使整体边坡进一步加速下滑[9]。

3）趋于稳定阶段。随着边坡的持续下滑，滑坡体逐渐堆积于坡脚处，坡脚处堆积的滑坡体增加了边坡的抗滑力，使边坡下滑速度逐渐降低，边坡慢慢趋于稳定阶段。

4）稳定阶段。当堆积于坡脚处的滑坡体增加到一定程度时，滑坡体下滑力小于抗滑力，边坡处于稳定状态，边坡角及边坡高度较滑坡前大大降低。

3.2 GNSS 位移监测数据分析

2022 年3 月11 日，距北帮观礼台东侧300 m处，北帮595 m 水平地表发育3 组裂缝，580 m 水平平盘发育三组裂缝，580～565 m 水平坡道发育1 组裂缝。根据GNSS 监测数据得到的北帮裂缝区域边坡位移剖面矢量图如图1。

图1 裂缝区域边坡位移矢量图

535 m 水平以上为杂色泥岩边坡，535 m 水平以下为内排土场边坡，杂色泥岩及内排土场底部发育着1 层软弱底板泥岩。目前边坡处于蠕动阶段，边坡594 m 水平向下移动，为边坡蠕动后缘，由于后缘位移倾角远大于底板泥岩倾角，可以推断蠕动体后缘为拉裂破坏而非顺层滑移；575 m 水平与550 m 水平均平行底板泥岩向下移动，可以推断杂色泥岩与底板泥岩分界面为蠕动边坡的顺层滑移滑面；535 m水平向斜上方移动，推断为边坡蠕动体的剪出口；505 m 水平竖直向下移动，为内排土场均匀沉降所致，故此处边坡蠕动变形机理为后缘杂色泥岩拉裂，以底板泥岩为滑面的后缘拉裂＋顺层滑移破坏，下部由于535 m 水平内排压脚高度不足，在此处剪出，潜在滑坡体595～535 m 水平，边坡角21°，边坡高60 m。为快速使边坡蠕动体恢复稳定，采取对535 m 水平进行进一步压脚，顶部削帮剥离的综合治理措施，治理后，雷达显示边坡处于稳定状态。

3.3 观礼台区域边坡位移监测数据分析

2022 年4 月6 日，距北帮观礼台东侧100 m处，580 m 水平平盘发育1 条新裂缝，长约8 m，宽约1 cm。此日起观礼台区域边坡开始产生变形，利用IBIS－FM 边坡雷达对其各坡面进行了监测，观礼台区域边坡监测曲线如图2。

图2 观礼台区域边坡监测曲线

根据边坡雷达监测数据，550 m 水平以下边坡处于稳定状态，日位移量1 mm 以下；550 m 水平以上边坡处于边坡变形阶段，日位移量2 mm 以上，可以推断北帮观礼台边坡剪出口位于550 m 水平，潜在滑坡体为595～550 m 水平，边坡角28°，边坡高45 m。目前边坡处于加速变形阶段，但加速度较小，边坡位移速度处于可控状态[10]。此时，后缘裂缝尚未贯通，后缘拉裂破坏尚未形成，边坡抗滑力与下滑力相等，边坡处于极限平衡状态。当后缘裂缝贯通时，蠕动体后缘将发生拉裂破坏，抗滑力瞬间降低，蠕动体将发生不可逆的大范围滑坡，观礼台将随之发生破坏，可能造成人身财产伤害。

受观礼台东侧600 m 区域持续变形影响，北帮观礼台区域也随之发生变形，地表出现数条裂缝，3月份595～550 m 水平边坡角28°，边坡高45 m。后期，对观礼台565～550 m 水平边坡进行了回填压脚，压脚后，595～550 m 水平边坡角23°，边坡高45 m，并由于观礼台东侧600 m 区域边坡经过削坡减载＋回填压脚治理稳定后，其不在对观礼台边坡产生影响，观礼台边坡便处于稳定状态。故观礼台区域边坡的变形机理为：受观礼台东侧600 m 区域蠕动侧向力影响，观礼台边坡发生变形，其破坏模式仍为后缘拉裂＋顺层滑移破坏。

由上可知，观礼台及东侧600 m 区域在发生变形后，杂色泥岩边坡当边坡高45 m 时，边坡角达到28°，处于极限平衡状态；当边坡高60 m 时，边坡角达到21°，处于极限平衡状态（煤层底板泥岩倾角11°～12°），以此作为回填压脚及削坡减载综合治理的依据，治理效果良好，边坡位移监测数据显示北帮处于稳定状态。

4 结语

1）通过边坡雷达及GNSS 等技术手段，对北帮边坡进行了监测预警。

2）对北帮碎裂结构岩体边坡位移监测数据进行分析，得到了各个区域滑坡要素、发育阶段及边坡变形机理。

3）对北帮变形边坡采用了削坡减载＋回填压脚的综合治理措施，治理效果良好，边坡位移监测数据显示北帮处于稳定状态。