0 引言

露天开采是中国矿业领域主要生产方式之一，寒区是中国矿产资源主要赋存地，冬季气候寒冷大气压较高，但冬季边坡仍有渗水现象（徐拴海， 2017；杨永健，2019；杨喜莲，2022；杨秀荣，2022），导致水对边坡岩体的作用由干湿循环作用变成冻融交替作用，边坡稳定受水及冻融影响作用显著。露天矿山边坡滑坡致灾能力相对较弱（折海成， 2011；Berisavljević，2019；Xu et al.，2019；折海成等， 2020；Hong et al.，2021），但由于滑坡区域分散、预兆性低等特点，并在水的长期作用下及开采作业扰动下，易导致边坡失稳、滑坡等问题，对安全生产管理造成较大影响。

水是影响露天矿边坡稳定性的重要危害因素，边坡岩体在浸水条件下发生膨胀、崩解、软化，极易发生边坡灾害事故（刘建等，2009；成升魁等，2020； Qu et al.，2020；Chen et al.，2021）。李长洪等（2019） 通过建立多相耦合模型获得了边坡岩体在冻融作用下动态链式灾害演化模式（李长洪等，2019）；折海成（2021）通过实验室增湿和冻融交替发现，含水率增加会劣化岩土体力学性质参数，加剧失稳速率；陈国庆等（2020）指出，冻融作用促进了岩石微裂隙的扩展和贯通；孟祥喜（2018）通过试验发现：岩体在赋水环境中裂隙会明显扩张和损伤，加速岩石失稳破坏；闫杰等（2022）通过研究表明，裂隙水会导致边坡岩体滑动力增加，降低岩体强度，使得抗滑力下降，是降低边坡稳定性的主要影响因素； 刘泉声等（2015）总结出水的迁移是冻胀的发展途径，岩体冻融损伤主要来自岩体内水的冻胀力。

综上所述，为降低渗水及冻融作用对露天边坡的损伤，提高边坡的稳定性，本文对内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂温克族自治旗某露天煤矿进行边坡雷达在线监测，通过监测数据结合矿山实际，研究冻融及渗流环境下边坡变形趋势，为类似矿山边坡变形研究提供一定参考。

1 矿区概况

兴安鄂温克族自治旗地处大岭山地向呼伦贝尔高平原过渡地段，矿区位于新华夏系第三沉降区之呼和湖凹陷的东北部，为一轴向北东的向斜盆地，盆地两侧为低山、丘陵，南高北低，南为台地且地势较高，中部地形较为平缓，海拔高程为644~781 m，相对高差137 m，盆地内有伊敏河自南而北流过，伊敏河两侧为伊敏河冲、洪积地形，呈南北向条带状分布，宽度为3~6 km，由于构造形态、地貌条件的影响，为地表水及地下水的汇集、赋存与排泄创造了有利条件。

区内属中温带大陆性季风气候，冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春秋两季气温变化急促，且春温高于秋温，秋雨多于春雨，无霜期短，冻冰期 9 月下旬到翌年 4 月下旬。现场调查，采场边坡稳定性分区（图1）情况如下，西北帮（图1中重点关注区域）主要工程地质问题是岩石风化、坡面渗水和断层影响，该区域曾经发生片帮和滑坡，需要加强关注。

2 采场西北帮边坡稳定性分析

2.1 西北帮边坡稳定性影响因素

（1）矿区地质条件

矿区地层倾角较大，并有一定起伏，局部形成褶曲，伴生有一定数量的断层，构造复杂程度属中等。盆地内构造形态以北东向断层为主，近东西向次之。断层全区发育，主要发育在中部，均为正断层。该矿边坡多为富水软岩边坡，软弱夹层颗粒胶结差，层理发育，吸水后体积膨胀，呈塑性状态。

（2）风化作用

该矿采场西北帮台阶（图2）岩层成岩时间短，抗风化能力弱，导致该区域风化较为严重，岩石强度低，风化范围较长约1 km，且含沙量高，土体状态为欠固结，胶结程度不良，极容易被冲刷而存在片帮的风险。

a—西端帮边坡现状；b—北端帮边坡现状

（3）水的影响

采场西北帮存在渗水区，肉眼可见排水管内水柱向外流出（图3），渗水量较大。另外，降雨降雪会增加地下水的补给量，且边坡下方断层较多，受地质构造影响大，地质活动也会对边坡稳定产生影响，不利于边坡稳定。

（4）人类工程活动

开采作业前边坡处于动态应力平衡状态，伴随工程开挖会产生新的临空面，使得岩体应力场重新分布，从而导致边坡产生变形和位移。当边坡可以承受这种应力重新分布时，边坡岩体不会发生破坏，处于稳定状态；但超过边坡岩体强度的承受范围时，边坡会发生失稳。

2.2 西北帮边坡破坏模式分析

通过边坡稳定性影响因素分析可知，西北帮整体处于稳定状态，但局部高陡边坡与风化泥岩层台阶位置为潜在危险源，在上覆岩土体重力作用及临空面约束消失的双重作用下，加速了该部位坡脚与高陡边坡的变形破坏，可能发生的破坏模式为圆弧滑动（图4）。

3 边坡雷达在线监测

3.1 监测目的

通过实时监测和有效预警，实时掌握边坡整体的安全状态及发展趋势，以避免安全生产事故的发生，保障矿区工作人员及设施的生命财产安全，提升露天矿山安全运行保障水平。并为隐患治理提供依据，同时也为矿山企业提供便捷、高效的项目安全管理手段。

3.2 边坡雷达监测优势

边坡雷达（图5）利用差分干涉技术实现高精度形变监测结果，是 In-SAR 技术在地基测量领域的技术转化。该项技术不受雨雾尘影响，可实现毫米级变形的测量，能够对露天矿山采场边坡、排土场边坡实施大范围连续实时监测，实现实时智能预警预报。

边坡雷达在线监测系统采用云端和本地双存储方式，为实现整个矿区全面、高效、实时的监测提供数据安全保障。不需要在监测边坡上安装任何传感器，属于面状无接触监测，在监测覆盖范围内任何位置发生位移均可被准确发现。

a—边坡雷达设备；b—边坡雷达视野

雷达监测可全天候获取高精度监测数据，可生成点、面位移数据时间序列图和点位、面径向位移成果，同时可以将边坡雷达监测数据变形云图位移成果（图6）与全景相机生成的图形进行对比，直观了解整个监测范围内边坡位移情况。并能够利用各类边坡稳定性参数监测数据，为矿山提供安全状态综合分析，并对隐患区域和风险程度及时预警，将系统的监测预警功能，与矿山生产计划安排等生产管理紧密结合，保障矿山生产安全。

3.3 监测预警及响应

汛期与非汛期设置的阈值应结合气象及地质情况确定预警阈值，当位移值超过设置的预警值时，系统可通过短信、邮件、电话及声光报警器等手段推送预警信息，提醒矿山安全负责人、安全员以及受威胁的矿山工作人员，及时响应并启动应急预案。以下预警值会根据开采年限、现场作业情况、季节及天气情况结合长期监测成果和年度边坡稳定性分析报告及时进行适时动态调整。当前具体预警阈值见表1。

3.4 监测数据分析

对 2023 年 7 月—2024 年 3 月监测数据进行分析，从西北帮边坡监测月累计变形量趋势来看（图7），边坡整体累计变形量相对较低，西北帮边坡处于相对稳定状态。

2023 年 9 月—10 月份进入冻冰期，天气寒冷，边坡表面土体冷冻膨胀，变形量增加。因内蒙古地区属于寒区，2023年11月—2024年2月边坡处于长期冰冻状态，偶有回暖，边坡累计变形量相较于9月和10月，增幅不大。2024年3月，天气逐渐回暖，解冻，变形量明显增大，边坡变形活跃。

从监测数据可以看出，2023年9月及10月边坡月累计变形量增加。由于进入冰冻期，加之渗流作用，低温导致边坡表面土壤中的水分结冰，进而产生体积膨胀，致使边坡表面土体出现冷冻膨胀现象，因此，边坡表面变形活跃，变形量增加。

在2023年11月—2024年2月期间，边坡处于长期冰冻状态。虽然期间偶有回暖，由于长时间的冰冻状态使得边坡内部应力分布逐渐趋于稳定，从而减缓了变形速度。因此，在此期间边坡月累计变形量相较于 9 月和 10 月，月累计变形量变化幅度较小。

随着天气逐渐回暖和解冻，2024 年 3 月边坡月累计变形量再次出现明显增大。在解冻过程中，土壤中的冰晶融化，导致土壤体积缩小，进而产生收缩变形。此外，解冻会引发边坡内部水分重新分布，边坡的内摩擦角和黏聚力逐渐降低，伴随长期承受渗水作用的影响，导致边坡的安全稳定系数下降，进一步加剧变形现象。

在冻融循环过程中水渗入边坡岩体裂缝中，随着温度降低，水冻结并体积膨胀，导致岩体裂隙及孔隙进一步扩展（尹宏磊等，2008；汪恩等，2018；宋彦琦等，2020；王永岩等，2020；肖永刚，2021；Yang et al.，2021）。长期作用下引起岩土体冻膨和崩解，加剧边坡软弱层的破坏，从而降低边坡的整体稳定性。同时，露天矿山在开采过程中，随着采坑的不断降深，边坡临空面增大，加之排土工作增加了边坡上部荷载，重型设备在坡体上的运动也对坡体稳定性产生扰动。使得边坡变形破坏风险增加，对边坡稳定性构成威胁。

综上所述，西北帮边坡在监测期间内整体虽处于稳定状态，但在冻冰期和解冻期会受到一定影响，变形量增加。为确保边坡长期稳定性，建议在冻冰期前加强边坡的排水和防护，同时在解冻期密切关注边坡的变形情况，及时采取应对措施。此外，通过加强监测和数据分析，可以进一步了解边坡变形规律，可为寒区露天矿山边坡安全设计提供一定理论支撑及参考依据。

4 结论

（1）冰冻期边坡表面土壤因低温结冰导致体积膨胀，变形量增加。为确保边坡安全，建议提前加强排水工作，定期检查预警系统，确保阈值设置合理，及时响应预警信息。

（2）解冻期边坡变形活跃，土壤体积缩小和内部水分重新分布导致变形量明显增大。应密切关注边坡变形情况，适时调整预警阈值，加大监测力度，一旦发现异常变形，立即启动应急预案，确保矿山安全。

（3）边坡雷达监测技术通过高精度测量边坡位移量，为矿山安全提供了有力保障。该技术能够实时获取边坡变形数据，结合预警系统实现快速响应。通过持续监测和数据分析，可掌握边坡变形规律，为边坡维护和设计提供科学依据，提升矿山整体安全水平。

参考文献