基于三維數(shù)值模擬和切線角理論的露天煤礦滑坡災(zāi)害預(yù)防技術(shù)

趙立春，賀希格圖，王京偉，徐勇超，李文海，許乾峰

(扎魯特旗扎哈淖爾煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市，029100)

0 引言

露天煤礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是保障礦山安全、穩(wěn)定、持續(xù)、綠色和智慧生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。露天煤礦邊坡變形是災(zāi)害發(fā)生最直觀的特征。人們對(duì)邊坡變形的監(jiān)測(cè)經(jīng)歷了最初主要靠人眼識(shí)別和工皮尺等簡(jiǎn)易的工具對(duì)邊坡變形進(jìn)行測(cè)量的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法和靠人工手動(dòng)操作設(shè)備監(jiān)測(cè)2個(gè)階段，監(jiān)測(cè)手段和方式日益進(jìn)步，以往監(jiān)測(cè)誤差較大，存在滯后性、效率低、監(jiān)測(cè)連續(xù)性差等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展為邊坡監(jiān)測(cè)設(shè)備的改進(jìn)提供了基礎(chǔ)，邊坡工程數(shù)值模擬研究和變形監(jiān)測(cè)逐漸朝自動(dòng)化、高精度、智能化方向發(fā)展。

目前，根據(jù)礦山變形監(jiān)測(cè)位置，礦山變形監(jiān)測(cè)技術(shù)可分為邊坡地表位移監(jiān)測(cè)和邊坡地下位移監(jiān)測(cè)兩類[1-2]。地表監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有GNSS點(diǎn)監(jiān)測(cè)、地面三維激光掃描、智能全站儀監(jiān)測(cè)、邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)等；地下位移監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括時(shí)域反射計(jì)監(jiān)測(cè)、鉆孔測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)等。為了更好地從監(jiān)測(cè)角度分析邊坡變形，學(xué)者對(duì)邊坡應(yīng)用多種監(jiān)測(cè)方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。劉善軍等[3]指出涵蓋時(shí)間協(xié)同、空間協(xié)同、參數(shù)協(xié)同和智能分析的天-空-地多平臺(tái)多模式協(xié)同觀測(cè)是大型露天煤礦邊坡智能監(jiān)測(cè)的核心；侯林[4]將GNSS監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)貓兒溝露天煤礦邊坡潛在破壞區(qū)域，建立自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)失穩(wěn)邊坡進(jìn)行及時(shí)、準(zhǔn)確、無誤臨滑預(yù)報(bào)，避免發(fā)生人員傷亡及設(shè)備掩埋事故，保證了礦山的安全生產(chǎn)。

數(shù)值模擬方法從較大空間范圍內(nèi)考慮邊坡介質(zhì)的復(fù)雜性，全面分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變狀況，有助于深入研究邊坡變形和破壞機(jī)理[5-8]。同時(shí)邊坡現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)可以檢驗(yàn)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，因此將三維邊坡數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡空間-時(shí)間尺度的邊坡穩(wěn)定性分析及預(yù)測(cè)、預(yù)警是一個(gè)有意義的嘗試。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)露天煤礦邊坡地質(zhì)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)警，筆者提出了一種基于三維數(shù)值模擬和切線角理論的露天煤礦滑坡災(zāi)害預(yù)防技術(shù)。首先通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件，準(zhǔn)確得到邊坡在空間上潛在變形體，然后基于蠕變曲線切線角理論計(jì)算，提出了不同類型邊坡雷達(dá)預(yù)警閾值級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，最后對(duì)潛在滑移體區(qū)域進(jìn)行時(shí)間尺度的全天候監(jiān)測(cè)。將該技術(shù)應(yīng)用于霍林河二號(hào)露天采區(qū)邊坡的滑坡災(zāi)害預(yù)防過程，成功預(yù)警一次小型邊坡變形事件，同時(shí)在礦區(qū)其他區(qū)域和其他露天煤礦正在推廣應(yīng)用，為其他類似條件露天煤礦邊坡變形預(yù)防提供了借鑒依據(jù)。

1 基于三維數(shù)值模擬和邊坡雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測(cè)的邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)防技術(shù)

1.1 邊坡三維數(shù)值模擬流程

邊坡三維數(shù)值模擬計(jì)算流程如圖1所示。三維模型可看作是從整個(gè)礦區(qū)模型中剝離出了一部分，處于整個(gè)礦區(qū)模型的“包裹”之中，四周邊界不會(huì)發(fā)生大的位移，對(duì)于一般三維邊坡計(jì)算而言，邊界條件往往是對(duì)四周施加法向位移約束，對(duì)底部施加固定約束，而邊坡上部為自由面，不設(shè)置約束條件。在數(shù)值模型計(jì)算過程中，邊坡三維計(jì)算中巖土體參數(shù)的確定對(duì)于結(jié)果分析至關(guān)重要，由于巖體中結(jié)構(gòu)面等因素的影響，實(shí)驗(yàn)室試件的物理力學(xué)參數(shù)往往不能直接用于巖體的數(shù)值模擬計(jì)算中，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖層的賦存情況綜合確定[9-12]。

圖1 邊坡三維計(jì)算流程

1.2 邊坡雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測(cè)

一般而言，邊坡變形典型曲線及切線角時(shí)間關(guān)系如圖2所示，分為3個(gè)階段[13]：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(shí)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)，變形速率趨于定常值，位移歷時(shí)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(shí)曲線由緩變陡，因此曲線反映為加速變形狀態(tài)，同時(shí)亦看出切線角隨速率的增大而增大?？梢钥闯?，位移歷時(shí)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，即變形處于加速階段；反之，則處于減速變形階段；若切線角保持一常數(shù)不變，即變形速率保持不變，處于等速變形狀態(tài)。根據(jù)這一特點(diǎn)可以判定邊坡的變形狀態(tài)[14]。

圖2 邊坡變形典型曲線及切線角時(shí)間關(guān)系

1.2.2 邊坡變形階段定量細(xì)分

大量邊坡變形監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，邊坡的變形往往具有蠕變特點(diǎn)，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(gè)階段[15]。典型邊坡應(yīng)變-時(shí)間特征曲線如圖3所示。利用切線角理論公式，并結(jié)合蠕變曲線特點(diǎn)，細(xì)化曲線加速階段，定量的確定切線角范圍值，只有當(dāng)邊坡進(jìn)入加速變形臨滑階段，預(yù)示著邊坡滑坡即將發(fā)生[16-18]。

圖3 典型邊坡應(yīng)變-時(shí)間特征曲線

1.2.3 邊坡雷達(dá)MSR簡(jiǎn)介及預(yù)警閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)建立

(1)MSR邊坡雷達(dá)。MSR 邊坡雷達(dá)由南非 Reutech 雷達(dá)系統(tǒng)有限公司開發(fā)與設(shè)計(jì)，能夠?qū)ΦV山邊坡、山體、地表以及礦區(qū)建筑物等易發(fā)生微小位移變化的物體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。邊坡雷達(dá)的基本原理為邊坡雷達(dá)設(shè)備發(fā)送高頻電磁波到目標(biāo)位置，通過接收目標(biāo)物反射的電磁波，在獲取電磁波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行多次對(duì)比，獲得邊坡變化的距離和位移變化值。

(2)邊坡雷達(dá)預(yù)警閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)建立。結(jié)合邊坡雷達(dá)(MSR)監(jiān)測(cè)設(shè)備特點(diǎn)及獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于蠕變曲線切線理論計(jì)算公式，加上地質(zhì)條件及滑坡機(jī)理的分析，得到了采場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡不同變形階段預(yù)警閾值，建立了邊坡雷達(dá)預(yù)警閾值級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)邊坡雷達(dá)不同監(jiān)測(cè)階段具體閾值優(yōu)化結(jié)果，建立相應(yīng)應(yīng)急處置方式，見表1和表2。

表1 MSR雷達(dá)監(jiān)測(cè)硬巖類邊坡預(yù)警體系標(biāo)準(zhǔn)

表2 MSR雷達(dá)監(jiān)測(cè)土類及排土場(chǎng)邊坡預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

2 工程應(yīng)用

2.1 礦區(qū)工程地質(zhì)

霍林河二號(hào)采區(qū)位于霍林河煤田，地處大興安嶺南段脊部，屬山間盆地，盆地內(nèi)部地勢(shì)較平坦，海拔標(biāo)高一般為930～980 m，研究區(qū)域位于礦區(qū)東部，具體位置如圖4所示。

圖4 研究區(qū)域位置

通過劃分覆蓋層及基巖，再根據(jù)本次研究的巖土分類、巖土的力學(xué)強(qiáng)度、巖土的共性及巖層中含水量變化，結(jié)合前期在研究中所得到的成果，本次研究將地層劃分為5層，由上到下依次為排棄物料層、第四系細(xì)砂層、第三系黏土層、泥巖層及煤層，典型巖層剖面如圖5所示，南幫邊坡巖層傾角約為13°，巖層呈順傾結(jié)構(gòu)，弱層分布較多，在第四系底板、煤層頂?shù)装宕嬖谌鯇印?/p>

第二天，全城的媒體都在報(bào)道得這起觸目驚心的寄尸案，當(dāng)然是邊峰所在的《江城快報(bào)》報(bào)道得最為詳盡，他甚至詳細(xì)披露了死者腎臟丟失以及臟器中有“卍”型標(biāo)，甚至兇手可能把作案用車遺留火車站停車場(chǎng)等細(xì)節(jié)，這是其他媒體所不能比的，結(jié)果這一天的《江城快報(bào)》脫銷。

圖5 典型地質(zhì)剖面

首先無人機(jī)低空飛行得到的礦區(qū)臺(tái)階等高線及地質(zhì)剖面圖建立南幫三維地質(zhì)模型，然后將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)為數(shù)值模型，如圖6所示。

圖6 霍林河二號(hào)露天煤礦三維數(shù)值地質(zhì)模型

2.2 礦區(qū)預(yù)防技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 三維數(shù)值模擬分析

(1)巖土體力學(xué)指標(biāo)選取。巖體物理力學(xué)性質(zhì)是決定邊坡巖體穩(wěn)定性最本質(zhì)的控制因素，邊坡巖體力學(xué)參數(shù)選取的合理性直接影響到邊坡穩(wěn)定性分析研究的可靠性，同時(shí)巖土體力學(xué)參數(shù)是數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)，因此，本研究在邊坡巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合邊坡巖體的工程地質(zhì)特征，如結(jié)構(gòu)特征、發(fā)育程度及充填物等，綜合確定最終用于計(jì)算的力學(xué)參數(shù)，見表3。

表3 巖土力學(xué)指標(biāo)

(2)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析。三維數(shù)值模擬結(jié)果表面開挖區(qū)域受到了弱層的影響，疊加上部巖土體荷載影響，存在潛在的變形體，邊坡三維數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示，變形體最大位移1.25 m，表明采場(chǎng)邊坡變形明顯，穩(wěn)定程度很差，變形范圍需要重點(diǎn)關(guān)注并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖7 三維數(shù)值模擬確定的潛在變形體

2.2.2 三維數(shù)值模擬結(jié)果與邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)比分析

結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果，2021年9月7日在使用MSR邊坡雷達(dá)對(duì)該區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域位移進(jìn)一步增大，區(qū)域位移速度有進(jìn)一步增大趨勢(shì)，曲線位移累積量明顯增大，此時(shí)在雷達(dá)監(jiān)測(cè)圖中出現(xiàn)明顯紅色預(yù)警區(qū)域，如圖7所示。

MSR雷達(dá)成功預(yù)警蠕變曲線如圖8所示，邊坡變形初期平均速度為4.53 mm/h，切線角角度10°左右，達(dá)到黃色預(yù)警級(jí)別，黃色預(yù)警區(qū)域位移出現(xiàn)明顯加速度趨勢(shì)，預(yù)警區(qū)域位移平均速度達(dá)到8.68 mm/h，切線角角度45°左右，礦方立即組織相關(guān)人員撤離。邊坡變形速度進(jìn)一步加劇，該區(qū)域位移速度峰值達(dá)到17 mm/h，切線角角度75°達(dá)到紅色預(yù)警級(jí)別，9月9日10時(shí)該區(qū)域發(fā)生滑坡，40 min后該區(qū)域邊坡體破壞階段結(jié)束，位移速度降至3 mm/h，切線角角度在2° 左右，再經(jīng)過一段時(shí)間觀察后，滑體位移速度降至0.05 mm/h接近靜止?fàn)顟B(tài)，切線角角度近乎為0°，整個(gè)邊坡變形過程結(jié)束，并發(fā)布警報(bào)解除。

圖8 MSR雷達(dá)成功預(yù)警蠕變曲線

雷達(dá)顯示的邊坡滑坡區(qū)域與三維數(shù)值模擬得到的區(qū)域基本吻合，同時(shí)經(jīng)過滑坡后現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)邊坡變形沿煤底板剪出，通過三維數(shù)值模擬加雷達(dá)監(jiān)測(cè)的預(yù)警技術(shù)成功預(yù)警了邊坡變形的發(fā)生，該技術(shù)對(duì)露天礦山邊坡的災(zāi)害預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

(1)提出了一種三維數(shù)值模擬和改進(jìn)的邊坡雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測(cè)的露天煤礦區(qū)邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)防技術(shù)，通過三維精細(xì)化模擬獲得空間的潛在變形體，并利用邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)潛在變形體區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

(2)基于蠕變曲線切線角理論分析，分別計(jì)算確定了采場(chǎng)邊坡、排土場(chǎng)場(chǎng)邊坡雷達(dá)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)及時(shí)有效預(yù)報(bào)。

(2)結(jié)合邊坡雷達(dá)閾值閾值劃分標(biāo)準(zhǔn)及邊坡破壞機(jī)理等因素，創(chuàng)新提出了不同級(jí)別預(yù)警閾值級(jí)別下處置方式。

(4)將提出的露天煤礦區(qū)邊坡滑坡災(zāi)害預(yù)防技術(shù)應(yīng)用于霍林河二號(hào)礦南幫的滑坡預(yù)警中，三維數(shù)值模擬準(zhǔn)確得到空間的潛在滑移體，改進(jìn)的雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了對(duì)該潛在滑移體滑坡的預(yù)警，成功預(yù)警了邊坡滑坡。