鉆孔測(cè)斜儀在某露天礦深層巖移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王翠珀 李繼濤

1 概述

撫順西露天煤礦采礦坑坐落于撫順市區(qū)東南部,開采于1914年,有近百年的開采歷史?，F(xiàn)已形成東西長(zhǎng)6.6 km,南北寬2.2 km,平均深度約405 m,面積約10.87 km2的露天采坑。該煤礦采坑北幫緊鄰撫順市區(qū),并有中直企業(yè)撫順石油一廠、遼寧省直企業(yè)撫順發(fā)電廠等企業(yè)單位。長(zhǎng)期高強(qiáng)度的礦山開采誘發(fā)了一系列滑坡地質(zhì)災(zāi)害。為了防止和減輕撫順西露天礦坑北幫邊坡滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生給周邊企業(yè)、采煤安全和居民造成生命財(cái)產(chǎn)的損失,于2006年6月10日正式啟動(dòng)撫順西露天礦北幫滑坡變形監(jiān)測(cè)、預(yù)警工作。

對(duì)于滑坡變形地質(zhì)體來講,不僅要監(jiān)測(cè)其地表位移,也要監(jiān)測(cè)其深部巖體位移情況,這樣才能對(duì)整體的位移進(jìn)行判斷。通過監(jiān)測(cè)了解深部巖體位移情況,特別是滑動(dòng)面處的滑移變形和滑動(dòng)方向。鉆孔測(cè)斜儀的出現(xiàn)較為圓滿地解決了該問題,現(xiàn)已成為觀測(cè)深部橫向(或水平)位移的標(biāo)準(zhǔn)手段。鉆孔測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔水平位移的原位監(jiān)測(cè)儀器。通過對(duì)鉆孔的逐段測(cè)量可以獲得鉆孔在整個(gè)深度范圍內(nèi)水平方向的位移,從而可以比較準(zhǔn)確地確定其變形的大小、方向和深度。西方國(guó)家自20世紀(jì)60年代就開始大量應(yīng)用鉆孔測(cè)斜儀,國(guó)內(nèi)也應(yīng)用了近20年。鉆孔測(cè)斜儀對(duì)邊坡、地基、地下洞室等巖土工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè),效果很好。由于其適應(yīng)于各種類型的斜坡且穩(wěn)定可靠,被廣泛應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)當(dāng)中。本文探討了利用鉆孔測(cè)斜儀對(duì)撫順西露天礦北幫深層巖移監(jiān)測(cè)的有關(guān)問題,結(jié)合長(zhǎng)期應(yīng)用CX-3C系列測(cè)斜儀對(duì)撫順西露天礦北幫深層巖移監(jiān)測(cè)分析,測(cè)斜成果證明鉆孔測(cè)斜儀對(duì)深層巖移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的可行性。

2 鉆孔測(cè)斜儀的組成及原理

鉆孔測(cè)斜儀是一種測(cè)定鉆孔橫向位移的原位監(jiān)測(cè)儀器,在邊坡工程原位監(jiān)測(cè)中應(yīng)用最為廣泛。通過監(jiān)測(cè)可以確定巖(土)體內(nèi)滑裂面的位置、大小和滑動(dòng)方向,對(duì)分析邊坡穩(wěn)定性、確定滑坡動(dòng)態(tài)起著重要的作用。按使用方式的不同,測(cè)斜儀可分為滑動(dòng)式測(cè)斜儀和固定式測(cè)斜儀,撫順西露天礦北幫邊坡監(jiān)測(cè)工程采用的是CX-3C滑動(dòng)式測(cè)斜儀。它主要由測(cè)頭、測(cè)讀儀、電纜和測(cè)斜槽4部分組成。該儀器采用最新進(jìn)口傾角傳感器作為敏感元件,它是一個(gè)力平衡式的伺服系統(tǒng),當(dāng)傳感器探頭相對(duì)于地球重心方向產(chǎn)生傾角θ時(shí),由于重力作用,傳感器中敏感元件相對(duì)于鉛錘方向擺動(dòng)一個(gè)角度,通過高靈敏的微電子換能器將此角度轉(zhuǎn)換成信號(hào),經(jīng)過分析處理,直接在液晶屏上顯示被測(cè)點(diǎn)的水平位移增量Δi,并存入儀器中,通過串口送入計(jì)算機(jī)中處理。

測(cè)斜儀工作原理公式如下(見圖1):

其中,L為探頭輪距,一般為0.5 m;θi為某一深度傾斜角;Sn為各分段位移增量的總和。

測(cè)斜探頭上滑輪順槽而下(孔口)或由下而上(孔底)逐點(diǎn)(測(cè)距一般為0.5 m)測(cè)試,從而可精確測(cè)出每段的水平位移增量Δin。

測(cè)孔時(shí),為了更精確測(cè)出Δin值,應(yīng)根據(jù)滑體滑動(dòng)方向,在測(cè)讀儀里設(shè)定正反方向(南北或東西)各測(cè)一次,將正向測(cè)值 Δi正、反方向值Δi負(fù)代入計(jì)算公式,ΔXY=0.5(Δi正-Δi負(fù)),即得到該點(diǎn)位置ΔXY的數(shù)值,單位為mm。

當(dāng)測(cè)斜管埋設(shè)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定土層或非變形土層時(shí),則可認(rèn)為管底是位移不動(dòng)點(diǎn),管口的水平位移值 Sn即為各分段位移增量的總和。

3 測(cè)斜鉆孔的布點(diǎn)注意事項(xiàng)

1)鉆孔應(yīng)布設(shè)在地面位移較為明顯的地帶;2)測(cè)斜管的埋設(shè)要便于鉆機(jī)鉆孔的施工;3)測(cè)斜管與地球重心方向的夾角應(yīng)在0°～±30°;4)測(cè)試深度最大1 000 m,水壓10 MPa;5)工作溫度:-10℃～+60℃。

撫順西露天礦北幫邊坡監(jiān)測(cè)中使用并開展深層巖移監(jiān)測(cè)的鉆孔有9個(gè),主要監(jiān)測(cè)F1a斷裂帶兩側(cè)的深部基巖的位移情況,因此鉆孔布設(shè)在F1a斷裂帶附近。其中,9個(gè)分布在撫順發(fā)電廠院內(nèi),由西向東布設(shè)了3條監(jiān)測(cè)剖面,每條監(jiān)測(cè)剖面從北到南分別布置有ZK1,ZK2,ZK3;ZK4,ZK5,ZK6;ZK7,ZK8,ZK9 9個(gè)孔,ZK3,ZK6,ZK9位于 F1a南側(cè),其余孔位于F1a北側(cè)。

4 測(cè)斜儀的工作方法

本次使用測(cè)斜儀型號(hào)為“CX-3C型重力加速度計(jì)式鉆孔測(cè)斜儀”,對(duì)西露天礦北幫不同深度巖層的水平位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以孔底為基準(zhǔn)分別在其主滑方向和垂直主滑方向上(即南北方向)進(jìn)行正反兩回次自下而上的測(cè)讀,監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為1.0 m,測(cè)量精度為0.1 mm/500 mm。測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)后,可自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)表、趨勢(shì)報(bào)表,并繪制位移曲線。儀器設(shè)定每個(gè)測(cè)孔的第0次數(shù)據(jù)組為初始值,以第0次數(shù)據(jù)組為參照,數(shù)據(jù)為正值表示向南位移,負(fù)值則表示向北移動(dòng)。

表1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析特征表

5 CX-3C測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)分析

撫順西露天礦北幫邊坡深層巖移監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)F1a斷裂帶兩側(cè)的深部基巖的位移情況,自2008年3月以來共取得135組測(cè)斜數(shù)據(jù),現(xiàn)以ZK7(F1a北端)、ZK8(F1a中間)、ZK9(F1a南端)剖面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例分析說明F1a附近的深部基巖的位移情況。深部基巖的位移情況主要由總水平位移的變化情況來反映。

根據(jù)CX-3C測(cè)斜儀的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(見表1),以上3組測(cè)斜數(shù)據(jù)的特征反映了ZK7,ZK9總體是不斷向北移動(dòng)的,ZK8是分層向南或向北移動(dòng)的,由于CX-3C測(cè)斜儀是由孔底為基準(zhǔn)的,從數(shù)據(jù)變化量上看,測(cè)斜孔下部水平變化速率比上部快。

6 使用鉆孔測(cè)斜儀注意事項(xiàng)

1)滑動(dòng)式CX-3C測(cè)斜儀每段測(cè)試深度要控制在0.1 mm～2 mm之間,即0.5 m(或1 m)的標(biāo)記每次都在同一位置讀數(shù)。2)測(cè)斜孔口上要做深度讀數(shù)標(biāo)記。3)要符合規(guī)定的水溫、水壓及測(cè)斜角度。

7 結(jié)語

本文通過對(duì)鉆孔測(cè)斜儀在撫順西露天監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,得到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以確定出巖(土)體內(nèi)滑裂面的位置、大小和滑動(dòng)方向,對(duì)分析邊坡穩(wěn)定性、確定滑坡的機(jī)制和滑動(dòng)形式起著重要的作用,而且可有效地指導(dǎo)滑坡治理工程活動(dòng)。因此鉆孔測(cè)斜儀將會(huì)在深部巖移監(jiān)測(cè)中起到越來越重要的作用。

[1] 梁志全,胡賀松.利用鉆芯孔測(cè)斜法對(duì)工程樁傾斜率測(cè)試的分析[J].山西建筑,2008,34(8):140-141.