地质灾害链协同防治技术助力高海拔高寒露天矿开采

从蒙东草原到川西高原，从青海盐湖到藏北矿区，我国高海拔高寒区域集中了全国 70% 以上的露天矿山资源。这些区域气象恶劣、地质复杂、生态脆弱，加上露天矿边坡高度突破 200 米、边坡角陡于 42° 的矿山占比已达 92%，地质灾害防治正面临前所未有的挑战。煤炭科学技术研究院杜涵团队历经十余年攻关，构建了 "演化判识 - 多场监测 - 智能预警" 全链条技术体系，为极端环境下的矿山安全筑起了一道科技屏障。

高海拔高寒地区的露天矿开采，相当于在“世界屋脊”上进行精细外科手术。 青海、西藏、内蒙古高原等区域具有五大工程环境特征：显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的地质灾害、复杂的气候环境和敏感的生态环境。

更严峻的是，露天矿开采规模正持续扩大。数据显示，2007 年我国边坡高度 200 米以上的露天矿仅 26 座，到 2023 年已激增至 336 座。在追求产能提升的同时，边坡角也不断趋陡，92% 的矿山边坡角超过 42°。这些变化使得滑坡灾害从单一型向联动型演化，远程高位滑坡、锚固体失效滑坡等复杂灾害链频发，传统防治技术已难以应对。

传统监测仅依赖位移数据的局限性让团队意识到：必须破解 "地质勘探不明、破坏机理不清、监测预警不准、平台调控不精" 四大技术瓶颈，才能实现真正的精准防治。

面对极端环境下的滑坡难题，杜涵团队另辟蹊径，从滑坡演化机理入手，构建了一套科学完整的判识体系。他们基于露天煤矿边坡滑坡全过程动力演变规律，创新性地提出了采矿工程准则、多场监测准则、数值模拟准则三大判识标准，实现了滑坡从稳定到临滑的全阶段精准识别。

在大量案例研究基础上，团队将滑坡演化划分为四个关键阶段：稳定状态（变形速度为零，稳定系数 > 1.1）、弱 / 较强变形状态（等速变形，稳定系数 1.1-1.04）、强变形状态（加速变形，稳定系数 1.04-1.01）和临滑状态（急剧变形，稳定系数 1.01-1.0）。每个阶段都对应着明确的现场观测指标，如强变形状态时会出现主滑段和牵引滑面形成、后缘主缝贯通等特征，为现场防治提供了清晰的判断依据。

"我们调研了 200 个典型案例，其中 100 个发生大变形破坏，100 个触发预警但未失稳，通过数据复现和提取，总结出 12 种滑坡形变模式。" 杜涵介绍道。这些模式包括长期蠕变型、震荡型、指数型、阶梯型等，涵盖了不同地质条件和气候环境下的滑坡特征。团队将这些模式植入自主研发的存储介质，结合 Gamma 分布、Lognormal 分布等六种数学模型，建立了量化识别和检验框架，为滑坡预测提供了坚实的理论支撑。

针对高海拔高寒地区特殊的滑坡机理，团队还提出了 "锁固 - 解锁"、静态液化、动水驱动三种核心模式，并构建了四阶段力学演化模型：卸载开裂阶段、滑动锁固解锁脱离阶段、剪切破坏阶段和刮铲集聚破坏阶段。这一发现揭示了极端环境下滑坡从孕育到发生的内在规律，为针对性防治提供了科学依据。

"传统监测系统就像 ' 单兵作战 '，卫星、雷达、传感器各自为战，数据无法互通，预警准确率大打折扣。" 杜涵指出了行业痛点。为解决这一问题，团队构建了覆盖 "空天地井" 的四维感知网络，实现了多源数据的深度融合与智能分析。

这套感知网络集成了雷达卫星、无人机、全球卫星导航系统、力学传感器、微震监测仪、地基雷达等多种设备，形成了从地表到深部、从局部到全域的全方位监测体系。通过 LoRa/NB-IoT 等数据传输技术，将气象水文、深部位移、地表特征、图像变化等多维度数据实时汇聚到 "山石" 预警平台，彻底打破了数据孤岛。

"我们的系统能兼容市面上几乎所有监测设备的异构数据，实现集约化和高效化管理。" 杜涵自豪地说。平台以 "数据驱动" 为核心，通过大数据智能算法和机器学习，优化判别机制，串联中长期和短期临滑预警分析。其独创的多参数分级预警模型，改变了传统以位移为主要指标的预警方式，充分考虑不同安全失稳阶段的敏感性和差异性。

在数据处理方面，团队创新性地采用无量纲综合形变指数，解决了不同监测设备单位量级不一致的问题，实现了速度、位移、加速度的多元同步分析。平台支持小时、天、周、月等多尺度数据查询与下载，覆盖 GNSS、深部位移、爆破振动、裂缝计、降雨量、地下水等各类监测数据，为用户提供全面的数据分析服务。

"山石" 边坡预警平台 2.0 版本的推出，标志着我国高海拔高寒露天矿灾害防治进入智能化时代。这款自主研发的平台突破了边坡监测装备 "卡脖子" 问题，打破了国际垄断，填补了国内空白，具备全景可视化监测、智能风险预警、灾害智能识别、矿坑安全分区四大核心功能。

在某露天煤矿的应用现场，平台的三维动态建模功能令人印象深刻。通过无人机周期采集地表地形数据，运用空间分析技术，能够清晰展示全区域地形形变特征，明确地表沉降、隆起变形区域，并根据变形类型和变形量进行超限预警。

系统根据区域监测数据，从稳定性系数、位移预警、滑动风险、关注等级等方面进行综合判断，将矿区划分为不同安全等级区域，为生产布局和防灾减灾提供科学依据。其边坡基础监测功能还能自动识别台阶高度超高、平盘宽度不足等安全隐患，计算边帮角并与设计最大值比对，发现异常立即预警。

平台的可视化界面直观易懂，包含预警信息、设备在线率、数据雷达图、实时数据滚动播放、安全管理闭环统计等内容。用户可通过网页、手机、短信等多种方式接收预警信息，实现随时随地掌握矿区安全状态。

高海拔高寒地区生态环境敏感脆弱，矿山开采与生态保护的矛盾尤为突出。杜涵团队始终坚持 "防治灾害与保护生态并重" 的理念，将生态保护融入技术研发全过程。

通过精准监测和预警，能够提前规避高风险区域，减少大规模工程治理带来的生态扰动。平台的三维实景扫描和虚拟仿真功能，可模拟不同防治方案对生态环境的影响，为选择最环保的防治措施提供支持。

在工程实施方面，团队推广 "削帮压脚" 等绿色防治技术，结合原位试验优化施工方案，减少植被破坏和水土流失。同时，通过精准预警缩短停产时间，提高开采效率，实现了安全、环保与效益的统一。