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        內蒙古阿拉善左旗新井煤礦滑坡事故分析以及一位巖土工程師的思考
        2023-04-30

        一、內蒙古阿拉善左旗新井煤礦重大滑坡事故概況

        內蒙古阿拉善左旗新井煤礦于2月22日發生大面積滑坡(圖1-圖2)?;麦w有80m高,相當于20多層樓的高度;塌方量巨大,測算接近500萬土方量。第一次滑坡發生在22日13時12分,持續時間30~40s;第二次滑坡發生在18時44分,說明該山體還處于不穩定狀態中,發生多次滑塌的可能性還存在,尤其在救援過程中可能發生再次塌方。發生坍塌的露天煤礦作業面北側山坡,現場形成了南北約200m,東西長500m,凈高約80m的坍塌體(圖3)。從衛星圖上可以看出,滑坡范圍為新井煤礦西采區(圖4-圖5)。

        圖1 滑坡發生前,50余輛作業車輛正在坑底工作(2月22日,13點12分)

        圖2 滑坡發生中,瞬間掩埋坑底工作人員和車輛

        圖3 事故發生后,滑塌體分布,土石方達500萬立方

        圖4 事故發生前的衛星圖

        圖5 事故發生后的衛星圖

        二、常見滑坡事故原因

        常規的滑坡誘因,主要有以下幾種原因。

        降雨。大雨、暴雨和長時間的連續降雨,使地表水體深入坡體,軟化巖土及其中的軟弱面,極易誘發滑坡。

        地震。強外力作用引起坡體晃動,破壞坡體受力平衡,易誘發滑坡。

        地下水的浸泡。河流等地表水不斷地沖刷坡腳或浸泡坡腳,削弱坡體支撐或軟化巖土強度,也可能誘發滑坡。

        不合理的人類活動。如開挖坡腳、地下采空、水庫蓄水、泄水等改變坡體原始平衡的人類活動,都可以誘發滑坡,常見的可能誘發滑坡的人類活動有采礦、切坡建房、道路工程、水庫蓄水放水與渠道滲漏、堆(棄)渣填土、強烈的機械震動等。

        三、地下開采轉露天開采

        據報道,新井煤礦最早是地下開采煤礦,2012年改造成為露天煤礦,2017年6月至2020年11月底期間停工,2021年4月恢復生產建設?!奥短燹D地下開采”是一種較為普遍的開采方式,為了獲取深部地下資源,需要往更深處開挖。

        那么地下轉露天礦山,是不是這次露天坑滑坡的重要原因呢?

        對于地下轉露天礦,特別需要注意露天頂柱的設計,如果設計的厚度不足,強度不夠,那么由于重力作用很容易引起頂部如此巨大的山體塌陷。該礦為煤礦,是由長期沉積而成,其強度遠遠低于硬巖金屬礦開采的巖石強度,那么有理由懷疑這強度不足,厚度不夠的煤層頂柱,是一個潛在的事故誘發因素,如圖6。

        圖6 地下轉露天開采后,頂柱承載山體重力

        從發出的視頻來看,巖土邊坡是顯而易見的松散土質和軟弱砂石土層,以及內含不可見的斷層和節理裂隙及不整合層面。這種巖土體條件極易受到人工擾動而產生滑坡,滑坡后的效果譬如“雪崩”。大家想一想,雪的松散程度以及雪崩之后的后果,那速度之迅猛,讓人幾乎沒有生還機會。

        該礦位于內蒙古,2月溫度分布如圖7,溫差在10度左右。高寒和高熱高溫差地域的邊坡由于凍脹熱融(濕體)或冷縮熱脹(干體)。高邊坡,尤其是接近穩定臨界狀態僅僅需要一點點外界變化就會滑塌。具體此次事故是否跟溫度和凍融有關,還需要后續事故調查中專業人士給出解答,事故原因簡易分析見圖8。關于滑塌區域和總量-盡管對于事故后果不是很關鍵的,但是從視頻和照片及衛星圖視看:1)典型的circular failure,“半橢球體”滑坡;總滑坡體似乎從上部的平臺一直到坑底(明顯底部的大裂縫)。按此估計應在300-400萬立方米;2)如果按照目前網上用的塌落堆的幾何尺寸和形狀,加上原坑底的地形,同時也要考慮松散系數,1.2-1.3之間,總滑落體不會超過500萬立方。

        圖7 內蒙古阿拉善左旗滑坡前后溫度

        圖8 事故原因分析簡易圖

        邊坡角和臺階寬度也可能是導致滑坡的直接原因。據報道,采礦邊坡為180m,基本測算可知,邊坡角增高1°,采用下圖的假設可以減少幾十萬立方米的土石剝離(如圖9)。在作為巖土工程師期間,參與的邊坡項目臺階邊坡角度是70°,整體邊坡角為55°-60°,由于是硬質巖石邊坡,對于采礦安全沒有影響。

        圖9 邊坡角度越陡,可減少土石方剝離

        其他更多不易觀察到的原因,比如大斷層的影響,軟弱結構面的滑移,底部煤層的傾向和傾角等等。這都需要專業人來現場勘察后,才能進一步給出答案。從滑坡后巖土體拋射的速度和角度來看,更像是有一種巨大的“推力”在推著巨量巖土體向外拋射。原因之一,可能是因為巖土體內部溫度突增而變的松散后,巖體的內聚力損失,從而造成邊坡失穩破壞;也有可能是滑坡的位置和方向剛好有一個順斷層或沿著煤層方向的滑移,才會有視覺上這么大的推力。

        四、新井煤礦歷史事故記錄

        阿拉善盟政府官方網站顯示,2015年7月16日,騰格里經濟技術開發區組織開發區國土、安監等部門,開展地質環境治理檢查,發現新井煤礦存在包括山體裂縫、易發山體坍塌以及落石、泥石流等多項安全隱患問題。

        此次檢查后,當地政府要求新井煤礦針對隱患區域編制《地質環境治理施工方案》,于7月20日前上報國土資源、安監局,礦區存在的地質災害安全隱患,并責令必須在9月30日前進行整改。

        4個月后,2015年11月12日,新井煤礦發生生產安全事故。一年后,2016年9月18日,該煤礦再次發生生產安全事故。

        裁判文書網2018年6月14日發布的《內蒙古自治區阿拉善左旗人民法院行政裁定書》顯示,“2015年11月12日和2016年9月18日兩起生產安全事故中,被執行人內蒙古新井煤業有限公司未嚴格落實安全生產主體責任,安全管理制度不健全,施工現場缺乏有效管理,導致‘11.12’和‘9.18’兩起生產安全事故,共造成二人死亡?!?/p>

        值得令人深思的是,已經有“兩人死亡”的前車之鑒,礦山管理者其間“做了哪些技術和管理的評估和改善措施?”。那么2月22日發生的露天礦邊坡滑坡,到底是天災還是人禍呢?

        五、哪些手段能“預測預警”滑坡移動呢?

        答案是,一定可以,100%可以。史上最大規?;?,Manefay Landslide由于提前預警,無一人遇難。那么常見的預警手段,有如下幾種:

        第一:邊坡雷達。邊坡雷達可謂是所有露天礦山開采必備設施(圖10),主要通過測量邊坡表面與雷達之間的反射波來監測邊坡的變形和位移,能提前預測預警邊坡失穩,從而為礦工撤離危險區域提供足夠時間。

        圖10 應急救援邊坡雷達(事故后,現場使用的)

        第二,現場勘察。具有實踐經驗的巖土工程師,能判斷滑坡前兆。通過使用傳統的距離測量儀器,比如自動掃描的測距儀(automated Theodolite)可以分析邊坡穩定趨勢,計算出大致的失穩滑坡時間段,發布必要的撤離警報。比如地表有無裂紋,邊坡有無落石,巖土體位移狀況。正規的礦山,都應該有一位巖土工程師保駕護航,確保礦業從業者的生命安全。

        第三,數值模擬。我作為一個“下得礦井,上得講堂”的巖土工程師,也可以用一些計算力學的方法來預測邊坡失穩滑移的可能性。比如我們巖土工程常用的“數值模擬方法”,從事了十多年的巖土工程工作,我們都具備將現場混亂的巖土體轉化為數字化模型,輸入各種巖土體參數來預測邊坡的穩定性。如圖11~13,考慮了何種巖土體,大斷層和小結構面,地下水影響的數值模型,圖形其他礦山模型及結果,這里僅作為示意圖參考。

        圖11 數值模型,考慮了不同巖土體和結構面 (示意圖)

        圖12 數值模擬結果,紅色區域為不穩定區域(示意圖

        圖13 數值模擬結果剖面圖,進一步觀察失穩區域(示意圖)

        六、6天后的救援現狀?

        目前,國家安全生產應急救援勘測隊在整個核心區域周圍,架設了多臺設備進行實時監測,可以高精度監測邊坡是否變形。綠色區域為監測區,目前邊坡還存在蠕變。由于塌方量巨大,救援難度非常大?,F場搜救人員,也要隨時警惕小滑坡再次出現。

        諸多的救援車輛和設備,已經到達現場。同時也利用生命探測儀、搜救犬等多種方式搜救,偵察,確定被困人員具體位置。然而,距離滑坡發生,已經過去了6天,進展依然很少。想象一下,如果人員被掩埋在了20層樓高80米的廢墟下面,我們如何快速解救被困人員。很可惜,生命探測儀,最高只能探測50米的高度,被埋人員的位置,遠遠超過了探測深度。做為一個在遠方圍觀的人,只能為47個失聯人員祈福,哪怕有半丁點的希望,都要竭盡全力。

        圖14 中國安科滑坡預警云平臺

        七、這次事故,我們應該反思些什么?

        愿傷者康復,死者安息。我們應深刻反思,需要切實有效的措施預防和控制礦災,尤其是礦巖引發的邊坡滑落塌方,地下冒頂偏幫等。國內礦山公司和設計研究院,以及監管機構都沒有專職的礦山巖土工程師,應該是一個很重要的原因。

        可能監管和礦業管理層都不大了解礦山巖土工程和巖土工程師的作用,很難說服。另一個關鍵問題是“嚴管,嚴懲,嚴罰”的做法盡管值得稱道,但是,由于種種因由,少數礦主們或者礦長們總是無視規則無視自然規律,工程常識。時常僥幸,也不時的引發礦難。

        礦業大國,澳大利亞在20世紀90年代,也曾因為礦業安全事故而倍受苦惱。一位前輩說,他在1997年加入WMC的St Ives Gold 時,那里已經有兩個“巖土工程師”和一個見習工程師。當時他們并沒有多少基礎和實踐,但是隨后三四年間,ST Ives 擴大到8人,包括1個水文地質師。到他五年后離開時西澳大約有近50多個現場的巖土工程師,加上大約同樣數量的咨詢公司的。安全狀況大大好轉。同時設計和營運效果也明顯好轉。礦山積極主動高薪聘請巖土工程師。

        澳洲礦業界過去三十年經驗教訓明示了這個認知。從設計邊坡穩定性系數或者叫安全系數,到安全平臺和清掃平臺的設置,再到營運中的邊坡檢測系統的應用和巖土工程師或者技術員的每天的巡視,都會大大減少人身設備事故,提高礦山效益。懲戒礦主礦長和安全員等并不見得會防止類似災難反復出現,根本上是需要了解我們開采的礦巖水土的特性和隨著開采的不斷加深加大,季節等引起的不斷變化,以便制定相應的設計更改,檢測和撤離機制。一兩個住礦巖土工程師加上幾種常規監控預警設備的安裝維護和每天的數據分析不需要多少資金投入,他們帶來的安全高效,以及礦工們礦主們和采礦經營人員的信心靜心,會有幾倍幾十倍的回報。

        但愿決策人們會考慮并設立礦山巖土工程師這個關鍵職位,院校能夠聯合工礦企業盡快培訓一批立足于礦山,有實權實責的巖土工程師,從根本上改變低效不安全的礦山設計營運狀態。

        特別感謝李濤博士,澳新礦冶學會資深會員(Fellow, AusIMM), 采礦巖土工程顧問,做為本文的審稿人,并且提供部分資料,尤其在最后一部分的事故反思中提出了“設立礦山巖土工程師”這個關鍵職位的想法。

        (轉載于金屬礦山公眾號,作者:李莉 大連理工大學)


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