科普文章：內(nèi)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

一、內(nèi)蒙古阿拉善左旗新井煤礦重大滑坡事故概況

內(nèi)蒙古阿拉善左旗新井煤礦于2月22日發(fā)生大面積滑坡（圖1-圖2）。滑坡體有80m高，相當(dāng)于20多層樓的高度；塌方量巨大，測(cè)算接近500萬(wàn)土方量。第一次滑坡發(fā)生在22日13時(shí)12分，持續(xù)時(shí)間30~40s；第二次滑坡發(fā)生在18時(shí)44分，說(shuō)明該山體還處于不穩(wěn)定狀態(tài)中，發(fā)生多次滑塌的可能性還存在，尤其在救援過(guò)程中可能發(fā)生再次塌方。發(fā)生坍塌的露天煤礦作業(yè)面北側(cè)山坡，現(xiàn)場(chǎng)形成了南北約200m，東西長(zhǎng)500m，凈高約80m的坍塌體（圖3）。從衛(wèi)星圖上可以看出，滑坡范圍為新井煤礦西采區(qū)。

二、常見(jiàn)滑坡事故原因

常規(guī)的滑坡誘因，主要有以下幾種原因。

降雨。大雨、暴雨和長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)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(fā)滑坡。

地震。強(qiáng)外力作用引起坡體晃動(dòng)，破壞坡體受力平衡，易誘發(fā)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(qiáng)度，也可能誘發(fā)滑坡。

不合理的人類(lèi)活動(dòng)。如開(kāi)挖坡腳、地下采空、水庫(kù)蓄水、泄水等改變坡體原始平衡的人類(lèi)活動(dòng)，都可以誘發(fā)滑坡，常見(jiàn)的可能誘發(fā)滑坡的人類(lèi)活動(dòng)有采礦、切坡建房、道路工程、水庫(kù)蓄水放水與渠道滲漏、堆（棄）渣填土、強(qiáng)烈的機(jī)械震動(dòng)等。

三、地下開(kāi)采轉(zhuǎn)露天開(kāi)采

據(jù)報(bào)道，新井煤礦最早是地下開(kāi)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(fù)生產(chǎn)建設(shè)?！奥短燹D(zhuǎn)地下開(kāi)采”是一種較為普遍的開(kāi)采方式，為了獲取深部地下資源，需要往更深處開(kāi)挖。

那么地下轉(zhuǎn)露天礦山，是不是這次露天坑滑坡的重要原因呢？

對(duì)于地下轉(zhuǎn)露天礦，特別需要注意露天頂柱的設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)的厚度不足，強(qiáng)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(zhǎng)期沉積而成，其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬巖金屬礦開(kāi)采的巖石強(qiáng)度，那么有理由懷疑這強(qiáng)度不足，厚度不夠的煤層頂柱，是一個(gè)潛在的事故誘發(fā)因素，如圖6。

圖6 地下轉(zhuǎn)露天開(kāi)采后，頂柱承載山體重力從發(fā)出的視頻來(lái)看，巖土邊坡是顯而易見(jiàn)的松散土質(zhì)和軟弱砂石土層，以及內(nèi)含不可見(jiàn)的斷層和節(jié)理裂隙及不整合層面。這種巖土體條件極易受到人工擾動(dòng)而產(chǎn)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(méi)有生還機(jī)會(huì)。

該礦位于內(nèi)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(wěn)定臨界狀態(tài)僅僅需要一點(diǎn)點(diǎn)外界變化就會(huì)滑塌。具體此次事故是否跟溫度和凍融有關(guān)，還需要后續(xù)事故調(diào)查中專(zhuān)業(yè)人士給出解答，事故原因簡(jiǎn)易分析見(jiàn)圖8。關(guān)于滑塌區(qū)域和總量-盡管對(duì)于事故后果不是很關(guān)鍵的，但是從視頻和照片及衛(wèi)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(tái)一直到坑底（明顯底部的大裂縫）。按此估計(jì)應(yīng)在300-400萬(wàn)立方米；2）如果按照目前網(wǎng)上用的塌落堆的幾何尺寸和形狀，加上原坑底的地形，同時(shí)也要考慮松散系數(shù)，1.2-1.3之間，總滑落體不會(huì)超過(guò)500萬(wàn)立方。

邊坡角和臺(tái)階寬度也可能是導(dǎo)致滑坡的直接原因。據(jù)報(bào)道，采礦邊坡為180m，基本測(cè)算可知，邊坡角增高1°，采用下圖的假設(shè)可以減少幾十萬(wàn)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(xiàng)目臺(tái)階邊坡角度是70°，整體邊坡角為55°-60°，由于是硬質(zhì)巖石邊坡，對(duì)于采礦安全沒(méi)有影響。

其他更多不易觀察到的原因，比如大斷層的影響，軟弱結(jié)構(gòu)面的滑移，底部煤層的傾向和傾角等等。這都需要專(zhuān)業(yè)人來(lái)現(xiàn)場(chǎng)勘察后，才能進(jìn)一步給出答案。從滑坡后巖土體拋射的速度和角度來(lái)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?yàn)閹r土體內(nèi)部溫度突增而變的松散后，巖體的內(nèi)聚力損失，從而造成邊坡失穩(wěn)破壞；也有可能是滑坡的位置和方向剛好有一個(gè)順斷層或沿著煤層方向的滑移，才會(huì)有視覺(jué)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(wǎng)站顯示，2015年7月16日，騰格里經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)組織開(kāi)發(fā)區(qū)國(guó)土、安監(jiān)等部門(mén)，開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境治理檢查，發(fā)現(xiàn)新井煤礦存在包括山體裂縫、易發(fā)山體坍塌以及落石、泥石流等多項(xiàng)安全隱患問(wèn)題。

此次檢查后，當(dāng)?shù)卣笮戮旱V針對(duì)隱患區(qū)域編制《地質(zhì)環(huán)境治理施工方案》，于7月20日前上報(bào)國(guó)土資源、安監(jiān)局，礦區(qū)存在的地質(zhì)災(zāi)害安全隱患，并責(zé)令必須在9月30日前進(jìn)行整改。

4個(gè)月后，2015年11月12日，新井煤礦發(fā)生生產(chǎn)安全事故。一年后，2016年9月18日，該煤礦再次發(fā)生生產(chǎn)安全事故。

裁判文書(shū)網(wǎng)2018年6月14日發(fā)布的《內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗人民法院行政裁定書(shū)》顯示，“2015年11月12日和2016年9月18日兩起生產(chǎn)安全事故中，被執(zhí)行人內(nèi)蒙古新井煤業(yè)有限公司未嚴(yán)格落實(shí)安全生產(chǎn)主體責(zé)任，安全管理制度不健全，施工現(xiàn)場(chǎng)缺乏有效管理，導(dǎo)致‘11.12’和‘9.18’兩起生產(chǎn)安全事故，共造成二人死亡?！?/p>

值得令人深思的是，已經(jīng)有“兩人死亡”的前車(chē)之鑒，礦山管理者其間“做了哪些技術(shù)和管理的評(píng)估和改善措施？”。那么2月22日發(fā)生的露天礦邊坡滑坡，到底是天災(zāi)還是人禍呢？

五、哪些手段能“預(yù)測(cè)預(yù)警”滑坡移動(dòng)呢？

**答案是，一定可以，100%可以。**史上最大規(guī)?；?，Manefay Landslide由于提前預(yù)警，無(wú)一人遇難。那么常見(jiàn)的預(yù)警手段，有如下幾種：

第一，邊坡雷達(dá)。邊坡雷達(dá)可謂是所有露天礦山開(kāi)采必備設(shè)施（圖10），主要通過(guò)測(cè)量邊坡表面與雷達(dá)之間的反射波來(lái)監(jiān)測(cè)邊坡的變形和位移，能提前預(yù)測(cè)預(yù)警邊坡失穩(wěn)，從而為礦工撤離危險(xiǎn)區(qū)域提供足夠時(shí)間。

第二，現(xiàn)場(chǎng)勘察。具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的巖土工程師，能判斷滑坡前兆。通過(guò)使用傳統(tǒng)的距離測(cè)量?jī)x器，比如自動(dòng)掃描的測(cè)距儀（automated Theodolite)可以分析邊坡穩(wěn)定趨勢(shì)，計(jì)算出大致的失穩(wěn)滑坡時(shí)間段，發(fā)布必要的撤離警報(bào)。比如地表有無(wú)裂紋，邊坡有無(wú)落石，巖土體位移狀況。正規(guī)的礦山，都應(yīng)該有一位巖土工程師保駕護(hù)航，確保礦業(yè)從業(yè)者的生命安全。

第三，數(shù)值模擬。我作為一個(gè)“下得礦井，上得講堂”的巖土工程師，也可以用一些計(jì)算力學(xué)的方法來(lái)預(yù)測(cè)邊坡失穩(wěn)滑移的可能性。比如我們巖土工程常用的“數(shù)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(xiàn)場(chǎng)混亂的巖土體轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型，輸入各種巖土體參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性。如圖11~13，考慮了何種巖土體，大斷層和小結(jié)構(gòu)面，地下水影響的數(shù)值模型，圖形其他礦山模型及結(jié)果，這里僅作為示意圖參考。

六、6天后的救援現(xiàn)狀？

目前，國(guó)家安全生產(chǎn)應(yīng)急救援勘測(cè)隊(duì)在整個(gè)核心區(qū)域周?chē)?，架設(shè)了多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以高精度監(jiān)測(cè)邊坡是否變形。綠色區(qū)域?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)，目前邊坡還存在蠕變。由于塌方量巨大，救援難度非常大?，F(xiàn)場(chǎng)搜救人員，也要隨時(shí)警惕小滑坡再次出現(xiàn)。

諸多的救援車(chē)輛和設(shè)備，已經(jīng)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)也利用生命探測(cè)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(fā)生，已經(jīng)過(guò)去了6天，進(jìn)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?nèi)绾慰焖俳饩缺焕藛T。很可惜，生命探測(cè)儀，最高只能探測(cè)50米的高度，被埋人員的位置，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了探測(cè)深度。做為一個(gè)在遠(yuǎn)方圍觀的人，只能為47個(gè)失聯(lián)人員祈福，哪怕有半丁點(diǎn)的希望，都要竭盡全力。

七、這次事故，我們應(yīng)該反思些什么？

愿?jìng)呖祻?fù)，死者安息。我們應(yīng)深刻反思，需要切實(shí)有效的措施預(yù)防和控制礦災(zāi)，尤其是礦巖引發(fā)的邊坡滑落塌方，地下冒頂偏幫等。國(guó)內(nèi)礦山公司和設(shè)計(jì)研究院，以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)都沒(méi)有專(zhuān)職的礦山巖土工程師，應(yīng)該是一個(gè)很重要的原因。

可能監(jiān)管和礦業(yè)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(shuō)服。另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是“嚴(yán)管，嚴(yán)懲，嚴(yán)罰”的做法盡管值得稱(chēng)道，但是，由于種種因由，少數(shù)礦主們或者礦長(zhǎng)們總是無(wú)視規(guī)則無(wú)視自然規(guī)律，工程常識(shí)。時(shí)常僥幸，也不時(shí)的引發(fā)礦難。

礦業(yè)大國(guó)，澳大利亞在20世紀(jì)90年代，也曾因?yàn)榈V業(yè)安全事故而倍受苦惱。一位前輩說(shuō)，他在1997年加入WMC的St Ives Gold 時(shí)，那里已經(jīng)有兩個(gè)“巖土工程師”和一個(gè)見(jiàn)習(xí)工程師。當(dāng)時(shí)他們并沒(méi)有多少基礎(chǔ)和實(shí)踐，但是隨后三四年間，ST Ives 擴(kuò)大到8人，包括1個(gè)水文地質(zhì)師。到他五年后離開(kāi)時(shí)西澳大約有近50多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的巖土工程師，加上大約同樣數(shù)量的咨詢(xún)公司的。安全狀況大大好轉(zhuǎn)。同時(shí)設(shè)計(jì)和營(yíng)運(yùn)效果也明顯好轉(zhuǎn)。礦山積極主動(dòng)高薪聘請(qǐng)巖土工程師。

澳洲礦業(yè)界過(guò)去三十年經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)明示了這個(gè)認(rèn)知。從設(shè)計(jì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)或者叫安全系數(shù)，到安全平臺(tái)和清掃平臺(tái)的設(shè)置，再到營(yíng)運(yùn)中的邊坡檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用和巖土工程師或者技術(shù)員的每天的巡視，都會(huì)大大減少人身設(shè)備事故，提高礦山效益。懲戒礦主礦長(zhǎng)和安全員等并不見(jiàn)得會(huì)防止類(lèi)似災(zāi)難反復(fù)出現(xiàn)，根本上是需要了解我們開(kāi)采的礦巖水土的特性和隨著開(kāi)采的不斷加深加大，季節(jié)等引起的不斷變化，以便制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)更改，檢測(cè)和撤離機(jī)制。一兩個(gè)住礦巖土工程師加上幾種常規(guī)監(jiān)控預(yù)警設(shè)備的安裝維護(hù)和每天的數(shù)據(jù)分析不需要多少資金投入，他們帶來(lái)的安全高效，以及礦工們礦主們和采礦經(jīng)營(yíng)人員的信心靜心，會(huì)有幾倍幾十倍的回報(bào)。

但愿決策人們會(huì)考慮并設(shè)立礦山巖土工程師這個(gè)關(guān)鍵職位，院校能夠聯(lián)合工礦企業(yè)盡快培訓(xùn)一批立足于礦山，有實(shí)權(quán)實(shí)責(zé)的巖土工程師，從根本上改變低效不安全的礦山設(shè)計(jì)營(yíng)運(yùn)狀態(tài)。

特別感謝李濤博士，澳新礦冶學(xué)會(huì)資深會(huì)員（Fellow, AusIMM), 采礦巖土工程顧問(wèn)，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(shè)立礦山巖土工程師”這個(gè)關(guān)鍵職位的想法。

（轉(zhuǎn)載金屬礦山公眾號(hào)，大連理工大學(xué)李莉供稿）